KR20160102047A

KR20160102047A - 차량용 추진 시스템

Info

Publication number: KR20160102047A
Application number: KR1020167019973A
Authority: KR
Inventors: 요한 린드스트룀; 마티아스 뵈르크만; 미카엘 베리퀴스트; 니클라스 페테르손
Original assignee: 스카니아 씨브이 악티에볼라그
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-08-26
Also published as: US20170001633A1; EP3086968B1; US10266172B2; KR101794898B1; EP3086968A1; WO2015099594A1; EP3086968A4

Abstract

차량용 구동 시스템은 연소 엔진(2)과 기어박스로의 입력축(3a) 사이에 배치된 두 개의 전기 기계들(9, 30)을 포함한다. 전기 기계들 중 제1 전기 기계(9)의 회전자는 유성 기어 장치의 컴포넌트(11)와 연결되고, 기어박스의 입력축(3a)은 이러한 유성 기어 장치의 다른 컴포넌트(12)와 연결된다. 제2 전기 기계(30)의 회전자는 전동 장치(33)를 통해 연소 엔진의 출력축(2a)과 연결되고, 연소 엔진의 출력축은 유성 기어 장치의 다른 컴포넌트(10)에 연결된다. 제1 잠금 수단(35)은 유성 기어 장치의 세 개의 컴포넌트들이 동일한 회전 속도로 회전하는 잠금 위치와, 컴포넌트들이 서로 다른 회전 속도로 회전할 수 있게 되는 해제 위치 사이에서 이동될 수 있다. 제2 잠금 수단(34)은 연소 엔진의 출력축이 유성 기어 장치의 상기 추가 컴포넌트와 잠기는 잠금 위치와, 연소 엔진의 출력축이 그 컴포넌트로부터 분리되는 해제 위치 사이에서 이동될 수 있다.

Description

차량용 추진 시스템{PROPULSION SYSTEM FOR A VEHICLE}

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 차량용 구동 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 특히, 바퀴로 구동되는 상용 차량, 특히 트럭과 버스 같은 대형 수송 차량의 형태로 된 모터 차량의 구동 시스템에 초점이 맞추어져 있지만, 반드시 이에만 한정되지는 않는다.

이에 따라 본 발명은 보통은, 이 경우에는 연소 엔진인 주 엔진 및 이 경우에는 전기 기계인 부 엔진에 의해 작동될 수 있는 차량인 하이브리드 차량을 구동하기 위한 구동 시스템에 관한 것이다. 차량은 배터리 또는 전기 저장용 커패시터와 같은 전기 에너지 저장 수단과 저장 수단과 전기 기계 간의 전기 에너지의 흐름을 제어하는 제어 장비를 적절히 구비한다. 전기 기계(들)는 차량의 작동 모드에 따라 엔진으로 또는 발전기로 번갈아서 작동할 수 있다. 차량이 감속할 때, 전기 기계는 저장될 수 있는 에너지를 발생시키고, 저장된 전기 에너지는 나중에 예컨대, 차량의 작동을 위해, 사용된다.

기어 박스의 변속 과정에서 기어 박스의 입력축을 연소 엔진으로부터 분리하는 통상의 클러치 기구를 사용하면, 클러치 기구의 디스크들이 가열되어 연료 소비의 증가 및 클러치 디스크의 마모가 야기되는 것과 같은 단점이 있다. 또한, 그 결과, 특히 차량이 시동될 때, 손실이 많이 발생된다. 또한, 통상의 클러치 기구는 비교적 무겁고 비싸다. 또한 통상의 클러치 기구는 차량 내에서 비교적 커다란 공간을 차지한다. 또한, 자동 변속기에서 일반적으로 사용되는 유압 컨버터/토크 컨버터의 사용 시에 마찰 손실이 일어난다. 차량이 연소 엔진의 출력 샤프트, 전기 기계의 회전자 및 기어 박스의 입력 샤프트가 유성 기어 장치로 연결되는 구동 시스템을 구비하게 하는 것에 의해, 통상의 클러치 기구 및 이와 관련된 단점들을 없앨 수 있다. EP 1 319 546 및 SE 1051384-4에 개시된 바와 같은, 이러한 유형의 구동 시스템을 구비한 차량은 종래 기술을 이룬다.

비록 이 구동 시스템, 특히 SE 1051384-4에 기재된 구동 시스템이 잘 작동하고 유리한 특징들을 다양하게 가지고 있지만, 특정 작동 상황에서의 차량의 거동과 작동에 대해 이러한 구동 시스템을 개선하고자 하는 노력이 지속적으로 이루어져 왔다.

본 발명의 목적은, 상술한 노력에 따라, 위에서 규정된 유형의 구동 시스템을 제시하는 데 있다. 이 목적은 첨부된 특허청구범위 제1항에 따른 구동 시스템을 제공하는 것에 의해 본 발명에 따라 달성된다.

차량 내의 구동 시스템이 제2 전기 기계 및 상기 제2 잠금 수단을 구비하게 하면, 종래 기술의 구동 시스템들과 비교하여, 다양한 작동 상황들에서 개선된 거동이 얻어진다. 구체적으로, 차량을 제동할 때, 연소 엔진이 버틸 수 있게 하는 반작용 토크에 의해 제한됨이 없이 제1 잠금 수단을 해제 위치에 있게 하는 것이 가능해진다. 또한 파워트레인을 통해, 즉 기어박스 외부로, 토크가 전달될 때 연소 엔진을 시동하는 것이 가능해진다. 또한, 차량이 정지해 있을 때, 소망하는 토크가 파워트레인에서 유지되는 동안 제어된 전류/전력으로, 전력 균형을 유지하면서, 즉 차량 내에 존재하는 배터리와 같은 에너지 저장 수단 및 다른 전기 부하에 전력 공급을 하면서 구동하는 것이 가능해진다. 대부분의 환경에서, 이는 이러한 유형의 종래 기술 구동 시스템에서는 달성할 수 없다.

