KR20150008029A - 하이브리드 전기 차량 파워트레인 - Google Patents

하이브리드 전기 차량 파워트레인 Download PDF

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KR20150008029A
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그래엄 호어
왈트 오트만
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포드 글로벌 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 하이브리드 전기 차량 파워트레인은 동력 트랜스미션의 토크 입력측에 엔진 및 모터를 구비한다. 모터는 단일 스테이터 및 이중 로터를 구비한다. 구동 모드 동안의 토크 전달을 위해 선택 결합식 로터 클러치가 로터들을 서로 접속시킨다. 엔진의 키 시동 및 롤링 시동 동안, 로터 클러치는 선택적으로 결합 및 해제된다.

Description

하이브리드 전기 차량 파워트레인 {HYBRID ELECTRIC VEHICLE POWERTRAIN}
본 발명은 내연 기관에 의해 트랙션 휠에 전달되는 동력을 보완하도록 하이브리드 차량 파워트레인에 사용하기 위한 단일 스테이터 및 2개의 로터를 가진 트랙션 모터를 포함한다.
하이브리드 전기 차량 파워트레인은 탄화수소 연비를 개선하고 바람직하지 않은 배기 가스 방출을 줄이기 위해 최신의 자동차용으로 개발되었다. 그러한 전기 차량 파워트레인에 대해서는 특히 전기 유도 모터 및 배터리 서브시스템이 적용 가능한데, 이는 유도 모터의 견고함 및 작은 크기 때문이다. 또한, 유도 모터는 적당히 높은 효율 및 설계의 단순성을 갖는다. 유도 모터는 모터의 가장 효율적인 작동 범위 및 엔진의 가장 효율적인 작동 범위가 차량 트랙션 토크 전달 동안 사용되도록 공지된 제어 기술을 이용하여 제어될 수 있다. 또한, 회생 제동이 이용 가능하다.
이러한 유형의 파워트레인에서는 공통의 모터 제어기와 함께 2개의 동력 인버터를 필요로 하는 다수의 모터 구동부를 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 다수의 모터를 사용하는 것은 제조 비용을 증가시키고, 자동차 파워트레인에 패키징 문제를 야기한다. 각각의 모터를 위한 별도의 동력 인버터를 필요로 하는 것은 또한 전체적인 파워트레인 설계에 바람직하지 않은 복잡함을 야기한다.
미국 특허 제6,585,066호는 유도 모터가 내연 기관과 다중 비율 트랜스미션 사이의 토크 유동 경로내에 위치되는 하이브리드 전기 차량에 사용하기 위한 다중 비율 동력 트랜스미션 기구를 개시한다. 모터 및 엔진은 트랜스미션의 토크 입력측으로의 평행한 동력 유동 경로들을 형성한다. 트랜스미션은 트랜스미션을 통해 차량 트랙션 휠까지 복수의 토크 유동 경로를 형성하기 위한 클러치 및 브레이크 기구를 갖는 유성 기어링을 포함한다. 차량이 정지하거나 또는 타력 주행할 때 파워트레인으로부터 엔진을 단절하기 위해 엔진 클러치가 사용된다. 차량이 저동력 구동 조건하에서 작동할 때는, 모터로부터의 동력 유동 경로가 독점적으로 사용될 수 있다. 차량이 타력 주행 제동 모드에서 작동할 때는, 타력 주행 동안 에너지가 복원될 수 있다. 과중한 스로틀 가속 조건하에서는, 모터로부터 이용 가능한 부가의 토크가 내연 기관으로부터 발생된 토크를 증가시킨다.
미국 특허 제6,585,066호에 개시된 종류의 파워트레인에 있어서는, 엔진 클러치가 오프 상태인 경우, 모터를 사용하여 차량을 구동할 수 있다. 엔진 클러치가 온 상태일 때는, 트랜스미션 기어링에 의해 토크 유동 경로들이 발달됨에 따라, 모터 및 엔진이 모두 차량을 구동할 수 있다. 전기 모터가 차량을 구동하고 있고 동력 수요가 엔진의 시동을 요구할 때, 모터는 휠에 요구되는 토크 레벨을 유지해야할 뿐만 아니라, 엔진의 마찰과 함께 엔진 실린더내의 엔진 연료-공기 충전물을 압축하는데 요구되는 토크도 또한 극복해야 한다. 엔진 시동 사이클 동안 일시적으로 존재하는 모터에 대한 이러한 부가적인 토크 수요는 동력 전달 계통 토크의 급격한 감소를 유발할 수 있다. 이는 동력 전달 계통에 바람직하지 않은 비틀림 진동을 유발할 수 있다.
