KR20190143639A - 하이브리드 차량의 파워트레인 - Google Patents

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KR20190143639A
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Abstract

본 발명은 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치와; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 단속 가능하게 연결된 엔진과; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 상기 제1회전요소에 직결된 제1모터제너레이터와; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소에 직결된 제2모터제너레이터와; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제3회전요소 및 제4회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 출력기어와; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제3회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제1브레이크와; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제2브레이크를 포함하여 구성된다.

Description

하이브리드 차량의 파워트레인{POWERTRAIN FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량의 파워트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진과 모터제너레이터를 사용하는 하이브리드 차량의 파워트레인 구조에 관한 기술이다.
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.
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 1015002040000 B
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 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.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인은,
4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치와;
상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 단속 가능하게 연결된 엔진과;
상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 상기 제1회전요소에 직결된 제1모터제너레이터와;
상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소에 직결된 제2모터제너레이터와;
상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제3회전요소 및 제4회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 출력기어와;
상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제3회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제1브레이크와;
상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제2브레이크;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 복합유성기어장치의 제3회전요소와 상기 출력기어 사이에는 제1클러치가 구비되고;
상기 복합유성기어장치의 제4회전요소와 상기 출력기어 사이에는 제2클러치가 구비되며;
상기 복합유성기어장치의 제1회전요소와 상기 엔진 사이에는 제3클러치가 구비될 수 있다.
상기 복합유성기어장치는
각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고,
상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하며;
상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하고;
상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제3회전요소를 구성하며;
상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제4회전요소를 구성할 수 있다.
상기 복합유성기어장치는
싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와, 더블피니언 유성기어장치로 이루어진 제2유성기어장치로 구성되고,
상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하며;
상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하고;
상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 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 제1회전요소를 구성하며;
상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2유성기어장치의 제2선기어와 직결되어 상기 제2회전요소를 구성하고;
상기 제2유성기어장치의 제2링기어는 상기 제3회전요소를 구성하며;
상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제4회전요소를 구성할 수 있다.
상기 제1브레이크는 기어 치합에 의해 상기 복합유성기어장치의 제3회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구성되고;
상기 제2브레이크는 기어 치합에 의해 상기 복합유성기어장치의 제2회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명은 보다 넓은 차속 영역에서 높은 파워트레인 효율을 확보할 수 있도록 함으로써, 차량의 연비를 더욱 향상시킬 수 있도록 한다. 또한, 모터제너레이터의 용량 축소가 가능하도록 한다.
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 레버선도이다.
도 1, 10, 17을 참조하면, 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인의 실시예들은 공통적으로, 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치(CG)와; 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제1회전요소(M1)에 단속 가능하게 연결된 엔진(ENG)과; 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 상기 제1회전요소(M1)에 직결된 제1모터제너레이터(MG1)와; 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제2회전요소(M2)에 직결된 제2모터제너레이터(MG2)와; 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제3회전요소(M3) 및 제4회전요소(M4)에 각각 단속 가능하게 연결된 출력기어(OUT)와; 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제3회전요소(M3)의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제1브레이크(BR1)와; 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제2회전요소(M2)의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제2브레이크(BR2)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 복합유성기어장치(CG)의 제3회전요소(M3)와 상기 출력기어(OUT) 사이에는 제1클러치(CL1)가 구비되고, 상기 복합유성기어장치(CG)의 제4회전요소(M4)와 상기 출력기어(OUT) 사이에는 제2클러치(CL2)가 구비되며, 상기 복합유성기어장치(CG)의 제1회전요소(M1)와 상기 엔진(ENG) 사이에는 제3클러치(CL3)가 구비된 구성이다.
도 1의 제1실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는 각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치(PG1)와 제2유성기어장치(PG2)로 구성되고, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1캐리어(C1)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 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)는 상기 제3회전요소(M3)를 구성하며; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1링기어(R1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2캐리어(C2)와 직결되어 상기 제4회전요소(M4)를 구성한다.
도 10의 제2실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치(PG1)와, 더블피니언 유성기어장치로 이루어진 제2유성기어장치(PG2)로 구성되고, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1캐리어(C1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2캐리어(C2)와 직결되어 상기 제1회전요소(M1)를 구성하며; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1선기어(S1)는 상기 제2회전요소(M2)를 구성하고; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1링기어(R1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2링기어(R2)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 구성되고, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1캐리어(C1)는 상기 제1회전요소(M1)를 구성하며; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1선기어(S1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)와 직결되어 상기 제2회전요소(M2)를 구성하고; 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2링기어(R2)는 상기 제3회전요소(M3)를 구성하며; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1링기어(R1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2캐리어(C2)와 직결되어 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 제1브레이크(BR1)는 기어 치합에 의해 상기 복합유성기어장치(CG)의 제3회전요소(M3)의 회전을 구속할 수 있도록 구성되고; 상기 제2브레이크(BR2)는 기어 치합에 의해 상기 복합유성기어장치(CG)의 제2회전요소(M2)의 회전을 구속할 수 있도록 구성된다.
즉, 상기 제1브레이크(BR1)와 제2브레이크(BR2)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 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)는 인버터 및 배터리장치(B)를 통해 연결된다.
도 3은 제1실시예가 EV MODE로 동작하는 상태를 설명한 레버선도로서, 제1브레이크(BR1)가 상기 복합유성기어장치(CG)의 제3회전요소(M3)를 고정한 상태에서, 상기 제2클러치(CL2)가 체결되어 있어서 상기 제2모터제너레이터(MG2)가 구동력을 발생시키면 제4회전요소(M4)로 감속되어 출력기어(OUT)를 통해 동력이 인출되어 EV MODE를 구현한다.
도 4는 2 MOTOR MODE로서, 도 3과 동일한 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 사용될 수 있고, 또한 두 개의 모터제너레이터에서 공급되는 동력으로 차량이 구동될 수 있도록 할 수 있으므로 사용되는 모터제너레이터를 상대적으로 적은 용량으로 구성할 수도 있도록 한다.
도 5는 OUTPUT SPLIT MODE(출력분기모드) 1로서, 제2클러치(CL2)와 제3클러치(CL3)가 결합되어 제1모터제너레이터(MG1)가 엔진(ENG)과 직결되고, 출력기어(OUT)는 상기 복합유성기어장치(CG)를 통해 상기 엔진(ENG)과, 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)에 연결된 구성으로서 출력분기모드 1을 구성한다.
도 6은 OUTPUT SPLIT MODE(출력분기모드) 2로서, 제1클러치(CL1)와 제3클러치(CL3)가 결합되어 제1모터제너레이터(MG1)가 엔진(ENG)과 직결되고, 출력기어(OUT)는 상기 복합유성기어장치(CG)를 통해 상기 엔진(ENG)과, 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)에 연결된 구성으로서 출력분기모드 2를 구성한다.
도 7은 PARALLEL MODE로서, 상기 제1클러치(CL1)와 제3클러치(CL3) 및 제2브레이크(BR2)가 체결되어, 상기 제2모터제너레이터(MG2)와 제2회전요소(M2)는 회전이 구속되고, 상기 엔진(ENG)의 동력과 제1모터제너레이터(MG1)의 동력이 함께 상기 제3회전요소(M3)를 통해 출력기어(OUT)로 인출되는 상태이다.
도 8은 후진 모드로서, 상기 제2클러치(CL2)와 제1브레이크(BR1)가 체결되어 상기 제3회전요소(M3)가 고정된 상태에서, 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2) 중 적어도 하나 이상을 역방향으로 구동하여 상기 제4회전요소(M4) 및 출력기어(OUT)로 후진 출력을 인출하는 상태이다.
도 9는 상기한 바와 같은 하이브리드 차량의 파워트레인이 두 개의 출력분기모드를 구현함에 대한 변속비 변화에 따른 동력전달효율의 그래프를 도시한 것으로서, 차속이 상대적으로 저속인 고변속비 구간에서는 출력분기모드 1의 효율이 더 우수하고, 차속이 상대적으로 고속인 저변속비 구간에서는 출력분기모드 2의 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.
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.
CG; 복합유성기어장치
PG1; 제1유성기어장치
PG2; 제2유성기어장치
MG1; 제1모터제너레이터
MG2; 제2모터제너레이터
BR1; 제1브레이크
BR2; 제2브레이크
CL1; 제1클러치
CL2; 제2클러치
CL3; 제3클러치
M1; 제1회전요소
M2; 제2회전요소
M3; 제3회전요소
M4; 제4회전요소
OUT; 출력기어
ENG; 엔진