본 명세서에서 사용되는 "전기 에너지 저장 장치(electric energy storage)"/"전기 에너지의 저장 장치(storage of electric energy)"/"에너지 저장 장치(energy storage)"는 구동 시스템의 제1 전기 기계 및 제2 전기 기계에 대한 전기 인터페이스를 구비한 에너지 저장 수단을 의미하지만, 에너지 저장은 반드시 전기 에너지의 저장이어야 할 필요는 없다. 이는 전기 배터리와 커패시터에 더하여, 예컨대 플라이휠, 다른 기계적 수단 및 압력을 축적하는 수단, 예컨대 공압 수단 또는 유압 수단이 가능할 수 있음을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 잠금 수단은, 상기 해제 위치에서, 연소 엔진에 가장 가까이 배치된 연소 엔진의 출력축의 제1 부분을 유성 기어 장치의 상기 제1 컴포넌트와 연결된 제2 부분으로부터 분리하도록 구성되고, 제2 전기 기계의 회전자와 연소 엔진의 출력축 사이의 전동 장치는 상기 제1 부분과 연결된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소 엔진의 출력축, 제1 전기 기계의 회전자 및 기어박스의 입력축은 공통의 회전 축선을 중심으로 회전 가능하게 배치되고, 제2 전기 기계의 회전자는 그 자신과 실질적으로 평행하거나 혹은 상기 공통 축선과 평행한 회전 축선을 중심으로 회전 가능하게 배치된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유성 기어 장치의 썬 휠이 상기 제1 컴포넌트를 구성하고, 유성 기어 장치의 링 기어가 상기 제3 컴포넌트를 구성한다. 제1 전기 기계의 회전자를 링 기어와 연결하고 연소 엔진의 출력축을 썬 휠과 연결하는 것에 의해 컴팩트한 구성이 달성되는데, 이는 유성 기어 장치 대신 클러치 기구를 구비한 파워트레인(구동 시스템)을 위한 기존의 공간에 끼워 넣기가 용이하다. 이에 따라 하이브리드 기어박스가 컴팩트해지고 표준 기어박스보다 실질적으로 커지지 않을 수 있다. 이는 하이브리드 스테이션이 주로 관련되는 중량 증가가 크게 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 다른 장점은, 제1 전기 기계의 회전자가 링 기어와 연결되면, 그 대신에 회전자가 썬 휠에 연결되는 경우보다, 회전자를 통해 더 높은 잠재 제동 토크가 제공된다는 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 구동 시스템은, 연소 엔진으로의 연료 공급을 제어하고 한편으로는 제1 전기 기계 및 제2 전기 기계와, 다른 한편으로는 에너지 저장 수단 간의 전력 교환을 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 장치를 포함한다. 또한 제어 장치는 유리하게는 상기 잠금 수단이 상기 잠금 위치와 해제 위치 사이에서 이동되도록 제어하고, 이들을 함께 잠그기 위하여, 연소 엔진 및/또는 제1 전기 기계 및/또는 제2 전기 기계를 각각의 잠금 수단에 의해 함께 잠길 부분들에서 동일한 회전 속도를 달성하도록 제어하고 이어서 잠금 수단이 잠금 위치로 이동되도록 제어하고, 그리고 이들을 해제하기 위하여, 연소 엔진 및/또는 제1 전기 기계 및/또는 제2 전기 기계를 서로로부터 해제될 부분들 사이에 토크 균형이 달성되도록 제어하고, 이어서 잠금 수단이 해제 위치로 이동되게 제어하도록 구성된다.

여기서, 토크 균형은 인가된 토크들 간에 다음과 같은 관계가 도 3에 도시된 예시적인 배열 형태에 대해 충족되면 달성된다.

여기서, T_{sun wheel}과 T_{ring gear}는 각각 썬 휠과 링 기어에 인가된 토크를 나타내며,

Z_s는 썬 휠의 치형의 수이고,

Z_r은 링 기어의 치형의 수이다.

이에 따라, 토크 균형은, 유성 기어 장치의 유성 휠 캐리어에 작용하는 토크와 유성 기어 장치의 기어비의 곱에 상응하는 토크가 유성 기어 장치에 배치된 링 기어에 작용하는 동시에 유성 기어 장치의 유성 휠 캐리어에 작용하는 토크와 (1 빼기 유성 기어 장치의 기어비)의 곱에 상응하는 토크가 유성 기어 장치의 썬 휠에 작용하는 상태를 의미한다. 이러한 토크 균형 상태에서, 상기 제1 잠금 수단(34)은 유성 기어 장치의 컴포넌트들 사이에서 어떤 토크도 전달하지 않는다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어 장치는, 연소 엔진이 셧 오프되고 제1 잠금 수단이 잠금 위치에 있고 제2 잠금 수단이 해제 위치에 있는 상태로 차량이 구동될 때, 연소 엔진의 시동을 위하여,

· 제2 전기 기계를 그 회전 속도가 연소 엔진의 아이들링 속도가 되도록 제어하고, 연소 엔진으로의 연료 주입을 제어하고,

· 연소 엔진의 출력축과 유성 기어 장치의 상기 제1 컴포넌트의 회전 속도가 동일해지도록 연소 엔진, 제1 전기 기계 및 제2 전기 기계를 제어하고, 그리고

· 제2 잠금 수단이 잠금 위치로 이동되게 제어하도록 구성된다.