롤링 엔진 시동 동안 경험할 수 있는 하이브리드 전기 차량용 동력 전달 계통에 있어서의 비틀림 진동은 본 발명에 의해 감소 또는 제거된다. 본 발명의 유도 모터용 로터는 단일 스테이터를 가진 이중 로터 조립체를 포함한다. 미국 특허 제6,585,066호에 개시된 모터의 단일 로터는 본 발명의 설계 있어서 단일 스테이터 및 단일 인버터를 가진 2개의 로터에 의해 대체된다. 2개의 로터는 독립적으로 작동하거나, 또는 이하에서 로터 클러치로 지칭되는 클러치를 통해 기계적으로 접속될 수 있다. 엔진 시동 동안의 비틀림 역학은 동력 전달 계통으로부터 기계적으로 분리된다. 로터가 독립적으로 작동될 때, 로터들의 상대 속도는 각각의 모터의 토크 부하에 따라 좌우될 것이다.
하나의 로터는 고온 엔진 재시동 동안 엔진을 시동할 용량을 갖도록 설계되고 크기가 결정될 수 있다. 엔진 시동 사이클이 진행중일 때, 동반 로터는 계속해서 차량을 구동한다. 따라서 엔진을 시동하는데 요구되는 토크 부하로 인한 비틀림 교란은 동력 전달 계통으로부터 기계적으로 단절된다. 로터들과 공통의 스테이터 사이의 분리된 플럭스 유동 경로로 인해 로터들 사이에 발생될 수 있는 임의의 전기적 결합은 경미하다.
엔진이 시동되면, 2개의 로터가 모두 휠에서 토크를 발생시키도록, 엔진 시동을 위해 사용되는 로터가 로터 클러치에 의해 동반 로터에 기계적으로 접속될 수 있다. 또한, 차량의 저온 시동을 위해, 로터들은 서로 클러치 결합된다. 회생 제동 에너지를 수용하기 위해 2개의 로터가 모두 필요한 경우, 로터들은 회생 제동 동안에도 서로 클러치 결합될 수 있다.
본 발명의 대안적인 일 실시예에 있어서, 로터들은 공통의 스테이터 내부에서 파워트레인 축에 대해 축방향으로 이격되어 있다. 다른 실시예에 있어서는, 하나의 로터가 다른 로터 안에 안착되며, 이에 따라서 모터를 위한 패키징 공간이 감소된다. 다른 대안적인 실시예에 있어서, 로터 클러치의 기능을 론치(launch) 클러치의 기능과 조합하는 것이 바람직한 경우, 차량의 론치 동안의 상대적인 로터 슬립에 대한 대비가 이루어진다.
본 발명에 따르면 하이브리드 전기 차량용 동력 전달 계통에 있어서 롤링 엔진 시동 동안 경험할 수 있는 비틀림 진동이 감소 또는 제거된다.
도1은 예를 들어 미국 특허 제6,585,066호에 개시된 종류의 하이브리드 전기 차량 파워트레인의 개략도이다.
도1a는 도1에 도시된 하이브리드 전기 차량 파워트레인에 사용될 수 있는 트랜스미션의 개략도이다.
도1b는 도1a에 도시된 트랜스미션을 위한 클러치 및 브레이크의 결합 및 해제의 패턴을 나타내는 도표이다.
도2는 본 발명의 하이브리드 전기 차량 파워트레인의 개략도이다.
도2a는 도2에 개략적으로 도시된 파워트레인에 있어서 다양한 구동 모드 동안 론치 클러치, 로터 클러치 및 엔진 클러치의 결합 및 해제의 패턴을 나타내는 도표이다.
도3은 단일 스테이터가 반경방향으로 배치된 로터들과 조합되어 사용되는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다.
도4는 론치 클러치 및 로터 클러치의 기능이 조합되고, 로터들이 단일 스테이터 내부에서 서로 축방향으로 이격되어 있는 본 발명의 다른 대안적인 실시예를 도시한다.
도1에는 내연 기관(10)이 개략적으로 도시되어 있다. 내연 기관은 댐퍼 기구(14)를 통해 엔진 단절 클러치(12)에 접속된다. 클러치(12)의 토크 출력측은 트랙션 모터/발전기(18)를 위한 로터(16)에 접속된다. 모터/발전기(18)는 로터(16)를 둘러싸는 스테이터(20)를 포함하고, 이들 사이에는 공기 갭(22)이 존재한다. 스테이터(20)는 전기 인버터(26)를 통해 배터리(24)와 통전한다. 인버터는 배터리(24)의 전압 출력(28)을 도면 부호 "30"으로 표시된 3상 전압으로 변환하여 스테이터(20)에 공급한다.
