KR20220116705A - 하이브리드 차량의 파워트레인 - Google Patents

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임진승
유홍식
김종민
윤성은
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 변속된 동력을 출력하는 변속기의 출력축; 상기 변속기의 출력축에 평행하게 배치되는 제1회전축; 상기 제1회전축과 동심축을 이루어 배치되는 제2회전축; 상기 제1회전축 및 제2회전축과 평행하게 배치되는 제3회전축; 상기 제1회전축에 연결되는 엔진 및 제1모터; 상기 제2회전축을 이루는 상기 변속기의 입력축; 상기 제1회전축과 제2회전축 사이를 단속할 수 있도록 구비된 엔진클러치; 상기 제3회전축에 연결되는 제2모터; 상기 제2회전축과 제3회전축을 연결하는 감속기어세트를 포함하여 구성된다.

Description

하이브리드 차량의 파워트레인{POWER TRAIN FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량의 파워트레인 구조에 관한 기술이다.
종래의 변속기에 모터를 추가하는 형식의 하이브리드 파워트레인은 전장이 증대되는 경향으로 차량 탑재성이 저하되는 문제가 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 1020130044873 A
본 발명은 종래의 일반적인 변속기를 사용하여 하이브리드 파워트레인을 구성하면서도, 가급적 전장의 증가를 최소화하여 차량 탑재성을 우수하게 확보할 수 있도록 하면서도, 우수한 연비를 달성할 수 있도록 하는 하이브리드 차량의 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인은,
엔진과 직결된 제1모터;
상기 엔진에 엔진클러치를 통해 입력축이 연결된 변속기;
상기 변속기 입력축에 감속된 동력을 제공할 수 있도록 설치된 제2모터;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 변속기 출력축의 동력을 상기 변속기를 통하지 않고 상기 제2모터로 전달하는 상태를 형성할 수 있도록 설치된 직결클러치;
를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 변속기 입력축을 상기 변속기의 출력축에 직결시키거나 차단할 수 있도록 설치된 직결클러치;
를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제2모터는 다수의 외접기어로 구성된 감속기어세트를 통해 상기 변속기 입력축에 감속된 동력을 제공할 수 있도록 설치될 수 있다.
상기 엔진과 변속기 입력축 및 제1모터의 회전축은 동심축을 이루어 배치되고;
상기 제2모터의 회전축은 상기 변속기 입력축과 평행하게 이격되어 배치되며;
상기 제2모터의 회전축은 감속기어세트를 통해 상기 변속기 입력축에 연결될 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인은,
엔진과 제1모터가 직결되고;
변속기 입력축은 엔진클러치에 의해 상기 엔진에 선택적으로 연결되며;
상기 엔진 및 변속기 입력축에 평행한 회전축을 가지며, 감속기어세트를 통해 상기 변속기 입력축에 직결되도록 제2모터가 설치되고;
상기 변속기 입력축은 상기 엔진 및 제1모터와 동축상에 배치된 것
을 특징으로 한다.
상기 제2모터는 직결클러치에 의해 상기 변속기의 출력축에 직결될 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인은,
변속된 동력을 출력하는 변속기의 출력축;
상기 변속기의 출력축에 평행하게 배치되는 제1회전축;
상기 제1회전축과 동심축을 이루어 배치되는 제2회전축;
상기 제1회전축 및 제2회전축과 평행하게 배치되는 제3회전축;
상기 제1회전축에 연결되는 엔진 및 제1모터;
상기 제2회전축을 이루는 상기 변속기의 입력축;
상기 제1회전축과 제2회전축 사이를 단속할 수 있도록 구비된 엔진클러치;
상기 제3회전축에 연결되는 제2모터;
상기 제2회전축과 제3회전축을 연결하는 감속기어세트;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제2회전축을 상기 변속기의 출력축에 연결할 수 있도록 설치된 직결클러치;
를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명은 종래의 일반적인 변속기를 사용하여 하이브리드 파워트레인을 구성하면서도, 가급적 전장의 증가를 최소화하여 차량 탑재성을 우수하게 확보할 수 있도록 하면서도, 우수한 연비를 달성할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 개념도,
도 2는 도 1의 개념도에 따른 본 발명 하이브리드 파워트레인의 제1실시예를 도시한 도면,
도 3은 도 2의 파워트레인의 작동요소표,
도 4는 도 1의 파워트레인의 패러렐모드를 설명한 도면,
도 5는 도 1의 파워트레인의 EV모드를 설명한 도면,
도 6과 도 7은 각각 도 1의 파워트레인의 회생제동모드를 설명한 도면,
도 8는 도 1의 개념도의 변형도;
도 9는 도 8의 개념도에 따른 본 발명 하이브리드 파워트레인의 제2실시예를 도시한 도면,
도 10은 도 9의 파워트레인의 작동요소표,
도 11은 도 8의 개념도에 따른 본 발명 하이브리드 파워트레인의 제3실시예를 도시한 도면,
도 12는 도 11의 파워트레인의 작동요소표이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인의 실시예들은 공통적으로, 엔진(ENG)과 직결된 제1모터(P1); 상기 엔진(ENG)에 엔진클러치(EC)를 통해 입력축(IN)이 연결된 변속기(TM); 상기 변속기 입력축(IN)에 감속된 동력을 제공할 수 있도록 설치된 제2모터(P2)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 제2모터(P2)는 다수의 외접기어로 구성된 감속기어세트(RD)를 통해 상기 변속기 입력축(IN)에 감속된 동력을 제공할 수 있도록 설치된다.
