KR20180062638A - 차량의 하이브리드 파워트레인 - Google Patents

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KR20180062638A
KR20180062638A KR1020160162537A KR20160162537A KR20180062638A KR 20180062638 A KR20180062638 A KR 20180062638A KR 1020160162537 A KR1020160162537 A KR 1020160162537A KR 20160162537 A KR20160162537 A KR 20160162537A KR 20180062638 A KR20180062638 A KR 20180062638A
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이경신
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    • B60K6/50—Architecture of the driveline characterised by arrangement or kind of transmission units
    • B60K6/54—Transmission for changing ratio
    • B60K6/543—Transmission for changing ratio the transmission being a continuously variable transmission
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H3/00—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion
    • F16H3/44—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion
    • F16H3/72—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously
    • F16H3/727—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously with at least two dynamo electric machines for creating an electric power path inside the gearing, e.g. using generator and motor for a variable power torque path
    • F16H3/728—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously with at least two dynamo electric machines for creating an electric power path inside the gearing, e.g. using generator and motor for a variable power torque path with means to change ratio in the mechanical gearing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K2006/266—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the motors or the generators with two coaxial motors or generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

본 발명은 서로 다른 직경으로 동축을 이루며 각각 회전 가능하게 설치된 제1피니언 및 제2피니언으로 이루어진 동축더블피니언과, 상기 동축더블피니언을 다수 구비한 캐리어를 포함하여 구성되며, 동력의 입출력이 가능한 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치와; 상기 유성기어장치의 4개의 회전요소에 각각 연결된 엔진, 제1모터제너레이터, 제2모터제너레이터 및 출력축을 포함하여 구성된다.

Description

차량의 하이브리드 파워트레인{HYBRID POWERTRAIN FOR VEHICLE}
본 발명은 차량의 하이브리드 파워트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 EVT(Electrically Variable Transmission)모드를 구현할 수 있는 파워트레인의 구성에 관한 기술이다.
하이브리드 차량의 파워트레인은 모터와 내연기관인 엔진의 특성을 최대한 적절히 조합하여 가급적 적은 부피와 중량을 가지는 구성을 이루면서도, 차량의 다양한 운전조건에 최적화된 주행모드를 제공할 수 있어야 차량의 연비를 향상시킬 수 있고, 차량에서 요구되는 주행특성을 만족할 수 있다.
상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 1020150070488 A
본 발명은 가급적 엔진의 최적 운전점 주행이 가능하도록 하고, 전기차 모드의 주행성능을 향상시키며, 사용되는 에너지의 소비를 최소화하여 연비 향상에 보다 더 기여할 수 있도록 하며, 비교적 단순하고 컴팩트한 구성으로 차량에의 탑재성이 우수하고 소요 재료비가 저감될 수 있도록 한 차량의 하이브리드 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인은,
서로 다른 직경으로 동축을 이루며 각각 회전 가능하게 설치된 제1피니언 및 제2피니언으로 이루어진 동축더블피니언과, 상기 동축더블피니언을 다수 구비한 캐리어를 포함하여 구성되며, 동력의 입출력이 가능한 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치와;
상기 유성기어장치의 4개의 회전요소에 각각 연결된 엔진, 제1모터제너레이터, 제2모터제너레이터 및 출력축;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 유성기어장치의 4개의 회전요소는, 상기 동축더블피니언 중 제2피니언들의 내측에 치합되도록 설치된 선기어와, 상기 제2피니언들의 외측에 치합되도록 설치된 제1링기어와, 상기 제1피니언들의 외측에 치합되도록 설치된 제2링기어 및 상기 캐리어로 이루어질 수 있다.
상기 제2피니언이 상기 제1피니언보다 직경이 크게 형성될 수 있다.