로터(16)는 도1a에 도시된 다중 비율 자동 트랜스미션에 대한 토크 입력 샤프트(32)에 기계적으로 접속된다.
도1a는 엔진 크랭크 샤프트(34)를 도시한다. 로터(16)는 트랜스미션 입력 샤프트(32)와 함께 회전하고, 트랜스미션 입력 샤프트(32)는 전진 클러치(36)에 의해 제1 유성 기어 유닛(40)의 태양 기어(38)에 접속된다. 기어 유닛(40)은 제2 기어 유닛(46)의 캐리어(44)에 접속된 링 기어(42)를 포함한다. 캐리어(44)상의 유성 피니언은 태양 기어(46) 및 링 기어(50)와 결합한다. 링 기어(50)에는 구동 체인(52)이 접속된다. 구동 체인은 최종 구동 유성 기어 유닛(58)의 태양 기어(54)에 토크를 전달한다. 기어 유닛(58)의 링 기어(56)는 도시된 바와 같이 고정된다. 유성 기어 유닛(58)의 캐리어(60)는 각각의 토크 출력 반부 샤프트에 토크를 전달하는 출력 디퍼런셜 기구(62)에 접속된다.
제1 유성 기어 유닛(40)은 제2 유성 기어 유닛(46)의 링 기어(50)에 접속되는 캐리어(64)를 포함한다. 유성 기어 유닛(46)의 캐리어(44)는 저속 및 후진(low and reverse) 브레이크(66)에 의해 제동될 수 있다.
트랜스미션 입력 샤프트(32)는 직접 클러치(68)에 의해 링 기어(42)에 접속될 수 있다. 트랜스미션 입력 샤프트는 후진 클러치(70)에 의해 제2 유성 기어 유닛(46)의 태양 기어(72)에 접속된다.
도1b에 도시된 바와 같이, 도1a에 도시된 기어링을 위한 제1 토크 비율은 전진 클러치(36) 및 저속 및 후진 브레이크(66)와 결합함으로써 형성될 수 있다. 제2 비율은 저속 및 후진 브레이크(66)를 해제하고, 태양 기어(72)를 고정하는 브레이크(74)를 적용함으로써 달성된다. 제2 비율로부터 제3 비율로의 비율 변화는 직접 클러치(68)를 적용함으로써 달성된다. 전진 클러치(36)는 제1, 제2 및 제3 전방 구동 작동 동안 결합 상태를 유지한다.
증속 구동(overdrive)인 제4 비율 구동은 전진 클러치(36)를 해제하고 직접 클러치(68)를 적용하는 한편, 브레이크(74)를 동시에 적용함으로써 달성된다.
후진 구동은 다른 마찰 요소들이 해제될 때 후진 클러치(70)와, 저속 및 후진 브레이크(66)를 적용함으로써 달성된다.
도2는 본 발명의 실시예에 대한 전체적인 시스템 블록도이다. 도1에 개략적으로 도시된 설계와 달리, 도2의 설계는 단일 스테이터(82) 내부에 위치된 2개의 로터(78 및 80)를 포함한다. 각각의 로터는 도면 부호 "84" 및 "86"으로 표시된 공기 갭에 의해 스테이터로부터 분리되어 있다. 스테이터(82)를 위한 단일 인버터는 도면 부호 "88"로 표시되어 있다. 인버터는 배터리(90)에 전기적으로 결합된다.
도1a에 개략적으로 도시된 종류의 유성 트랜스미션은 도2에 다이아그램 블록(92)으로서 개략적으로 도시되어 있다. 도2의 파워트레인을 위한 엔진은 도면 부호 "94"로 표시되며, 전자 제어 모듈(Electronic Control Module: ECM)로 통상 지칭되는 엔진을 위한 전자 마이크로프로세서 제어기가 도면 부호 "96"으로 표시되어 있다.
전체적인 차량 시스템 제어기(Vehicle System Controller: VSC)가 도면 부호 "98"로 개략적으로 표시되어 있다. VSC는 데이타 링크(100)를 통해 엔진 제어 모듈(96)에 접속되며, 데이타 링크(102)를 통해 트랜스미션 제어 모듈(Transmission Control Module: TCM)(104)에 접속된다. 모듈(104)은 도1a에 개략적으로 도시된 종류의 클러치 및 브레이크의 적용 및 해제를 제어하지만, 그러한 클러치 및 브레이크가 도2의 시스템 개략도의 블록(92) 안에는 구체적으로 도시되어 있지 않다.