보다 구체적으로 상기 엔진(ENG)과 변속기 입력축(IN) 및 제1모터(P1)의 회전축은 동심축을 이루어 배치되고; 상기 제2모터(P2)의 회전축은 상기 변속기 입력축(IN)과 평행하게 이격되어 배치되며; 상기 제2모터(P2)의 회전축은 감속기어세트(RD)를 통해 상기 변속기 입력축(IN)에 연결된 구성이다.
즉, 본 발명은 상기 엔진(ENG)과 변속기(TM) 사이에 상기 제1모터(P1)와 엔진클러치(EC)가 배치되지만, 상기 제2모터(P2)는 상기 엔진(ENG)과 변속기(TM) 사이에 직접적으로 배치되지 않고, 상기 엔진(ENG) 및 변속기 입력축(IN)에 평행하게 이격된 위치에서 상기 감속기어세트(RD)를 통해 상기 변속기 입력축(IN)으로 동력을 제공할 수 있도록 설치되어, 상기 엔진(ENG)으로부터 변속기(TM)까지의 전체 길이인 파워트레인의 전장을 비교적 짧게 구성할 수 있어서, 차량 탑재성이 상대적으로 우수하게 확보될 수 있는 것이다.
또한, 상기 제2모터(P2)는 상기 감속기어세트(RD)를 통해 상기 변속기 입력축(IN)으로 동력을 제공할 수 있도록 설치됨에 의해, 용량을 축소할 수 있어서, 궁극적으로 파워트레인의 단가 및 중량을 저감시킬 수 있도록 하여, 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
도 1의 파워트레인은, 상기 변속기 출력축(OUT)의 동력을 상기 변속기(TM)를 통하지 않고 상기 제2모터(P2)로 전달하는 상태를 형성할 수 있도록 설치되는 직결클러치(C0)를 더 포함하여 구성된다.
즉, 상기 변속기 입력축(IN)을 상기 변속기(TM)의 출력축에 직결시키거나 차단할 수 있도록 상기 직결클러치(C0)를 추가로 배치할 수 있는 것이다.
참고로, 도 8의 개념도와, 도 9 및 도 11의 제2실시예 및 제3실시예는 상기 직결클러치(C0)를 구비하지 않은 점이 상기 도 1과 도 2의 파워트레인과 상이하다.
도 4는 상기한 바와 같은 도 1의 개념도에 따른 파워트레인이 패러렐모드를 구현하는 상태를 설명한 것으로서, 엔진(ENG)의 동력 및 제1모터(P1)의 동력은 상기 엔진클러치(EC)를 통해 변속기(TM)로 전달되고, 상기 제2모터(P2)의 동력은 상기 감속기어세트(RD)를 통해 상기 변속기(TM)로 전달되어, 종감속기어를 통해 구동륜으로 전달되는 상태이다.
물론, 상기 제1모터(P1)나 제2모터(P2)는 상기 엔진(ENG)의 동력을 보조하여 상기한 바와 같은 패러렐모드를 구현할 수도 있고, 적극적으로 구동하지 않으면서, 엔진(ENG)만에 의해 상기 구동륜을 회전시키도록 하여 엔진모드를 구현할 수도 있다.
상기 엔진모드의 경우, 상기 제1모터(P1)나 제2모터(P2)는 전기를 발전하도록 제어될 수도 있을 것이다.