Claims (6)

  1. 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치와;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 단속 가능하게 연결된 엔진과;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 상기 제1회전요소에 직결된 제1모터제너레이터와;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소에 직결된 제2모터제너레이터와;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제3회전요소 및 제4회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 출력기어와;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제3회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제1브레이크와;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제2브레이크;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합유성기어장치의 제3회전요소와 상기 출력기어 사이에는 제1클러치가 구비되고;
    상기 복합유성기어장치의 제4회전요소와 상기 출력기어 사이에는 제2클러치가 구비되며;
    상기 복합유성기어장치의 제1회전요소와 상기 엔진 사이에는 제3클러치가 구비된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 복합유성기어장치는
    각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고,
    상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하고;
    상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제3회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제4회전요소를 구성하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 복합유성기어장치는
    싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와, 더블피니언 유성기어장치로 이루어진 제2유성기어장치로 구성되고,
    상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제1회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제3회전요소를 구성하며;
    상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제4회전요소를 구성하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 복합유성기어장치는
    각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고,
    상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제1회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2유성기어장치의 제2선기어와 직결되어 상기 제2회전요소를 구성하고;
    상기 제2유성기어장치의 제2링기어는 상기 제3회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제4회전요소를 구성하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1브레이크는 기어 치합에 의해 상기 복합유성기어장치의 제3회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구성되고;
    상기 제2브레이크는 기어 치합에 의해 상기 복합유성기어장치의 제2회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
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