연소 엔진의 시동이 추진으로부터 완전히 분리되기 때문에, 구동 시스템에 추진력이 유지되는 경우에 발생할 수 있는, 연소 엔진의 시동 중에 토크가 감소될 필요가 없다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어 장치는, 연소 엔진이 작동하는 상태로 그리고 제2 잠금 수단이 잠금 위치에 있는 상태로 차량이 구동될 때, 연소 엔진을 턴 오프시키고 전기 기계들에 의한 차량의 작동으로 이행하기 위하여,

· 제1 잠금 수단이 해제 위치에 있으면, 연소 엔진과 제2 전기 기계의 회전자를 그 회전 속도가 기어박스의 입력축의 엔진 속도가 되도록 제어하고,

· 잠금 수단이 아직 잠금 위치에 있지 않으면, 제1 잠금 수단이 잠금 위치로 이동되게 제어하고,

· 영의 토크가 제2 잠금 수단을 통해 전달되도록 연소 엔진과 제2 전기 기계를 제어하고,

· 제2 잠금 수단이 해제 위치로 이동되게 제어하고,

· 연소 엔진으로의 연료 분사를 중지하도록 제어하고, 그리고

· 제2 전기 기계가 정지되게 제어하도록 구성된다.

이에 따라, 연소 엔진의 제어된 정지가 달성되고, 이 때 엔진 속도는 진동이 방지되도록 제어될 수 있다. 이러한 정지는 파워트레인의 토크, 즉 기어박스의 입력축으로 그리고 기어박스의 하류로 더 전달되는 토크가 사라지는 일 없이, 즉 어떠한 토크도 차단함이 없이 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어 장치는, 연소 엔진이 아이들링 속도로 작동하고, 제1 잠금 수단이 해제 위치에 있고, 제2 잠금 수단이 잠금 위치에 있는 상태에서 차량이 정지되어 있을 때, 전력 균형 상태에서 차량을 구동하기 위하여,

· 요청된 토크가 기어박스의 입력축으로 전달될 수 있게 제1 전기 기계가 그의 토크를 전달하도록 제어하고,

· 연소 엔진의 엔진 속도가 아이들링 속도가 되도록 연소 엔진을 제어하고,

· 차량 내에 포함된 에너지 저장 수단 및 전기 부하로의 소망하는 전력이 달성되게 제2 전기 기계가 토크를 전달하도록 제어하고,

· 아이들링 속도에서 연소 엔진에 이용 가능한 토크가 제1 전기 기계로부터의 반작용 토크와 제2 전기 기계로부터 인가되는 토크 모두에 대응하기에 불충분한 경우, 연소 엔진으로부터 이용 가능한 토크가 증가하도록 연소 엔진의 엔진 속도가 증가되게 제어하고,

· 기어박스의 입력축, 제1 전기 기계의 회전자 및 연소 엔진의 출력축이 동일한 회전 속도로 회전할 때, 제1 잠금 수단이 잠금 위치로 이동되게 제어하도록 구성된다.

연소 엔진, 제1 전기 기계 및 제2 전기 기계 중 어느 것도 그 성능 한계에 도달하지 않는 한, 구동 시작 시에 필요한 토크 및 필요한 전력이 달성될 수 있다. 연소 엔진으로부터 이용 가능한 토크가 불충분하면, 엔진 속도가 증가될 수 있거나 혹은 출력 목표가 포기될 수 있다. 만일 제2 전기 기계가 그 한계에 도달하면, 출력 목표는 포기되어야만 한다. 출력 목표를 포기하는 것은, 전기 에너지 저장 수단이 제1 전기 기계와 전기 부하에 전류를 전달해야 한다는 것을 의미한다. 이는 일반적으로 가능하기는 하지만 바람직하지는 않다. 처음, 시동 중에는, 양의 토크가 달성되어야만 할 때 제1 전기 기계의 회전자가 역방향으로 회전하여 출력을 발생시킨다. 예컨대 배터리의 온도가 낮은 때에는 배터리가 발생된 출력을 수용하기 어려울 수 있지만, 이러한 경우에, 제2 전기 기계가 연소 엔진의 출력축이 회전하는 것을 돕는 토크를 전달하는 것에 의해, 출력이 제2 전기 기계에 의해 소비될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어 장치는, 연소 엔진이 작동하는 상태에서, 그리고 제1 잠금 수단과 제2 잠금 수단이 잠금 위치에 있는 상태에서 차량이 구동될 때, 차량을 제동하여 정지시킬 때,

· 소망하는 제동 토크가 제1 전기 기계와 제2 전기 기계 사이에서 분배되게 제어하고,

· 특정 값의 차량 속도가 충족되지 않을 때, 유성 기어 장치에서 토크 균형이 달성되는 동시에 기어박스의 입력축으로 전달되는 총 토크가 소망하는 제동 토크에 상응하도록 제1 전기 기계와 제2 전기 기계를 제어하고,

· 제1 잠금 수단이 해제 위치로 이동되게 제어하고,

· 연소 엔진을 그 회전 속도가 아이들링 속도가 되도록 그리고 연소 엔진으로의 연료 분사가 중지되도록 제어하고, 그리고

· 차량의 정지와 관련하여 제1 전기 기계와 제2 전기 기계로부터의 총 제동 토크가 영으로 감소되게 제어하도록 구성된다.

