KR20190067467A - 하이브리드 차량의 구동 시스템 - Google Patents

하이브리드 차량의 구동 시스템 Download PDF

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김경범
홍년한
이희라
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 구동 시스템에 관한 것으로서, 복수 개의 모터를 가지면서도 모터 사이즈 및 점유 공간의 축소가 가능하고, 체결 상태에 따라 EV 모드와 HEV 모드의 구현이 가능한 것은 물론, EV 모드나 HEV 모드 시 선택된 하나의 모터를 이용하여 발전 내지 동력 보조를 할 수 있는 하이브리드 차량의 구동 시스템을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 차량 구동을 위한 엔진; 차량 구동축으로 변속된 동력을 출력하는 변속기; 상기 엔진과 변속기 사이에 양측을 동력 전달 가능하게 연결하거나 단절하도록 설치되는 클러치; 상기 엔진과 변속기 사이를 동력 전달을 위해 연결하는 축의 둘레를 따라 배치되는 제1 코일을 고정자 코일로서 포함하고 상기 축에 회전자가 설치된 제1 모터; 및 상기 제1 코일의 반경방향 내측에 위치하도록 배치되는 제2 코일을 고정자 코일로서 포함하고 상기 축에 회전자가 설치된 제2 모터를 포함하는 하이브리드 차량의 구동 시스템이 개시된다.

Description

하이브리드 차량의 구동 시스템{Drive system of hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 구동 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수 개의 모터를 가지면서도 모터 사이즈 및 점유 공간의 축소가 가능한 하이브리드 차량의 구동 시스템에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 구동원을 사용하는 차량을 의미하고, 일반적으로 엔진(ICE, Internal Combustion Engine)과 전기모터에 의해 구동되는 차량을 의미한다.
하이브리드 차량은 주행 과정에서 엔진과 모터를 어떻게 조화롭게 작동시키느냐에 따라 최적의 토크를 출력할 수 있는 것은 물론 차량 연비의 극대화가 가능해진다.
하이브리드 차량은 모터의 동력만을 이용하는 순수 전기차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드, 또는 엔진의 동력과 모터의 동력을 복합적으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드로 주행할 수 있고, 제동 시나 타행 주행(coasting) 시 모터를 발전기로 작동시켜 배터리를 충전하는 회생 모드가 수행될 수 있다.
이러한 하이브리드 차량에서는 엔진과 모터를 사용하여 다양한 구조로 구동 시스템을 구성할 수 있는데, 도 1은 직렬형 구조를, 도 2는 병렬형 구조를, 그리고 도 3은 복합형 구조를 예시하고 있다.
도면에 예시된 바와 같이, 하이브리드 차량의 구동 시스템으로는, 엔진과 구동축이 기계적으로 분리된 직렬형(series) 구조, 엔진과 모터가 구동축에 독립적으로 또는 복합적으로 동력을 전달할 수 있는 병렬형(parallel) 구조, 그리고 엔진과 2개의 모터를 유성기어로 연결한 복합형(series-parallel/power split) 구조가 알려져 있다.
직렬형 구조에서는 엔진의 동력으로 제너레이터를 발전기로 작동시켜 배터리를 충전하고 이때 충전된 배터리 전력으로 모터를 구동하는데, 엔진과 구동축이 기계적으로 분리되어 있으므로 엔진을 구동 조건과 관계없이 구동할 수 있으나, 에너지 변환 손실이 크고 대용량의 모터가 필요하다.
그리고, 병렬형 구조에는 엔진과 모터를 엔진 클러치를 통해 연결하고 모터의 출력 측에 변속기를 연결한 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 방식과, 모터가 엔진의 크랭크 축에 직접 연결되고 플라이 휠을 통해 변속기가 연결되는 FMED(Flywheel Mounted Electric Device) 방식이 있다.
복합형 구조에서는 엔진과 2개의 모터(MG1,MG2)를 유성기어(PG1,PG2)로 연결하므로 별도의 변속기가 불필요하고, 모터 제어를 통해 엔진 회전수를 제어하는 것이 가능하다.
한편, 현재 양산 내지 개발되고 있는 TMED용 구동모터로는, 한 개의 평편형(pan-cake type) IPM(Interior Permanent Magnet) 모터를 사용하거나, 두 개의 평편형 IPM 모터를 사용하고 있다.