도 5는 상기한 바와 같은 도 1의 개념도에 따른 파워트레인이 EV모드를 구현하는 상태를 설명한 것으로서, 상기 엔진클러치(EC)를 해제한 상태에서 상기 엔진(ENG)과 제1모터(P1)는 정지시키고, 상기 제2모터(P2)의 동력만 상기 변속기(TM)로 공급하여, 상기 구동륜을 구동하도록 하는 것이다.
도 6은 상기 직결클러치(C0)를 사용하여 회생제동을 수행하는 상태를 설명한 것으로서, 상기 구동륜으로부터 변속기 출력축(OUT)으로 입력되는 동력은 상기 직결클러치(C0)와 감속기어세트(RD)를 통해 바로 상기 제2모터(P2)로 전달되어, 상기 제2모터(P2)가 제동에 의한 발전을 수행하도록 하는 것이며, 이때 상기 변속기(TM) 내부적으로는 동력이 차단되어, 불필요한 동력 소모가 배제됨으로써, 회생제동의 효율이 향상될 수 있는 것이다.
도 7은 상기 직결클러치(C0)를 해제한 상태로 회생제동이 이루어지는 것을 설명한 것으로서, 상기 구동륜으로부터 상기 변속기(TM)를 통해 전달된 동력이 상기 제2모터(P2)로 전달되어 회생제동이 이루어진다.
즉, 상기 직결클러치(C0)의 체결 여부에 따라 도 6과 같은 상태의 회생제동이 구현될 수도 있고, 도 7과 같은 상태의 회생제동이 구현될 수도 있는 것이며, 도 7과 같은 회생제동의 경우, 상기 변속기(TM) 내에 형성되는 변속단을 조절함에 의해, 상기 제2모터(P2)로 전달되는 동력의 속도나 토크를 변화시킬 수 있어서, 상기 제2모터(P2)의 회생제동을 보다 효율적으로 구현하도록 할 수 있다.
물론, 상기 도 6의 상태로 회생제동을 구현하는 동안, 상기 변속기(TM)는 내부적으로 입력축(IN)과 출력축(OUT) 사이의 동력이 차단되는 중립상태를 유지하는 것이 바람직할 것이다.
도 2는 상기 도 1의 개념도에 따른 보다 구체적인 하이브리드 파워트레인의 구성도로서, 상기 변속기(TM)로 제1유성기어장치(PG1), 제2유성기어장치(PG2), 제1클러치(C1), 제2클러치(C2), 제1브레이크(B1), 및 제2브레이크(B2)를 구비하고 있는 4단 변속기를 사용하고 있으며, 도 3와 같은 작동요소표에 따라 엔진(패러렐)모드, EV모드, 제1회생제동모드, 제2회생제동모드를 구현할 수 있다.
도 8은 상기 직결클러치(C0)를 구비하지 않은 개념도이며, 그 구체적인 구현예로서, 도 9의 제2실시예는, 제1유성기어장치(PG1), 제2유성기어장치(PG2), 제3유성기어장치(PG3), 제1클러치(C1), 제2클러치(C2), 제1브레이크(B1), 제2브레이크(B2), 및 제3브레이크(B3)를 구비하고 있는 6단 변속기(TM)를 사용하고 있으며, 도 10과 같은 작동요소표에 따라 엔진(패러렐)모드, EV모드 및 회생제동모드를 구현할 수 있다.
도 11은 상기 도 8의 개념도에 따른 보다 구체적인 하이브리드 파워트레인의 구성도로서, 상기 변속기(TM)로 제1유성기어장치(PG1), 제2유성기어장치(PG2), 제1클러치(C1), 제2클러치(C2), 제1브레이크(B1), 및 제2브레이크(B2)를 구비하고 있는 4단 변속기(TM)를 사용하고 있으며, 도 12와 같은 작동요소표에 따라 엔진(패러렐)모드, EV모드 및 회생제동모드를 구현할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같은 본 발명은 다음과 같이 표현할 수도 있을 것이다.