두 개의 전기 기계에 의해서, 소망하는 제동 토크는 보통 제동 중에 기어를 시프트할 필요 없이 달성될 수 있다. 기어 시프트가 방지되기 때문에, 기어 시프트를 준비하도록 출력이 감소(ramp down)되는 전기 기계로부터의 토크로 인한 어떠한 제동 에너지 손실도 없다. 제1 잠금 수단은 해제 위치로 이동되어 이 위치에서 유지될 수 있고, 동시에 소망하는 제동 토크가 유지될 수 있다. 이에 따라 하이브리드 시스템에 의해 재생될 수 있는 제동 에너지의 부분은 크게 증가된다.

또한, 본 발명은 제11항에 따른 차량 및 제어 장치가 본 발명에 따른 구동 시스템의 상술한 실시예에서 수행되도록 구성된 방법 단계를 갖는 방법들에 관한 것이다.

본 발명의 다른 유리한 특징들과 장점들은 하기의 상세한 설명에 기재되어 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 구동 시스템을 구비할 수 있는 차량의 파워트레인을 매우 간략하게 도시한 도면이다.
도 2는 상기 구동 시스템의 일부분을 여전히 간략하기는 하지만 좀 더 상세하게 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 시스템의 일반적인 구조를 간략하게 도시한 도면이다.

도 1은 대형 수송 차량용 파워트레인(1)을 도시한다. 파워트레인은 연소 엔진(2), 기어박스(3), 다수의 구동축(4) 및 구동휠(5)을 포함한다. 연소 엔진(2)과 기어박스(3) 사이에, 파워트레인은 중간 구역(6)을 포함한다. 도 2는 중간 구역(6)에 있는 컴포넌트들의 일부, 더 구체적으로는 SE 1051384-4에 따른 것과 같은 종래 기술의 구동 시스템에도 있을 수 있는 중간 구역에 있는 컴포넌트들의 일부를 좀 더 상세하게 도시한다. 중간 구역(6)에, 연소 엔진(2)은 출력축(2a)을 구비하고 기어박스(3)는 입력축(3a)을 구비한다. 연소 엔진의 출력축(2a)은 기어박스의 입력축(3a)에 대해 동축으로 배치된다. 연소 엔진의 출력축(2a)과 기어박스의 입력축(3a)은 공통의 회전 축선(7)을 중심으로 회전 가능하게 배치된다. 중간 구역(6)은 제1 전기 기계(9)와 유성 기어 장치를 수납하는 하우징(8)을 포함한다. 전기 기계(9)는 종래와 마찬가지로 고정자(9a)와 회전자(9b)를 포함한다. 고정자(9a)는 고정자 코어를 포함하는데, 고정자 코어는 하우징(8)의 내부에 적당한 방식으로 장착된다. 고정자 코어는 고정자의 권선을 포함한다. 제1 전기 기계(9)는, 특정한 작동 환경에서, 저장된 전기 에너지를 사용하여 기어박스의 입력축(3a)에 구동력을 공급하고, 다른 작동 조건에서는 기어박스의 입력축(3a)의 운동 에너지를 사용하여 전기 에너지를 추출, 저장하도록 구성되어 있다.

유성 기어 장치는 전기 기계의 고정자(9a)와 회전자(9b)에 대해 내부에 실질적으로 방사상으로 배치되어 있다. 유성 기어 장치는, 종래와 마찬가지로, 썬 휠(10), 링 기어(11) 및 유성 휠 캐리어(12)를 포함한다. 유성 휠 캐리어(12)는 다수의 코그휠(13)을 지지하는데, 코그휠들은 썬 휠(10)과 링 기어(11) 사이의 방사상 공간에 회전 가능하게 배치된다. 썬 휠(10)은 연소 엔진의 출력축(2a)의 주면(peripheral surface)에 고정된다. 썬 휠(10)과 연소 엔진의 출력축(2a)은 하나의 유닛으로 제1 회전 속도(n₁)로 회전한다. 유성 휠 캐리어(12)는 부착 구역(12a)을 포함하는데, 부착 구역은 스플라인 조인트(14)의 도움으로 기어박스의 입력축(3a)의 주면에 부착된다. 이 조인트의 도움으로, 유성 기어 휠(12)과 기어박스의 입력축(3a)은 하나의 유닛으로 제2 회전 속도(n₂)로 회전한다. 링 기어(11)는 회전자(9b)가 고정식으로 장착되는 외주면을 포함한다. 회전자(9b)와 링 기어(11)는 제3 회전 속도(n₃)로 회전하는 하나의 회전 유닛을 구성한다.

