KR20190140350A - 하이브리드 차량의 파워트레인 - Google Patents

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KR20190140350A
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Abstract

본 발명은, 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 직결된 엔진; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소와 제3회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 제1모터제너레이터; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제4회전요소에 직결된 제2모터제너레이터 및 출력기어; 및 상기 제1모터제너레이터를 고정할 수 있도록 구비된 브레이크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인이 소개된다.

Description

하이브리드 차량의 파워트레인{POWERTRAIN FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 엔진과 모터제너레이터를 사용하는 하이브리드 차량의 파워트레인 구조에 관한 것이다.
하이브리드 차량의 파워트레인은 내연기관인 엔진으로부터 발생되는 동력과 전기로 구동되는 모터에서 발생되는 동력을 함께 이용하여 차량을 구동할 수 있도록 구성된다.
상기와 같은 하이브리드 차량의 파워트레인은 기본적으로 엔진이 가지고 있는 토크 특성과 모터가 가지고 있는 토크 특성을 상호 보완적으로 활용하여 차량 운행의 효율성을 향상시킬 수 있도록 하는데, 가급적 차량의 전체 차속 영역에서 고르게 높은 효율을 확보할 수 있을수록 하는 것이 바람직하다.
상기의 배경기술로서 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 10-15002040000 B
본 발명은 상기한 바와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 보다 넓은 차속 영역에서 높은 파워트레인 효율을 확보할 수 있도록 함으로써, 차량의 연비를 더욱 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 직결된 엔진; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소와 제3회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 제1모터제너레이터; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제4회전요소에 직결된 제2모터제너레이터 및 출력기어; 및 상기 제1모터제너레이터를 고정할 수 있도록 구비된 브레이크;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 복합유성기어장치의 제3회전요소와 상기 제1모터제너레이터 사이에는 제1클러치가 구비되고; 상기 복합유성기어장치의 제2회전요소와 상기 제1모터제너레이터 사이에는 제2클러치가 구비될 수 있다.
상기 복합유성기어장치는, 각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고; 상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하고; 상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하며; 상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제3회전요소를 구성하고; 상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제4회전요소를 구성할 수 있다.
상기 복합유성기어장치는, 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와, 더블피니언 유성기어장치로 이루어진 제2유성기어장치로 구성되며; 상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하며; 상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하고; 상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제3회전요소를 구성하며; 상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제4회전요소를 구성할 수 있다.
상기 복합유성기어장치는, 각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고; 상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하고; 상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2유성기어장치의 제2선기어와 직결되어 상기 제2회전요소를 구성하며; 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어는 상기 제3회전요소를 구성하고; 상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제4회전요소를 구성할 수 있다.
상기 브레이크는 기어 치합에 의해 제1모터제너레이터를 고정할 수 있다.
상기 엔진과 상기 복합유성기어장치의 제1회전요소 사이에는 원웨이클러치가 구비될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 보다 넓은 차속 영역에서 높은 파워트레인 효율을 확보할 수 있도록 함으로써, 차량의 연비를 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 제1실시예를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 파워트레인의 작동모드표,
도 3 내지 도 8은 도 1의 파워트레인의 각 모드별 레버선도,
도 9는 본 발명에 따른 파워트레인이 출력분기모드 및 복합분기모드로 동작할 때 변속비에 따른 시스템효율을 도시한 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 제2실시예를 도시한 구성도,
도 11 내지 도 16은 도 10의 파워트레인의 각 모드별 레버선도,
도 17은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 제3실시예를 도시한 구성도,