상기 제2링기어에는 상기 엔진이 직결되고;
상기 제1링기어에는 상기 제1모터제너레이터가 직결되며;
상기 선기어에는 상기 제2모터제너레이터가 직결되고;
상기 캐리어에는 출력축이 연결될 수 있다.
상기 제1링기어는 제2브레이크에 의해 변속기케이스에 고정 가능하게 연결되고;
상기 제2링기어는 제1브레이크에 의해 변속기케이스에 고정 가능하게 연결될 수 있다.
상기 제2링기어와 변속기케이스 사이에는 상기 제2링기어의 역방향 회전을 방지하는 원웨이클러치가 더 구비될 수 있다.
상기 선기어와 캐리어 사이에는 서로를 연결하거나 차단할 수 있도록 클러치가 설치될 수 있다.
상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 상기 유성기어장치의 회전축과 동심축을 이루어 배치되고;
상기 캐리어에는 상기 제1모너제너레이터와 제2모터제너레이터 사이에서 동심축을 이루어 상대회전 가능한 상태로 출력구동기어가 구비되고;
상기 출력축에는 상기 출력구동기어에 치합되는 출력피동기어가 구비될 수 있다.
상기 클러치는 상기 제2모터제너레이터와 선기어를 연결하는 선기어축과 상기 출력구동기어 사이를 연결하거나 차단할 수 있도록 설치될 수 있다.
본 발명은 가급적 엔진의 최적 운전점 주행이 가능하도록 하고, 전기차 모드의 주행성능을 향상시키며, 사용되는 에너지의 소비를 최소화하여 연비 향상에 보다 더 기여할 수 있도록 하고, 비교적 단순하고 컴팩트한 구성으로 차량에의 탑재성이 우수하고 소요 재료비가 저감될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 파워트레인의 구성을 도시한 도면,
도 2는 도 1의 파워트레인을 간략히 도식화한 도면,
도 3은 도 1의 파워트레인을 레버선도로 표시한 도면,
도 4는 도 1의 파워트레인의 작동모드표,
도 5는 도 1의 파워트레인의 기어비에 따른 모드 적용 및 그 효율을 나타낸 그래프,
도 6 내지 도 22는 도 1의 파워트레인의 각 모드별 작동을 레버선도로 설명한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인의 실시예는, 서로 다른 직경으로 동축을 이루며 각각 회전 가능하게 설치된 제1피니언(P1) 및 제2피니언(P2)으로 이루어진 동축더블피니언과, 상기 동축더블피니언을 다수 구비한 캐리어(C)를 포함하여 구성되며, 동력의 입출력이 가능한 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치(PG)와; 상기 유성기어장치(PG)의 4개의 회전요소에 각각 연결된 엔진(E), 제1모터제너레이터(MG1), 제2모터제너레이터(MG2) 및 출력축(OUT);을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서, 상기 유성기어장치(PG)의 4개의 회전요소는, 상기 동축더블피니언 중 제2피니언(P2)들의 내측에 치합되도록 설치된 선기어(S)와, 상기 제2피니언(P2)들의 외측에 치합되도록 설치된 제1링기어(R1)와, 상기 제1피니언(P1)들의 외측에 치합되도록 설치된 제2링기어(R2) 및 상기 캐리어(C)로 이루어지며, 상기 제2피니언(P2)은 상기 제1피니언(P1)보다 직경이 크게 설정하였다.
상기 제2링기어(R2)에는 상기 엔진(E)이 직결되고, 상기 제1링기어(R1)에는 상기 제1모터제너레이터(MG1)가 직결되며, 상기 선기어(S)에는 상기 제2모터제너레이터(MG2)가 직결되고, 상기 캐리어(C)에는 출력축(OUT)이 연결되는 구성이다.
상기 제1링기어(R1)는 제2브레이크(BK2)에 의해 변속기케이스(CS)에 고정 가능하게 연결되고, 상기 제2링기어(R2)는 제1브레이크(BK1)에 의해 변속기케이스(CS)에 고정 가능하게 연결된다.