구동 시스템은 제1 잠금 수단을 포함하는데, 이는 연소 엔진의 출력축(2a)이 시프트 가능한 클러치 요소(15)를 구비하고 있기 때문이다. 클러치 요소(15)는 스플라인 조인트(16)의 도움으로 연소 엔진의 출력축(2a) 위에 장착된다. 이 경우, 클러치 요소(15)는 연소 엔진의 출력축(2a) 위에 신속 트위스트(twist-fast) 방식으로 배치되고, 연소 엔진의 출력축(2a) 위에 축선 방향으로 시프트 가능하게 배치된다. 클러치 요소(15)는 클러치 구역(15a)을 포함하는데, 클러치 구역은 유성 휠 캐리어(12)의 클러치 구역(12b)과 연결될 수 있다. 개략적으로 표시된 시프트 요소(17)는 클러치 요소(15)를, 제1 잠금 수단의 해제 위치에 상응하며 클러치 구역들(15a, 12b)이 서로 계합되지 않는 제1 위치와, 제1 잠금 수단의 잠금 위치에 상응하며 클러치 구역들(15a, 12b)이 서로 계합되는 제2 위치 사이에서 시프트시키도록 구성되어 있다. 이러한 잠금 위치에서, 연소 엔진의 출력축(2a)과 기어박스의 입력축(3a)은 함께 잠길 것이고, 이에 따라 이들과 전기 기계의 회전자가 동일한 회전 속도로 회전할 것이다. 이 상태는 유성 잠금(locked planet)이라 할 수 있다. 또한 잠금 기구는 유리하게는 미공개 스웨덴 특허출원 SE 1250696-0에 기재된 구성을 구비할 수 있고, 해제 위치에서 유성 기어 장치의 제1 컴포넌트 위에 있는 제2 스플라인과 계합되고 잠금 위치에서는 유성 기어 장치의 제2 컴포넌트 위에 있는 제3 스플라인과 계합되는 제1 스플라인을 구비한 슬리브를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 컴포넌트는 바람직하게는 유성 휠 캐리어고, 제2 컴포넌트는 썬 휠이다. 그러면 잠금 기구는 유성 휠 캐리어를 실질적으로 동심으로 감싸는 환형 슬리브처럼 구성될 수 있다. 또한 잠금 수단은 적당한 유형의 마찰 클러치로 만들어질 수도 있다.

전자 제어 장치(18)는 시프트 요소(17)를 제어하도록 구성되어 있다. 또한 제어 장치(18)는 전기 기계가 엔진으로 작동해야 할 때와 발전기로 작동해야 할 때를 결정하도록 구성되어 있다. 이를 결정하기 위하여, 제어 장치(18)는 적당한 작동 파라미터와 관련된 최신 정보를 수신할 수 있다. 제어 장치(18)는 이러한 목적을 위한 소프트웨어를 구비한 컴퓨터일 수 있다. 제어 장치(18)는 도시적으로 표시된 제어 장비(19)를 제어하는데, 이 제어 장비는 하이브리드 배터리(20)와 전기 기계의 고정자 권선(9a) 사이에서의 전기 에너지의 흐름을 제어한다. 전기 기계(9)가 엔진으로 작동할 때, 저장된 전기 에너지가 하이브리드 배터리(20)로부터 고정자(9a)로 공급된다. 전기 기계가 발전기로 작동할 때, 전기 에너지는 고정자(9a)로부터 하이브리드 배터리(20)로 공급된다. 하이브리드 배터리(20)는 300 내지 900볼트 범위의 전압을 갖는 전기 에너지를 전달하고 저장한다. 차량 내의 연소 엔진(2)과 기어 박스(3) 사이의 중간 구역(6)이 한정되어 있기 때문에, 전기 기계(9)와 유성 기어 장치는 컴팩트한 유닛이 되어야만 한다. 유성 기어 장치의 컴포넌트들(10, 11, 12)은 전기 기계의 고정(9a) 내부에 실질적으로 방사상으로 배열된다. 전기 기계의 회전자(9b), 유성 기어 장치의 링 기어(11), 연소 엔진의 출력축(2a) 및 기어박스의 입력축(3a)은 공통의 회전 축선(5)을 중심으로 회전 가능하게 배열된다. 이러한 실시예에 의하면, 전기 기계(9)와 유성 기어 장치는 비교적 작은 면적을 차지한다. 차량(1)은 엔진 제어 기능부(21)를 구비하는데, 이 엔진 제어 기능부에 의해 엔진 속도(n₁) 및/또는 연소 엔진(2)의 토크가 제어될 수 있다. 이에 따라 제어 장치(18)는 엔진 제어 기능부(21)를 작동시킬 수 있고 기어박스(3)의 기어들의 계합 및 분리 시에 기어박스(3)에 실질적으로 영 토크 상태를 생성시킬 수 있다. 또한, 구동 시스템은, 단일의 제어 장치(18)에 의해 제어되는 대신, 몇 개의 별개의 제어 장치들에 의해 제어될 수 있다.