도 18 내지 도 23은 도 17의 파워트레인의 각 모드별 레버선도.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1, 10, 17을 참조하면, 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인의 실시예들은 공통적으로, 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치(CG); 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제1회전요소(M1)에 직결된 엔진(ENG); 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제2회전요소(M2)와 제3회전요소(M3)에 각각 단속 가능하게 연결된 제1모터제너레이터(MG1); 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제4회전요소(M4)에 직결된 제2모터제너레이터(MG2) 및 출력기어(OG); 및 상기 제1모터제너레이터(MG1)를 고정할 수 있도록 구비된 브레이크(BR);를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 복합유성기어장치(CG)의 제3회전요소(M3)와 상기 제1모터제너레이터(MG1) 사이에는 제1클러치(CL1)가 구비되고, 상기 복합유성기어장치(CG)의 제2회전요소(M2)와 상기 제1모터제너레이터(MG1) 사이에는 제2클러치(CL2)가 구비된 구성이다.
도 1의 제1실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는, 각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치(PG1)와 제2유성기어장치(PG2)로 구성된 것으로, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1링기어(R1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2캐리어(C2)와 직결되어 상기 제1회전요소(M1)를 구성하고; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1선기어(S1)는 상기 제2회전요소(M2)를 구성하며; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1캐리어(C1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2링기어(R2)와 직결되어 상기 제3회전요소(M3)를 구성하고; 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)는 상기 제4회전요소(M4)를 구성한다.
도 10의 제2실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는, 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치(PG1)와, 더블피니언 유성기어장치로 이루어진 제2유성기어장치(PG2)로 구성된 것으로, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1링기어(R1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2링기어(R2)와 직결되어 상기 제1회전요소(M1)를 구성하며; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1선기어(S1)는 상기 제2회전요소(M2)를 구성하고; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1캐리어(C1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2캐리어(C2)와 직결되어 상기 제3회전요소(M3)를 구성하며; 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)는 상기 제4회전요소(M4)를 구성한다.
도 17의 제3실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는, 각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치(PG1)와 제2유성기어장치(PG2)로 구성된 것으로, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1캐리어(C1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2링기어(R2)와 직결되어 상기 제1회전요소(M1)를 구성하고; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1선기어(S1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)와 직결되어 상기 제2회전요소(M2)를 구성하며; 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2캐리어(C2)는 상기 제3회전요소(M3)를 구성하고; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1링기어(R1)는 상기 제4회전요소(M4)를 구성한다.
즉, 상기 제1 내지 제3실시예에서 상기 복합유성기어장치(CG)의 구체적인 구성에만 차이가 있고, 나머지 구성은 모두 동일하며, 따라서 각 실시예가 구현하는 작동모드도 도 2와 같이 공통된 작동모드표에 따라 구현되며, 도 9에 도시된 변속비에 따른 효율의 그래프는 제1 내지 제3실시예 모두에 공통된 것이다.
상기 브레이크(BR)는 기어 치합에 의해 제1모터제너레이터(MG1)를 고정할 수 있도록 구성된다.
즉, 브레이크(BR)는 도그클러치나 동기장치와 같이 슬리브가 클러치기어에 체결된 후에는 별도의 조작력을 인가하지 않아도 회전체의 구속상태를 지속적으로 유지할 수 있는 구성으로 이루어지도록 함으로써, 동력 소모를 최소화하여 궁극적으로 차량의 연비향상에 기여할 수 있도록 한 것이다.
상기 엔진(ENG)과 상기 복합유성기어장치(CG)의 제1회전요소(M1) 사이에는 원웨이클러치(OWC)가 구비된다.
즉, 제1모터제너레이터(MG1)의 역회전 동력이 입력되는 경우, 원웨이클러치(OWC)에 의해 엔진이 고정요소로 작동됨으로써, 제1모터제너레이터(MG1)의 동력을 출력기어(OG)에 전달할 수 있다.
상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)는 인버터 및 배터리장치(B)를 통해 연결된다.
도 3은 제1실시예가 EV MODE로 동작하는 상태를 설명한 레버선도로서, 제2모터제너레이터(MG2)가 구동력을 발생시켜 출력기어(OG)를 통해 동력이 인출되어 EV MODE를 구현한다.