그러나, 엔진과 모터의 각기 다른 이종의 구동원을 엔진룸에 함께 탑재해야 하는 하이브리드 차량의 특성상 공간이 협소함으로 인해 실제 패키지 적용에 많은 문제점을 나타내고 있다.
특히, 차량에서 요구되는 사양 증대로 구동모터의 사이즈 또한 지속적으로 커지고 있으며, 따라서 이러한 문제점을 해결하려는 연구가 절실하지만 차량에 설치된 하이브리드 시스템의 이해와 구동모터의 종래에 대한 이해가 부족하여 공간적인 문제를 해결하고 구동력을 최대화할 수 있는 새로운 구조를 제시하기가 어려운 상황이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 복수 개의 모터를 가지면서도 모터 사이즈 및 점유 공간의 축소가 가능하고, 체결 상태에 따라 EV 모드와 HEV 모드의 구현이 가능한 것은 물론, EV 모드나 HEV 모드 시 선택된 하나의 모터 또는 두 개의 모터를 동시에 이용하여 발전 내지 동력 보조를 할 수 있는 하이브리드 차량의 구동 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 차량 구동을 위한 엔진; 차량 구동축으로 변속된 동력을 출력하는 변속기; 상기 엔진과 변속기 사이에 양측을 동력 전달 가능하게 연결하거나 단절하도록 설치되는 클러치; 상기 엔진과 변속기 사이를 동력 전달을 위해 연결하는 축의 둘레를 따라 배치되는 제1 코일을 고정자 코일로서 포함하고 상기 축에 회전자가 설치된 제1 모터; 및 상기 제1 코일의 반경방향 내측에 위치하도록 배치되는 제2 코일을 고정자 코일로서 포함하고 상기 축에 회전자가 설치된 제2 모터를 포함하는 하이브리드 차량의 구동 시스템을 제공한다.
그리고, 상기 축이 엔진과 상시 동력 전달 가능하게 연결된 엔진 축과, 변속기로 동력을 입력하는 변속기 축을 포함하고, 상기 엔진 축과 변속기 축 사이에 상기 클러치가 개재되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 모터의 회전자가 상기 엔진 축에 고정 설치되고, 상기 제2 모터의 회전자가 상기 변속기 축에 고정 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 모터의 회전자가 상기 변속기 축에 고정 설치되고, 상기 제2 모터의 회전자가 상기 엔진 축에 고정 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 모터는 회전자가 제1 코일로부터 축방향으로 배치되는 액시얼 모터인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 모터는 회전자가 제2 코일의 반경방향 내측에 위치되는 래디얼 모터인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 코일과 제2 코일의 사이에는 상기 양측의 코일을 동시에 냉각하기 위한 냉각수가 통과하는 냉각수 채널이 위치되는 것을 특징으로 한다.
이로써, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 구동 시스템에 의하면, 액시얼 모터(axial motor)와 래디얼 모터(radial motor)를 포함하는 2 모터-1 클러치(two motor-one clutch) 시스템이 구현될 수 있고, 특히 두 모터의 고정자 코일이 반경방향 외측과 내측으로 각각 배치됨으로써, 축방향의 모터 점유 공간을 줄일 수 있으며, 모터 시스템의 사이즈 축소가 가능하고, 협소한 엔진룸 내 패키지 측면에서도 유리해지는 이점이 있게 된다.
또한 동력 체결 상태에 따라 EV 모드와 HEV 모드의 구현이 가능한 것은 물론, EV 모드나 HEV 모드 시 선택된 하나의 모터 또는 두 개의 모터를 동시에 이용하여 발전 내지 동력 보조를 할 수 있고, 동력 전달 효율 향상, 광범위한 동력 전달 구성 및 연비 향상을 기대할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 공지된 하이브리드 차량의 구동 시스템을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 구동 시스템을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 구동 시스템에서 냉각수단의 설치 상태를 개략적으로 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량의 구동 시스템을 예시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 하이브리드 차량의 구동 시스템에 관한 것으로서, 액시얼 모터(axial motor)와 래디얼 모터(radial motor)를 포함하는 2 모터-1 클러치(two motor-one clutch) 시스템의 구성을 가지는 점에 주된 특징이 있는 것이다.