이에 따라 지금까지 설명되고 도 2에 도시된, 본 발명에 따른 구동 시스템의 부분은 SE 1051384-4에 따른 구동 시스템에 존재한다. 이하, 상술한 부분에 추가된 본 발명에 따른 구동 시스템의 부분을 도 3을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 구동 시스템, 구체적으로는 중간 구역(6)은 또한 고정자(31) 및 전동 장치(transmission)(33)를 통해 연소 엔진의 출력축(2a)과 연결되는 회전자(32)를 구비하는 제2 전기 기계(30)도 구비한다. 이러한 전동 장치(33)는 고정 기어링(gearing)을 가질 수 있지만, 또한 그 기어링을 변화시키는 능력을 포함할 수도 있다. 일예에 따르면, 전동 장치(33)를 위한 기어링은 적어도 두 개의 서로 별개인 기어 단 사이에서 변화될 수 있다. 다른 예에 따르면, 전동 장치(33)는 연속 가변 기어링을 위한 메커니즘으로 이루어진다. 서로 별개인 기어단들로 혹은 연속적으로 전동 장치의 기어링을 변화시킬 수 있는 능력은 제2 전기 기계로부터 유리한 결과 토크 및/또는 회전 속도를 달성하는데 사용될 수 있다. 도 2에 보다 상세하게 도시된 제1 잠금 수단(35)과 유사한 구성을 갖는 제2 잠금 수단(34)이, 해제 위치에서, 연소 엔진에 가장 가까이에 배치되어 있는 연소 엔진의 출력축의 제1 부분(36)을 유성 기어 장치의 썬 휠(10)과 연결되어 있는 제2 부분(37)으로부터 분리함으로써, 연소 엔진의 출력축(2a)을 썬 휠(10)로부터 분리하도록 구성되어 있다. 제2 잠금 수단은 잠금 위치로 이동될 수 있는데, 이 위치에서 연소 엔진의 출력축(2a)이 썬 휠(10)에 잠긴다. 제어 장치(18)는 연소 엔진(2)으로의 연료 공급을 제어하고, 한편으로는 제1 전기 기계(9)와 제2 전기 기계(20) 및, 다른 한편으로는, 배터리와 같은 전기 에너지 저장 수단 사이의 전기 에너지의 교환을 제어하도록 구성되어 있다.

전기 기계(30)와 제2 잠금 수단(33)의 추가 배열 형태에 의해, 구동 시스템의 다양한 긍정적인 특징들이 얻어지고, 그 중에서 가장 중요한 것들 중 몇몇은 본 명세서의 도입부에서 설명했다. 예를 들어, 차량이 전기 구동을 통해 구동될 때, 파워트레인의 토크가 사라지는 일 없이, 즉 어떠한 토크도 차단함이 없이, 연소 엔진(2)이 시동될 수 있는데, 이는 이러한 토크가 제1 전기 기계(9)에 의해 달성되는 한편 제2 전기 기계는 그 회전 속도가 연소 엔진의 아이들링 속도가 되고, 후속해서 제2 잠금 수단(34)의 양측에서 회전 속도가 동기화되도록 제어될 수 있고, 그런 다음 제2 잠금 장치가 잠금 위치로 이동될 수 있기 때문이다. 마찬가지로, 연소 엔진이 작동하는 상태로 차량이 작동 중일 때, 파워트레인의 토크가 사라지는 일 없이 연소 엔진이 턴 오프되고 정지될 수 있다. 제2 전기 기계 및 제2 잠금 수단의 부가 덕분에 전력 균형을 달성할 수 있는 가능성도 또한 상당히 개선되는데, 이러한 전력 균형 상태에서, 전기 에너지 저장 수단 및 전기 부하로의/로부터의 소망하는 전류의 합은 음과 양 둘 다일 수 있다. 전력 균형이라는 용어는 발생하는 모든 작동 모드에서 에너지 저장 수단/하이브리드 배터리에의 충전 전류 또는 그로부터의 방전 전력을 자유롭게 선택하는 것이 구동 시스템에 대해 규정되어 있는 일반 한계 내에서 가능하다는 것을 의미한다. 전기 에너지 저장 시스템을 구성하는 차량의 배터리가 매우 차갑고 전류를 받아들이지 않을 수 있는 경우에도 구동 시스템을 구비한 차량의 구동을 개시하는 것이 가능하다는 점이 특히 유리하다. 차량의 시동 시에는, 양의 토크가 달성되어야만 할 때, 제1 전기 기계(9)는 역방향으로 회전하여 전력을 발생시킨다. 발생된 전력은 제2 전기 기계(30)에 의해 소비될 수 있는데, 이는 제2 전기 기계가 연소 엔진의 출력축에 토크를 인가하여 출력축의 회전을 돕기 때문이다.

상술한 장점은, 처음에 연소 엔진이 작동하는 상태에서 예컨대 대략 50km/h의 속도로 주행하는 차량을 제동할 때에도 또한 달성되는데, 이는 본 발명에 따른 구동 시스템이 두 개의 전기 기계를 구비하고 있기 때문이다. 이에 따라, 토크 균형은 요구되는 총 제동 토크가 감소하지 않으면서 유성 기어 장치에서 달성될 수 있다. 그러면, 제1 잠금 수단이 해제 위치로 이동되고, 즉 유성 기어 장치의 잠금이 해제되고, 엔진 속도가 아이들링 엔진 속도가 되도록 엔진이 제어될 때 동일한 총 제동 토크가 유지될 수 있다. 따라서, 차량이 정지할 때까지 계속 하나의 동일한 기어로 제동하는 것이 보통 유리한데, 이는 본 발명에 따른 구동 시스템에서 가능하다.

명확하게 본 발명은 어떠한 방식으로도 위에서 설명한 실시예에 한정되지 않으며, 오히려 특허청구범위에서 한정된 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형예들이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

제1 잠금 수단은 상기 세 개의 컴포넌트들 중 임의의 두 개를 함께 잠그도록 구성될 수 있다.

전동 장치(transmission)가 회전자와 링 기어 사이에 배치될 수 있고, 또한, 도 2에 썬 휠과 연결되도록 표시된 연소 엔진의 출력축의 상류와 같이, 연소 엔진의 출력축과 썬 휠 사이에 배치될 수 있다. 후자의 전동 장치는 또한 가변 기어 장치를 구성할 수 있다.