도 4는 2 MOTOR MODE로서, 제2클러치(CL2)만 체결된 상태에서 제1모터제너레이터(MG1)도 제2모터제너레이터(MG2)와 함께 동력을 발생시켜 2개의 모터제너레이터에 의해 제공된 동력이 상기 제4회전요소(M4)로 감속되어 출력되는 상태로서 차량의 등판 시 등에 사용되는 모드이다.
도 5는 INPUT SPLIT MODE #1(제1입력분기모드)로서, 상기 제2클러치(CL2)만 체결되어 제1모터제너레이터(MG1)가 제2회전요소(M2)를 통해 입력되고, 엔진(ENG)이 제1회전요소(M1)를 통해 입력되며, 제2모터제너레이터(MG2)가 제4회전요소(M4)를 통해 출력기어(OG)에 입력되어 제1입력분기모드를 구성한다.
도 6은 INPUT SPLIT MODE #2(제2입력분기모드)로서, 상기 제1클러치(CL1)만 체결되어 제1모터제너레이터(MG1)가 제3회전요소(M3)를 통해 입력되고, 엔진(ENG)이 제1회전요소(M1)를 통해 입력되며, 제2모터제너레이터(MG2)가 제4회전요소(M4)를 통해 출력기어(OG)에 입력되어 제2입력분기모드를 구성한다.
도 7은 PARALLEL MODE #1(제1패러럴모드)로서, 상기 제2클러치(CL2)와 브레이크(BR)가 체결되어, 제1모터제너레이터(MG1)와 제2회전요소(M2)는 회전이 구속되고, 상기 엔진(ENG)의 동력과 제2모터제너레이터(MG2)의 동력이 함께 상기 제4회전요소(M4)를 통해 출력기어(OG)로 인출되는 상태이다.
도 8은 PARALLEL MODE #2(제2패러럴모드)로서, 상기 제1클러치(CL1)와 브레이크(BR)가 체결되어, 제1모터제너레이터(MG1)와 제3회전요소(M3)는 회전이 구속되고, 상기 엔진(ENG)의 동력과 제2모터제너레이터(MG2)의 동력이 함께 상기 제4회전요소(M4)를 통해 출력기어(OG)로 인출되는 상태이다.
도 9는 상기한 바와 같은 하이브리드 차량의 파워트레인이 제1입력분기모드와 제2입력분기모드를 구현함에 대한 변속비 변화에 따른 동력전달효율의 그래프를 도시한 것으로서, 차속이 상대적으로 저속인 고변속비 구간에서는 제1입력분기모드의 효율이 더 우수하고, 차속이 상대적으로 고속인 저변속비 구간에서는 제2입력분기모드의 효율이 더 우수함을 나타내고 있다.
따라서, 차량의 컨트롤러는 차속 또는 변속비의 변화에 따라 도 9의 MODE CHANGE점에서 작동모드를 변경함으로써, 차량이 보다 넓은 속도 범위에서 상대적으로 높은 효율로 작동하도록 함으로써, 차량의 연비 향상에 기여할 수 있게 되는 것이다.
참고로, 본 발명의 제2실시예와 제3실시예는 상기한 바와 같이 복합유성기어장치(CG)의 구체적 구성에만 차이가 있고, 나머지 구성 및 그 작동은 모두 상기 제1실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
ENG : 엔진
CG : 복합유성기어장치
PG1 : 제1유성기어장치
PG2 : 제2유성기어장치
MG1 : 제1모터제너레이터
MG2 : 제2모터제너레이터
M1 : 제1회전요소
M2 : 제2회전요소
M3 : 제3회전요소
M4 : 제4회전요소
OG : 출력기어
BR : 브레이크
CL1 : 제1클러치
CL2 : 제2클러치
S1 : 제1선기어
C1 : 제1캐리어
R1 : 제1링기어
S2 : 제2선기어
C2 : 제2캐리어
R2 : 제2링기어
OWC : 원웨이클러치
B : 배터리장치

Claims (7)

  1. 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 직결된 엔진;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소와 제3회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 제1모터제너레이터;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제4회전요소에 직결된 제2모터제너레이터 및 출력기어; 및
    상기 제1모터제너레이터를 고정할 수 있도록 구비된 브레이크;를 포함하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합유성기어장치의 제3회전요소와 상기 제1모터제너레이터 사이에는 제1클러치가 구비되고;
    상기 복합유성기어장치의 제2회전요소와 상기 제1모터제너레이터 사이에는 제2클러치가 구비된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합유성기어장치는,
    각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고;
    상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제3회전요소를 구성하고;
    상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제4회전요소를 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합유성기어장치는,
    싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와, 더블피니언 유성기어장치로 이루어진 제2유성기어장치로 구성되며;
    상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제3회전요소를 구성하며;
    상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제4회전요소를 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합유성기어장치는,
    각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고;
    상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2유성기어장치의 제2선기어와 직결되어 상기 제2회전요소를 구성하며;
    상기 제2유성기어장치의 제2캐리어는 상기 제3회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제4회전요소를 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 브레이크는 기어 치합에 의해 제1모터제너레이터를 고정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진과 상기 복합유성기어장치의 제1회전요소 사이에는 원웨이클러치가 구비된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
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