본 실시예에서, 상기 제2링기어(R2)와 변속기케이스(CS) 사이에는 상기 제2링기어(R2)의 역방향 회전을 방지하는 원웨이클러치(OWC)가 구비되어 있으나, 상기 원웨이클러치(OWC)는 생략할 수도 있다.
상기 선기어(S)와 캐리어(C) 사이에는 서로를 연결하거나 차단할 수 있도록 클러치(CL)가 설치된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)는 상기 유성기어장치(PG)의 회전축과 동심축을 이루어 배치되고, 상기 캐리어(C)에는 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2) 사이에서 동심축을 이루어 상대회전 가능한 상태로 출력구동기어(G1)가 구비되고, 상기 출력축(OUT)에는 상기 출력구동기어(G1)에 치합되는 출력피동기어(G2)가 구비된 구성이다.
물론, 상기 출력축(OUT)에는 다시 차동장치(DF) 등이 연결되어 구동륜(W)으로 동력을 전달할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 클러치(CL)는 상기 제2모터제너레이터(MG2)와 선기어(S)를 연결하는 선기어(S)축과 상기 출력구동기어(G1) 사이를 연결하거나 차단할 수 있도록 설치되어, 상기 클러치(CL)로 외부로부터의 작동제어 신호가 용이하게 전달될 수 있는 공간을 형성함과 아울러, 상기 공간에 의해 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)가 서로 이격되어 원활한 냉각 성능의 확보가 가능하도록 한다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명 하이브리드 파워트레인의 각 작동 모드를 살펴본다.
도 6은 MG1시동 모드로서, 제1모터제너레이터(MG1)를 구동하여 엔진(E) 시동에 필요한 동력을 제공하는 상태로서 출력축(OUT)은 정차상태이므로 캐리어(C)가 정지한 상태에서 제1링기어(R1)로 공급되는 제1모터제너레이터(MG1)의 동력이 감속되어 엔진(E)에 공급됨으로써, 엔진(E)의 시동이 이루어지는 상태이다.
도 7은 MG2시동 모드로서, 도시된 바와 같이 캐리어(C)가 고정된 상태이므로, 제2모터제너레이터(MG2)를 역회전시켜서 엔진(E)의 시동에 필요한 정방향 회전력을 제2링기어(R2)로 제공하는 상태이다.
도 8은 냉시동 모드로서, 엔진(E)의 드래그토크가 매우 큰 상태에서 엔진(E)에 보다 큰 토크를 전달하여 보다 원활한 시동이 가능하도록 제1모터제너레이터(MG1)는 정회전 제2모터제너레이터(MG2)는 역회전하여 엔진(E)을 시동시키는 상태이다.
도 9는 MG1발전 모드로서, 정차상태이므로 캐리어(C)가 고정된 상태에서, 엔진(E)에 의해 제공되는 동력은 제1링기어(R1)를 통해 제1모터제너레이터(MG1)로 증속되어 공급되고, 이를 이용하여 제1모터제너레이터(MG1)는 발전하여 배터리에 충전하도록 하는 상태이다.
도 10은 MG2발전 모드로서, 캐리어(C)가 정지상태이므로 엔진(E)의 동력에 의해 선기어(S)는 역회전하고, 제2모터제너레이터(MG2)는 이 동력을 받아 발전을 수행하는 상태이다.
도 11은 급속충전 모드로서, 상기 도 9와 도 10의 상태를 한꺼번에 수행하는 것으로, 배터리의 SOC(State of Charge)가 매우 낮은 상황 등에서, 엔진(E)의 동력을 상기 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)가 함께 전달받아 발전을 수행하여 배터리의 신속한 충전을 도모하는 모드이다.
도 12는 전기차 주행모드인 EV모드 중 MG1구동 모드로서, 상기 제1모터제너레이터(MG1)를 역회전 구동하고, 엔진(E)은 정지상태를 유지함으로써, 출력축(OUT)으로 정방향 동력이 인출되어 전기차 모드가 구현되는 상태이다.