구동 시스템이 링 기어를 제1 컴포넌트로 그리고 썬 휠을 제3 컴포넌트로 구비하는 것도, 비록 상술한 장점들 때문에 그 반대의 경우가 바람직할 것이기는 하지만, 또한 생각할 수 있다.

본 발명에 따른 구동 시스템은, 적어도 어떤 상황에서는, 에너지 저장 수단/하이브리드 배터리가 포함되지 않은 경우에도 또한 유리하게 사용될 수 있다. 그러면, 적용 가능한 상황에서, 에너지는 대신 제1 전기 기계와 제2 전기 기계 사이에서만 교환된다. 이 방법을 응용하는 일예는 보통 고열의 발생 및/또는 마모에 노출되는 전통적인 결합 장치(주로, 마찰 커플링(friction coupling)) 또는 유압 토크 컨버터의 기능을 대체하는 것이다. 유리하게는, 중량 견인차(heavy tractor)의 전통적인 마찰 커플링이, 본 발명에 따라, 예컨대 에너지 저장 수단/하이브리드 배터리를 포함하지 않는 구동 시스템으로 대체될 수 있다. 본 발명에 따른 구동 시스템이 에너지 저장 수단/하이브리드 배터리를 포함하지 않으면서 사용될 수 있는 응용의 다른 예는, 구동 시스템이 시프트를 유리하게 수행하도록 기어박스의 입력축 및/또는 연소 엔진의 출력축/플라이휠의 토크 및/또는 엔진 속도를 제어/조정/조절하도록 사용될 수 있을 때 기어 시프트를 실시하는 경우이다. 따라서 에너지는 제1 전기 기계와 제2 전기 기계 사이에서만 교환된다.