본 발명에 따라 액시얼 모터와 래디얼 모터, 클러치를 이용하여 HEV 모드와 EV 모드의 주행이 가능한 TMED 방식의 구동 시스템이 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 구동 시스템을 예시한 도면으로서, 모터 출력 측에 변속기를 배치한 TMED 방식의 구동 시스템을 예시하고 있다.
도시된 바와 같이, 하이브리드 차량의 구동 시스템은, 차량 구동을 위한 엔진(10), 차량 구동축으로 변속된 회전력을 출력하는 변속기(40), 엔진(10)과 변속기(40) 사이를 동력 전달 가능하게 연결하거나 단절하도록 설치되는 클러치(30), 상기 엔진(10)과 변속기(40) 사이의 축 둘레를 따라 각각 반경방향의 외측과 내측에 배치된 고정자 코일(22,23)을 가지는 두 개의 모터(20,21)를 포함한다.
여기서, 엔진(10)과 변속기(40) 사이의 축은 엔진과 상시 동력 전달 가능하게 연결된 엔진 축(11)과, 엔진 동력 또는 모터 동력 또는 엔진과 모터의 복합 동력을 변속기(40)로 입력하는 변속기 축(41)을 포함한다.
상기 엔진 축(11)과 변속기 축(41)에 클러치(30)가 개재되며, 보다 상세하게는 두 모터(20,21)의 회전자(24,25) 사이에 상기 클러치(30)가 개재되고, 이러한 클러치(30)는 통상의 TMED 구동 시스템에 적용되는 엔진 클러치와 같은 기능을 수행한다.
상기 클러치(30)는 통상의 엔진 클러치와 마찬가지로 미도시된 제어부에 의해 유압이 제어됨에 따라서 양단이 접합(close) 내지 해제(open)될 수 있는 장치 구성을 가지며, 공지의 유압식 엔진 클러치와 동일한 구성을 가지는 것이 될 수 있다.
상기 클러치(30)는 통상의 엔진 클러치 제어 시와 마찬가지로 HEV 모드 주행 시 엔진 동력이 모터 동력과 함께 차량의 구동축 및 구동휠에 전달될 수 있도록 제어부에 의해 접합 제어되고, 이에 차량이 엔진과 모터의 복합 동력으로 주행하게 된다.
또한 상기 클러치(30)는 EV 모드 주행 시 엔진 축(11)과 변속기 축(41)이 단절되도록 제어부에 의해 해제 제어되고, 이에 엔진(10)이 모터(도 4에서는 도면부호 21의 래디얼 모터임)와 분리된 상태로 이 모터(21)의 동력에 의해서만 차량이 주행하게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 구동 시스템에서는 이종의 모터, 즉 액시얼 모터(20)와 래디얼 모터(21)가 구성되고, 액시얼 모터(즉 제1 모터)(20)와 래디얼 모터(즉 제2 모터)(21)의 각 고정자 코일(22,23)이 상기 엔진(10)과 변속기(40) 사이의 축 주변에서 각각 반경방향의 외측과 내측으로 배치된다.
실시예에서, 액시얼 모터(20)의 고정자 코일(이하 '제1 코일'이라 칭함)(22)이 반경방향 외측에, 래디얼 모터(21)의 고정자 코일(이하 '제2 코일'이라 칭함)(23)이 제1 코일(22)에 대하여 그 내측에 배치될 수 있다.
상기 반경방향 외측에 배치되는 제1 코일(22)은 축방향으로 정해진 공극을 두고 근접 배치되는 회전자(24)와 함께 액시얼 모터(20)를 구성하며, 상기 반경방향 내측에 배치되는 제2 코일(23)은 제2 코일의 반경방향 내측으로 정해진 공극을 두고 근접 배치되는 회전자(25)와 함께 래디얼 모터(21)를 구성한다.
상기 액시얼 모터(20)의 회전자(24)와 래디얼 모터(21)의 회전자(25)는 각각 영구자석(24a,25a)을 가지며, 각 모터의 구동 시에 액시얼 모터(20)의 회전자(24) 및 그 영구자석(24a)은 액시얼 모터의 고정자 코일인 제1 코일(22)과 전자기적으로 상호 작용하게 되고, 래디얼 모터(21)의 회전자(25) 및 그 영구자석(25a)은 래디얼 모터의 고정자 코일인 제2 코일(23)과 전자기적으로 상호 작용하게 된다.