이때, 상기 엔진(E)의 정지상태는 엔진(E)의 역회전 저항이 매우 큰 경우에는 원웨이클러치(OWC)가 없어도 엔진(E) 정지상태가 확보될 수 있지만, 보다 확실한 주행상태 확보를 위해 상기 원웨이클러치(OWC)를 구비함으로써, 엔진(E)의 역회전 가능성을 완전히 배제한 상태에서 보다 신뢰성 있는 EV모드를 구현하도록 한 것이다.
물론, 상기와 같은 엔진(E) 역회전 방지를 위해 상기 제1브레이크(BK1)를 사용할 수도 있으나, 그 경우에는 제1브레이크(BK1)를 구동하기 위한 유압이 요구되므로, 이에 소요되는 에너지의 낭비가 발생하게 되므로, 상기 원웨이클러치(OWC)를 채용함으로써, 이와 같은 에너지의 낭비를 배제하여 차량의 연비 향상에 보다 기여할 수 있도록 한 것이다.
도 13은 EV주행 모드 중, MG2구동 모드로서, 상기 제2모터제너레이터(MG2)를 정방향으로 구동하여 출력축(OUT)에 정방향의 출력토크를 제공하는 상태로서, 역시 상기 엔진(E)이 연결된 제2링기어(R2)는 상기 원웨이클러치(OWC)에 의해 고정된 상태를 유지한다.
도 14는 EV주행 모드 중, 고출력 모드로서, 상기 도 12와 도 13의 두 모드를 함께 구현하는 것으로서, 상기 제1모터제너레이터(MG1)는 역회전, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 정회전시켜서, 캐리어(C)에 정방향 출력토크를 제공하고, 상기 원웨이클러치(OWC)는 엔진(E)의 역회전을 방지하는 상태로서, 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2) 모두의 동력으로 보다 높은 출력의 EV주행이 이루어지는 것이다.
도 15와 도 16은 하이브리드 모드인 HEV주행 모드 중, EVT모드를 설명한 것으로서, 도 15는 저속 영역에 사용하는 모드이고, 도 16은 중속 및 고속 영역에 사용하는 모드를 설명하고 있다.
두 도면에서 모두, 상기 엔진(E)은 구동상태이고, 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)는 구동 또는 발전의 상태를 연속적으로 변화해 가면서 엔진(E) 동력에 대한 출력축(OUT)의 변속비가 무단으로 변속되는 전자식 무단 변속기의 기능을 구현하는 것이며, 이러한 변속비는 차량의 주행 상황에 따라 최적의 상태로 연속적으로 조절하게 된다.
도 17은 HEV주행 모드 중 고정단 1모드를 설명한 것으로서, 1:1의 변속비를 구현하는 상태이다.
즉, 상기 클러치(CL)를 체결하여 상기 유성기어장치(PG)가 일체로 회전되도록 함으로써, 엔진(E)의 동력은 1:1의 변속비로 캐리어(C)로 인출되어 출력축(OUT)으로 공급되는 것이다.
도 18은 HEV주행 모드 중 고정단 2모드를 설명한 것으로서, 오버드라이브 변속비를 구현하는 상태이다.
즉, 상기 제2브레이크(BK2)를 체결하여 캐리어(C)의 속도가 엔진(E)속도보다 빠르게 증속되도록 한 것으로서, 이때 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 엔진(E)의 구동력을 보조할 수도 있고, 반대로 이를 이용하여 발전하도록 제어될 수도 있다.
도 19는 모드전환 상태를 설명한 것으로서, EV모드로부터 HEV모드로의 전환을 설명하고 있다.
즉, EV모드 주행 중, 상기 제1모터제너레이터(MG1)를 구동하여 엔진(E)의 시동이 가능한 속도까지 상승시킴으로써, 엔진(E)의 시동이 이루어져 HEV모드로 진입하게 되는 것이다.