즉, 본 발명 하이브리드 파워트레인은, 변속된 동력을 출력하는 변속기(TM)의 출력축(OUT); 상기 변속기(TM)의 출력축(OUT)에 평행하게 배치되는 제1회전축(S1); 상기 제1회전축(S1)과 동심축을 이루어 배치되는 제2회전축(S2); 상기 제1회전축(S1) 및 제2회전축(S2)과 평행하게 배치되는 제3회전축(S3); 상기 제1회전축(S1)에 연결되는 엔진(ENG) 및 제1모터(P1); 상기 제2회전축(S2)을 이루는 상기 변속기(TM)의 입력축; 상기 제1회전축(S1)과 제2회전축(S2) 사이를 단속할 수 있도록 구비된 엔진클러치(EC); 상기 제3회전축(S3)에 연결되는 제2모터(P2); 상기 제2회전축(S2)과 제3회전축(S3)을 연결하는 감속기어세트(RD)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 제2회전축(S2)을 상기 변속기(TM)의 출력축(OUT)에 연결할 수 있도록 설치된 직결클러치(C0)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1회전축(S1)은 상기 엔진(ENG)의 출력축 및 제1모터(P1)의 회전축을 의미할 수 있으며, 상기 제2회전축(S2)은 상술한 바와 같이 상기 엔진클러치(EC)를 통해 상기 제1회전축(S1)에 연결되는 상기 변속기(TM)의 입력축(IN)을 의미할 수 있으며, 상기 제3회전축(S3)은 상기 제2모터(P2)의 회전축을 의미할 수 있다.
참고로, 본 발명 실시예들에서, 상기 감속기어세트(RD)는 상기 제2모터(P2)의 회전축에 설치된 제1기어(G1), 상기 제1기어(G1)에 치합된 아이들러기어(IG), 상기 아이들러기어(IG)에 치합되고 상기 변속기 입력축(IN)에 설치된 제2기어(G2)로 이루어진 구성이며, 이외의 다른 구성의 감속기어열로 구성하는 것도 물론 가능하다.
또한, 본 발명에서 상기 변속기는 종래의 AT(Automatic Transmission), CVT(Continuously Variable Transmission), DCT(Dual Clutch Transmission), AMT(Automatic Manual Transmission) 등이 사용될 수 있을 것이다.
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.
ENG; 엔진
P1; 제1모터
P2; 제2모터
EC; 엔진클러치
TM; 변속기
IN; 입력축
OUT; 출력축
RD; 감속기어세트
C0; 직결클러치
PG1; 제1유성기어장치
PG2; 제2유성기어장치
PG3; 제3유성기어장치
C1; 제1클러치
C2; 제2클러치
B1; 제1브레이크
B2; 제2브레이크
B3; 제3브레이크
S1; 제1회전축
S2; 제2회전축
S3; 제3회전축
G1; 제1기어
G2; 제2기어
IG; 아이들러기어

Claims (9)

  1. 엔진과 직결된 제1모터;
    상기 엔진에 엔진클러치를 통해 입력축이 연결된 변속기;
    상기 변속기 입력축에 감속된 동력을 제공할 수 있도록 설치된 제2모터;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 변속기 출력축의 동력을 상기 변속기를 통하지 않고 상기 제2모터로 전달하는 상태를 형성할 수 있도록 설치된 직결클러치;
    를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 변속기 입력축을 상기 변속기의 출력축에 직결시키거나 차단할 수 있도록 설치된 직결클러치;
    를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2모터는 다수의 외접기어로 구성된 감속기어세트를 통해 상기 변속기 입력축에 감속된 동력을 제공할 수 있도록 설치된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진과 변속기 입력축 및 제1모터의 회전축은 동심축을 이루어 배치되고;
    상기 제2모터의 회전축은 상기 변속기 입력축과 평행하게 이격되어 배치되며;
    상기 제2모터의 회전축은 감속기어세트를 통해 상기 변속기 입력축에 연결된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  6. 엔진과 제1모터가 직결되고;
    변속기 입력축은 엔진클러치에 의해 상기 엔진에 선택적으로 연결되며;
    상기 엔진 및 변속기 입력축에 평행한 회전축을 가지며, 감속기어세트를 통해 상기 변속기 입력축에 직결되도록 제2모터가 설치되고;
    상기 변속기 입력축은 상기 엔진 및 제1모터와 동축상에 배치된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2모터는 직결클러치에 의해 상기 변속기의 출력축에 직결될 수 있도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  8. 변속된 동력을 출력하는 변속기의 출력축;
    상기 변속기의 출력축에 평행하게 배치되는 제1회전축;
    상기 제1회전축과 동심축을 이루어 배치되는 제2회전축;
    상기 제1회전축 및 제2회전축과 평행하게 배치되는 제3회전축;
    상기 제1회전축에 연결되는 엔진 및 제1모터;
    상기 제2회전축을 이루는 상기 변속기의 입력축;
    상기 제1회전축과 제2회전축 사이를 단속할 수 있도록 구비된 엔진클러치;
    상기 제3회전축에 연결되는 제2모터;
    상기 제2회전축과 제3회전축을 연결하는 감속기어세트;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2회전축을 상기 변속기의 출력축에 연결할 수 있도록 설치된 직결클러치;
    를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.

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