상기 제1 코일(22)과 제2 코일(23)은 미도시된 모터 하우징 내에 고정 설치되고, 이때 제1 코일(22)과 제2 코일(22)의 주변에는 냉각수와 같은 냉매가 통과되도록 하여 코일의 냉각이 이루어지도록 할 수 있다.
이때, 도 5에 나타낸 바와 같이, 외측에 배치되는 제1 코일(22)과 내측에 배치되는 제2 코일(23) 사이에 냉각수가 통과할 수 있는 냉각수 채널(27)을 구비하여, 냉각수 채널을 통과하는 냉각수에 의해 외측과 내측의 두 코일(22,23)이 동시에 냉각되도록 할 수 있다.
이와 같이 제1 코일(22)과 제2 코일(23) 사이에 양측을 동시에 냉각하기 위한 냉각수 채널(27)을 개재함으로써 모터마다 별도의 냉각수 채널을 구비하는 것에 비해 모터 점유 공간 및 모터 사이즈를 축소하는 것이 가능해진다.
그리고, 도 4의 실시예는 액시얼 모터(20)의 회전자(24)가 엔진(10)과 상시 동력 전달 가능하게 연결된 엔진 축(11)에 고정 설치되고, 래디얼 모터(21)의 회전자(25)가 변속기 축(41)에 고정 설치된 실시예이다.
이와 달리, 도 6에 나타낸 바와 같이 액시얼 모터(20)(즉 제1 모터)의 회전자(24)가 변속기 축(41)에, 래디얼 모터(21)(즉 제2 모터)의 회전자(25)가 엔진 축(11)에 고정 설치될 수도 있다.
또한 제1 코일(22)과 제2 코일(23)은 인버터(28)를 통해 배터리(29)에 충, 방전 가능하게 연결되는데, 인버터(28)는 모터 구동을 위해 배터리 직류 전류를 3상 교류 전류로 변환하여 제1 코일(22)과 제2 코일(23)에 인가한다.
회생 모드에서는 모터(변속기 축에 연결된 모터가 될 수 있음)의 발전 작동 시 회생 전력을 인버터(28)를 통해 배터리(29)가 전달받아 충전된다.
설치된본 발명에 따른 하이브리드 차량의 구동 시스템에서는 상기와 같이 서로 다른 두 종류의 모터, 즉 액시얼 모터(20)와 래디얼 모터(21), 그리고 하나의 클러치(30)를 이용하여 다양한 모드를 구현할 수 있다.
즉, 엔진의 시동 시에는 클러치(30)를 해제한 상태에서 엔진 축(11)에 설치된 모터, 예를 들면 도 4 및 5의 실시예에서는 액시얼 모터(20)를, 도 6의 실시예에서는 래디얼 모터(21)를 구동하여 엔진(10)을 시동시킬 수 있다.
이로써, 종래와 같이 엔진(10)에 벨트로 연결되어 있던 HSG(Hybrid Starter and Generator)의 기능을 상기와 같이 엔진 축(11)에 직결된 모터로 증대시킬 수 있게 된다.
또한 EV 모드에서는 클러치(30)를 해제한 상태에서 변속기 축(41)에 설치된 모터, 예를 들면 도 4 및 도 5의 실시예에서는 래디얼 모터(21)를, 도 6의 실시예에서는 액시얼 모터(20)를 구동하여 변속기(40)를 통해 차량 휠에 구동력이 전달되도록 하고, 이로써 차량이 주행될 수 있다.
또한 클러치(30)를 해제한 상태에서 엔진(10)의 동력으로 액시얼 모터(20)를 발전기로 작동시키고, 이때 액시얼 모터(20)의 발전 전력이 인버터(28)를 통해 배터리(29)에 전달되도록 함으로써 주행 중 배터리 충전을 할 수 있다.