인버터(88)는 도면 부호 "105"로 개략적으로 표시된 3상 전압 회로에 의해 스테이터(82)에 전기적으로 결합된다. 차량 시스템 제어기(98)는 도면 부호 "106"으로 표시된 바와 같이 스테이터(102)에 전기적으로 결합된다.
도2에 도시된 로터 클러치(82)는 결합시에 로터(78 및 80)에 구동 가능하게 접속된다. 엔진(94)은 엔진 클러치(110)를 결합해제함으로써 파워트레인 시스템의 나머지 부분으로부터 분리된다. 엔진 클러치(110)가 결합될 때는, 클러치(110)와 엔진(94) 사이에 위치된 댐퍼(112)에 의해 비틀림 교란이 완화된다.
트랜스미션(92)의 토크 입력측에는 도면 부호 "114"로 표시된 바와 같이 차량 시동 동안 결합되는 론치 클러치가 위치된다.
전기 구동 모드에서의 작동 동안에는, 차량에 동력을 공급하기 위해 제2 로터(78)가 트랜스미션의 토크 입력측에 구동 토크를 전달하도록 로터 클러치(108)가 결합해제된다. 결합된 클러치(110)를 통해 로터 토크가 엔진에 전달되므로, 이러한 작동 모드에서는 제1 로터(80)가 고온 재시동 동안 엔진을 시동할 수 있다. 로터(78)에서 발생된 모터의 모든 토크는 차량을 구동하는데 사용된다. 엔진 시동에 의해 발생되는 토크 교란에 대비한 공차는 필요하지 않다. 엔진 시동 사이클에 의해 발생되는 비틀림 교란은 파워트레인의 나머지 부분과 기계적으로 분리된다.
도2a는 다양한 작동 모드에 대한 클러치 결합 패턴의 개요를 나타낸다. 키(key) 시동 동안, 론치 클러치(114)는 오프 상태이고, 로터 클러치는 온 상태이며, 엔진 클러치는 제어된 결합을 한다. 차량이 운동중이고 엔진 롤링(rolling) 시동 사이클이 실시될 때, 론치 클러치는 온 상태이고, 엔진 클러치는 제어된 결합을 하며, 로터 클러치는 오프 상태이다. 엔진 시동에 이어 차량이 정상 상태 조건에 도달한 후, 론치 클러치는 온 상태이고, 로터 클러치는 제어된 결합을 하며, 엔진 클러치는 온 상태이다.
회생 제동 동안, 론치 클러치 및 로터 클러치는 온 상태이고, 엔진 클러치는 오프 상태이다.
도3은 로터들과 스테이터가 상대적인 반경방향 배치로 서로 겹쳐진 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도3의 실시예의 요소들을 표시하는 도면 부호는 도2의 실시예를 설명하는데 사용된 도면 부호와 동일하지만, 로터 및 스테이터는 「'」이 부가된 도면 부호로 표시된다.
도4의 실시예에 있어서, 로터들은 도2의 실시예의 경우에서와 같이 축방향 상대 배치로 배열되어 있다. 도4의 실시예에 사용된 도면 부호는 도2의 실시예의 대응 요소를 위한 도면 부호와 대응하도록 「"」를 수반한다.
본 발명의 범주를 벗어나지 않고 변형물이 만들어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 그러한 모든 변형물 및 동등물은 이하의 특허청구의 범위에 포함되는 것으로 의도된다.
78, 80 : 로터
82 : 스테이터
88 : 인버터
90 : 배터리
92 : 트랜스미션
94 : 엔진
108 : 로터 클러치
110 : 엔진 클러치
114 : 론치 클러치

Claims (1)

  1. 내연 기관과,
    2개의 로터 및 단일 스테이터를 구비하는 전기 트랙션 모터로서, 상기 로터들이 상기 각각의 로터와 상기 스테이터 사이에 공기 갭을 가진 상태로 상기 스테이터에 인접하여 배치되는, 전기 트랙션 모터와,
    상기 내연 기관 및 상기 모터로부터 차량 트랙션 휠에 동력을 전달하기 위한 동력 트랜스미션과,
    상기 모터에 전기적으로 결합된 배터리 시스템과,
    상기 동력 트랜스미션의 토크 입력 요소와 상기 2개의 로터 중 하나 사이의 토크 유동 경로내의 론치 클러치와,
    상기 2개의 로터 중 하나의 로터 토크를 다른 로터의 로터 토크와 결합시키는, 상기 2개의 로터들 사이의 로터 클러치와,
    상기 내연 기관을 위한 토크 유동 경로내에 배치된 선택 결합식 엔진 클러치를 포함하는 하이브리드 전기 차량 파워트레인.
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