도 20은 크립주행 모드를 설명한 것으로서, 엔진(E)은 정지한 상태에서 제2모터제너레이터(MG2)를 구동하여 감속된 출력토크가 상기 캐리어(C)로 제공되도록 하여 크립 주행이 이루어지도록 한다. 이때 상기 원웨이클러치(OWC)는 역시 별도의 제어 동력 없이 엔진(E)의 역회전을 방지하는 기능을 수행한다.
도 21은 회생제동 모드 중 일반 모드를 설명한 것으로서, 상기 제1브레이크(BK1)를 체결하여 엔진(E)을 정지상태로 유지하면서 캐리어(C)로 입력되는 출력축(OUT)으로부터의 동력을 이용하여 상기 제2모터제너레이터(MG2)가 발전을 수행하는 상태이다.
도 22는 회생제동 모드 중 고출력 모드를 설명한 것으로서, 상기 도 21과 동일한 상태에서 상기 제1모터제너레이터(MG1)로도 발전을 수행하여 보다 큰 제동력을 형성하면서, 보다 많은 발전 출력을 형성하는 상태이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
P1; 제1피니언
P2; 제2피니언
C; 캐리어
PG; 유성기어장치
E; 엔진
MG1; 제1모터제너레이터
MG2; 제2모터제너레이터
OUT; 출력축
S; 선기어
R1; 제1링기어
R2; 제2링기어
BK1; 제1브레이크
CS; 변속기케이스
BK2; 제2브레이크
OWC; 원웨이클러치
CL; 클러치
G1; 출력구동기어
G2; 출력피동기어

Claims (9)

  1. 서로 다른 직경으로 동축을 이루며 각각 회전 가능하게 설치된 제1피니언 및 제2피니언으로 이루어진 동축더블피니언과, 상기 동축더블피니언을 다수 구비한 캐리어를 포함하여 구성되며, 동력의 입출력이 가능한 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치와;
    상기 유성기어장치의 4개의 회전요소에 각각 연결된 엔진, 제1모터제너레이터, 제2모터제너레이터 및 출력축;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유성기어장치의 4개의 회전요소는, 상기 동축더블피니언 중 제2피니언들의 내측에 치합되도록 설치된 선기어와, 상기 제2피니언들의 외측에 치합되도록 설치된 제1링기어와, 상기 제1피니언들의 외측에 치합되도록 설치된 제2링기어 및 상기 캐리어로 이루어진 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2피니언은 상기 제1피니언보다 직경이 큰 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2링기어에는 상기 엔진이 직결되고;
    상기 제1링기어에는 상기 제1모터제너레이터가 직결되며;
    상기 선기어에는 상기 제2모터제너레이터가 직결되고;
    상기 캐리어에는 출력축이 연결되는 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1링기어는 제2브레이크에 의해 변속기케이스에 고정 가능하게 연결되고;
    상기 제2링기어는 제1브레이크에 의해 변속기케이스에 고정 가능하게 연결되는 것;
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2링기어와 변속기케이스 사이에는 상기 제2링기어의 역방향 회전을 방지하는 원웨이클러치가 더 구비된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 선기어와 캐리어 사이에는 서로를 연결하거나 차단할 수 있도록 클러치가 설치된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 상기 유성기어장치의 회전축과 동심축을 이루어 배치되고;
    상기 캐리어에는 상기 제1모너제너레이터와 제2모터제너레이터 사이에서 동심축을 이루어 상대회전 가능한 상태로 출력구동기어가 구비되고;
    상기 출력축에는 상기 출력구동기어에 치합되는 출력피동기어가 구비된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 클러치는 상기 제2모터제너레이터와 선기어를 연결하는 선기어축과 상기 출력구동기어 사이를 연결하거나 차단할 수 있도록 설치된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
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