또한 변속기 축(41)에 설치된 모터가 엔진 동력을 보조하는 HEV 모드가 구현될 수 있으며, 클러치를 접합한 상태에서 엔진(10)과 래디얼 모터(21)(도 4 및 도 5의 실시예인 경우)의 동력 또는 엔진(10)과 액시얼 모터(20)(도 6의 실시예인 경우)의 동력으로 차량이 주행할 수 있고, 이때 엔진 축(11)에 설치된 모터의 동력 또한 차량 주행을 위해 이용될 수 있다.
회생 모드에서는 클러치(30)를 해제한 상태에서 변속기 축(41)에 설치된 모터, 예를 들면 도 4 및 도 5의 실시예에서는 래디얼 모터(21)를, 도 6의 실시예에서는 액시얼 모터(20)를 발전기로 작동시켜 배터리(29)를 충전시킬 수 있다.
엔진 정지 상태에서 클러치(30)를 접합하여 엔진 축(11)에 설치된 모터, 즉 도 4 및 도 5의 실시예에서는 액시얼 모터(20), 도 6의 실시예에서는 래디얼 모터(21)를 구동하여 변속기 축(41)에 설치된 모터와 함께 두 종류의 모터를 모두 차량 주행을 위한 구동원으로 이용할 수도 있으며, 결국 두 종류의 모터 조합에 의해 구동모터의 고출력화가 가능해진다.
이와 같이 하나의 큰 고출력 모터가 필요 없게 되므로 모터 사이즈 축소 및 모터 점유 공간 축소가 가능해진다.
물론, 본 발명에 따른 구동 시스템에서는 기본적으로 두 모터(20,21)의 고정자 코일(22,23)이 반경방향의 외측과 내측에 각각 배치되어 두 모터의 고정자 위치가 겹쳐져 있게 되므로 모터 사이즈 및 점유 공간의 축소는 물론 협소한 엔진룸 내 패키지 측면에서도 유리해지는 이점이 있게 된다.
더욱이, 본 발명에 따른 구동 시스템에서는 엔진의 소음과 진동을 모터를 이용해 적절히 제어함으로써 효과적으로 줄일 수 있고, 차량 연비 향상 및 출력 증대에도 큰 효과를 볼 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 엔진 11 : 엔진 축
20 : 액시얼 모터 21 : 래디얼 모터
22 : 제1 코일 23 : 제2 코일
24 : 액시얼 모터의 회전자 24a : 영구자석
25 : 래디얼 모터의 회전자 25a : 영구자석
27 : 냉각수 채널 28 : 인버터
29 : 배터리 30 : 클러치
40 : 변속기 41 : 변속기 축

Claims (7)

  1. 차량 구동을 위한 엔진;
    차량 구동축으로 변속된 동력을 출력하는 변속기;
    상기 엔진과 변속기 사이에 양측을 동력 전달 가능하게 연결하거나 단절하도록 설치되는 클러치;
    상기 엔진과 변속기 사이를 동력 전달을 위해 연결하는 축의 둘레를 따라 배치되는 제1 코일을 고정자 코일로서 포함하고 상기 축에 회전자가 설치된 제1 모터; 및
    상기 제1 코일의 반경방향 내측에 위치하도록 배치되는 제2 코일을 고정자 코일로서 포함하고 상기 축에 회전자가 설치된 제2 모터를 포함하는 하이브리드 차량의 구동 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 축이 엔진과 상시 동력 전달 가능하게 연결된 엔진 축과, 변속기로 동력을 입력하는 변속기 축을 포함하고, 상기 엔진 축과 변속기 축 사이에 상기 클러치가 개재되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 모터의 회전자가 상기 엔진 축에 고정 설치되고, 상기 제2 모터의 회전자가 상기 변속기 축에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 모터의 회전자가 상기 변속기 축에 고정 설치되고, 상기 제2 모터의 회전자가 상기 엔진 축에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 모터는 회전자가 제1 코일로부터 축방향으로 배치되는 액시얼 모터인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 모터는 회전자가 제2 코일의 반경방향 내측에 위치되는 래디얼 모터인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 코일과 제2 코일의 사이에는 상기 양측의 코일을 동시에 냉각하기 위한 냉각수가 통과하는 냉각수 채널이 위치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114435100A (zh) * 2022-02-21 2022-05-06 浙江吉利控股集团有限公司 一种车辆动力系统以及车辆

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