Claims

연소 엔진(2)의 출력축(2a)과, 기어박스(3)의 입력축(3a)과, 고정자(9a)와 회전자(9b)를 포함하는 제1 전기 기계와, 썬 휠(10), 링 기어(11) 및 유성 휠 캐리어(12)의 형태로 된 세 개의 컴포넌트를 포함하는 유성 기어 장치를 포함하는 차량용 구동 시스템으로,
연소 엔진의 출력축(2a)이 유성 기어 장치의 상기 컴포넌트들 중 제1 컴포넌트(10)와 연결되며, 이에 따라 이 연소 엔진의 출력축의 회전에 의해 이 제1 컴포넌트의 회전이 유도되고,
기어박스(3)의 입력축(3a)은 유성 기어 장치의 상기 컴포넌트들 중 제2 컴포넌트(12)에 연결되며, 이에 따라 이 유성 기어 장치의 출력축의 회전에 의해 이 제2 컴포넌트의 회전이 유도되고,
전기 기계의 회전자(9b)는 유성 기어 장치의 상기 컴포넌트들 중 제3 컴포넌트(11)와 연결되며, 이에 따라 회전자의 회전에 의해 이 제3 컴포넌트의 회전이 유도되고,
구동 시스템은 또한, 세 개의 컴포넌트가 동일한 회전 속도로 회전하도록 상기 컴포넌트들 중 두 개의 컴포넌트가 함께 잠기는 잠금 위치와 컴포넌트들(10, 11, 12)이 각기 다른 회전 속도로 회전할 수 있게 되는 해제 위치 사이에서 이동될 수 있는 제1 잠금 수단(35)을 포함하는, 차량용 구동 시스템에 있어서,
구동 시스템이, 연소 엔진과 상기 제1 컴포넌트(10) 사이에서 전동 장치(33)를 통해 연소 엔진의 출력축(2a)과 연결되고 이 출력축에 대해 편심 배치되는, 회전자(32) 및 고정자(31)를 구비한 제2 전기 기계(30)와, 연소 엔진의 출력축(2a)이 상기 제1 컴포넌트(10)에 잠기는 잠금 위치와, 연소 엔진의 출력축이 상기 제1 컴포넌트(10)로부터 분리되는 해제 위치 사이에서 이동될 수 있는 제2 잠금 수단(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 잠금 수단(35)이, 상기 해제 위치에서, 연소 엔진에 배치된 연소 엔진의 출력축(2a)의 제1 부분(36)을 유성 기어 장치의 상기 제1 컴포넌트(10)와 연결된 제2 부분(37)으로부터 분리하도록 구성되고,
제2 전기 기계의 회전자(32)와 연소 엔진의 출력축(2a) 사이의 전동 장치(33)가 상기 제1 부분(36)과 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
연소 엔진의 출력축, 제1 전기 기계의 회전자(9b) 및 기어박스의 입력축(3a)이 공통의 회전 축선(7)을 중심으로 회전 가능하게 배치되고,
제2 전기 기계의 회전자(32)는 그 자신과 실질적으로 평행하거나 혹은 상기 공통 축선과 평행한 회전 축선을 중심으로 회전 가능하게 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
유성 기어 장치의 썬 휠(10)이 상기 제1 컴포넌트이고 링 기어(11)가 상기 제3 컴포넌트인 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
연소 엔진(2)으로의 연료 공급을 제어하고, 한편으로는 제1 전기 기계(9) 및 제2 전기 기계(30)와, 다른 한편으로는 전기 에너지 저장 장치(20) 간의 전기 에너지 교환을 제어하도록 구성된 적어도 하나의 제어 장치(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
제5항에 있어서,
제어 장치(18)가, 상기 잠금 수단(34, 35)이 상기 잠금 위치와 해제 위치 사이에서 이동되도록 제어하고, 잠금을 위하여, 연소 엔진(2) 및/또는 제1 전기 기계(9) 및/또는 제2 전기 기계(30)가 각각의 잠금 수단(34, 35)에 의해 함께 잠기는 부분들에서 동일한 회전 속도를 달성하고, 이어서 잠금 수단이 잠금 위치로 이동되도록 제어하고, 그리고 해제를 위하여, 연소 엔진(2) 및/또는 제1 전기 기계(9) 및/또는 제2 전기 기계(30)가 서로로부터 해제될 부분들 사이에 토크 균형을 달성하고, 이어서 잠금 수단이 해제 위치로 이동되게 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
제6항에 있어서,
제어 장치(18)가, 연소 엔진(2)이 턴 오프되고 제1 잠금 수단(35)이 잠금 위치에 있고 제2 잠금 수단(34)은 해제 위치에 있는 상태로 차량이 구동될 때, 연소 엔진을 시동하기 위하여,
· 제2 전기 기계(30)를 그 회전 속도가 연소 엔진의 아이들링 속도가 되도록 제어하고, 연소 엔진으로의 연료 주입을 제어하고,
· 연소 엔진의 출력축(2a)과 유성 기어 장치의 상기 제1 컴포넌트(10)의 회전 속도가 동일해지도록 연소 엔진(2), 제1 전기 기계(9) 및 제2 전기 기계(30)를 제어하고, 그리고
· 제2 잠금 수단(34)이 잠금 위치로 이동되게 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
제6항 또는 제7항에 있어서,
제어 유닛(18)이, 연소 엔진(2)이 작동하는 상태로 그리고 제2 잠금 수단(34)이 잠금 위치에 있는 상태로 차량이 구동될 때, 연소 엔진을 턴 오프시키고 차량이 전기 기계들(9, 30)에 의해 구동되게 이행시키기 위하여,
· 제1 잠금 수단이 해제 위치에 있으면, 연소 엔진(2)과 제2 전기 기계의 회전자를 그 회전 속도가 기어박스의 입력축(3a)의 엔진 속도가 되도록 제어하고,
· 잠금 수단이 아직 잠금 위치에 있지 않으면, 제1 잠금 수단(35)이 잠금 위치로 이동되게 제어하고,
· 영의 토크가 제2 잠금 수단(34)을 통해 전달되도록 연소 엔진(2)과 제2 전기 기계(30)를 제어하고,
· 제2 잠금 수단(34)이 해제 위치로 이동되게 제어하고,
· 연소 엔진(2)으로의 연료 분사를 중지하도록 제어하고, 그리고
· 제2 전기 기계(30)가 정지되게 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
제어 장치(18)가, 연소 엔진이 아이들링 속도로 작동하고, 제1 잠금 수단(35)이 해제 위치에 있고, 제2 잠금 수단(34)이 잠금 위치에 있는 상태에서 차량이 정지되어 있을 때, 전력 균형 상태에서 차량의 구동을 개시하기 위하여,
· 요청된 토크가 기어박스의 입력축(3a)으로 전달될 수 있게 제1 전기 기계(9)가 그의 토크를 전달하도록 제어하고,
· 연소 엔진(2)의 엔진 속도가 아이들링 속도가 되도록 연소 엔진을 제어하고,
· 차량 내에 포함된 에너지 저장 수단(20) 및 전기 부하로의 소망하는 전력이 달성되게 제2 전기 기계(30)가 토크를 전달하도록 제어하고,
· 아이들링 속도에서 연소 엔진(2)에 이용 가능한 토크가 제1 전기 기계(9)로부터의 반작용 토크와 제2 전기 기계(30)로부터 인가되는 토크 모두에 대응하기에 불충분한 경우, 연소 엔진으로부터 이용 가능한 토크가 증가하도록 연소 엔진(2)의 엔진 속도가 증가되게 제어하고,
· 기어박스의 입력축(3a), 제1 전기 기계의 회전자(9b) 및 연소 엔진의 출력축(2a)이 동일한 회전 속도로 회전할 때, 제1 잠금 수단(35)이 잠금 위치로 이동되게 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
제어 장치(28)가, 연소 엔진(2)이 작동하는 상태에서, 그리고 제1 잠금 수단(35)과 제2 잠금 수단(34)이 잠금 위치에 있는 상태에서 차량이 구동될 때, 차량을 제동하여 정지시킬 시에,
· 소망하는 제동 토크가 제1 전기 기계(9)와 제2 전기 기계(30) 사이에서 분배되게 제어하고,
· 특정 값의 차량 속도가 충족되지 않을 때, 유성 기어 장치에서 토크 균형이 달성되는 동시에 기어박스의 입력축(3a)으로 전달되는 총 토크가 소망하는 제동 토크에 상응하도록 제1 전기 기계(9)와 제2 전기 기계(30)를 제어하고,
· 제1 잠금 수단(35)이 해제 위치로 이동되게 제어하고,
· 연소 엔진(2)을 그 회전 속도가 아이들링 속도가 되도록 제어하고, 연소 엔진으로의 연료 분사가 중지되도록 제어하고, 그리고
· 차량의 정지와 관련하여 제1 전기 기계(9)와 제2 전기 기계(30)로부터의 총 제동 토크가 영으로 감소되게 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 구동 시스템.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 구동 시스템을 포함하는 차량.