KR20230173490A - 원웨이클러치 및 클러치를 매개하여 에너지 소비 효율성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 및 그 제어방법 - Google Patents

원웨이클러치 및 클러치를 매개하여 에너지 소비 효율성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 엔진(10); 엔진(10)과 동축을 이루며 엔진(10)의 일측에 배치되는 제2구동모터(40); 제2구동모터(40)와 동축을 이루며 제2구동모터(40)의 일측에 배치되는 제1구동모터(20); 제1구동모터(20)와 출력축과 연결되는 변속기(60); 엔진(10)의 출력축과 제2구동모터(40)의 입력축 사이에 구비되는 원웨이클러치(30); 제2구동모터(40)의 출력축과 제1구동모터(20)의 입력축 사이에 구비되는 클러치(50);를 포함하는 원웨이클러치 및 클러치를 매개하여 에너지 소비 효율성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 및 이를 이용한 제어방법을 제공한다.

Description

원웨이클러치 및 클러치를 매개하여 에너지 소비 효율성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 및 그 제어방법{Power train for hybrid vehicle and plug-in hybrid vehicle capable of improving efficiency of energy consumption with a one-way clutch and a clutch, and control method thereof}
본 발명은 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 보다 낮은 제작비로서 어느 하나의 구동모터가 엔진에 의해 배터리를 충전시키고 다른 하나의 구동모터가 자동차를 출발시키는 것이 가능함은 물론, 어느 하나의 구동모터에 의해 자동차가 주행 중에 다른 하나의 구동모터가 엔진에 의해 배터리에서 소모되는 전력을 충전시키는 것이 가능하며, 나아가 엔진의 작동이 정지된 상태에서 구동모터에 의해 자동차가 주행하는 경우에 엔진의 출력축 피동 저항에 따라 에너지가 소비되는 현상을 원천적으로 방지할 수 있는 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 및 그 제어방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차(hybrid vehicle)는 내연기관인 엔진과 구동모터라는 서로 다른 2개의 구동원을 조합하여 주행하는 자동차로서, 기존의 내연기관 자동차에 비해 그 출력이 상대적으로 떨어지는 단점이 있으나, 내연기관 자동차에 비해 연비가 2배가량 우수할 뿐 아니라 내연기관 자동차의 단점으로 지적되는 일산화탄소, 질소산화물 등 오염물질을 10~15% 정도로 줄이는 것이 가능한 장점이 있다.
이러한 하이브리드 자동차는 일반적으로 구동모터의 배치와 구동 방식, 그리고 동력전달 설계에 따라 직렬형 하이브리드 자동차(이하 직렬형), 병렬형 하이브리드 자동차(이하 병렬형), 직병렬 하이브리드 자동차(이하 직병렬)로 구분된다. 이 중에서, 직렬형은 적어도 하나 이상의 구동모터가 전적으로 자동차의 주행을 담당하며 엔진은 발전기 역할을 수행한다. 그런데, 이러한 직렬형, 엔진에서 생성되는 동력을 그대로 이용하지 않고, 전기로 변환하는 과정을 거치기 때문에 에너지 소비 효율이 떨어지는 단점이 있다.
이를 위해, 도 3과 같이, 클러치(50)를 매개하여 엔진(10)과 2개의 제1, 2구동모터(20, 40)가 연결되도록 하여 엔진(10)에서 생성되는 동력이 직접 차동기어(70)로 전달되도록 구성한 자동차가 제안되었다. 하지만, 이러한 구성은 엔진(10)과 제2구동모터(40) 사이가 단절되지 않은 관계로, 엔진(10)이 작동하지 않을 때는 제1구동모터(20)만으로 자동차를 주행시켜야 하기 때문에 상대적으로 큰 용량을 가지는 구동모터를 사용할 필요가 있다.
그런데, 큰 용량의 구동모터를 적용하게 되면 제작비가 증대하는 것은 별론으로 치더라도, 고속 정속 주행과 같이 제1, 2구동모터(20, 40)의 작동이 정지한 상태에서 엔진(10) 단독 작동으로 인해 자동차 주행시 구동모터의 회전축이 피동 회전함에 따라 에너지 소비 효율이 나빠지는 단점이 있다. 게다가, 구동모터가 주로 작동하는 저속에서 용량이 큰 구동모터를 작동시켜 자동차를 주행시키는 것 역시 에너지 소비 효율을 더욱 나빠지게 만드는 요인으로 작용할 수 있다.
병렬형은 도 4와 같이, 엔진(10)과 구동모터(20)가 클러치(50)에 의해 연결되는 방식으로 엔진(10) 및 구동모터(20) 각각이 자동차의 주행에 관여하는 방식으로, 주로 엔진이 자동차의 주행을 담당하고 구동모터는 엔진의 주행을 보조한다. 즉, 자동차의 일반적인 저속 주행은 구동모터에 의해 이루어지고, 가속이나 고속 등과 같이 부가적인 동력이 필요한 경우에 엔진이 작동하며 주행에 관여한다. 도면부호 60은 변속기이다.
그런데, 배터리가 탑재되는 하이브리드 자동차의 특성상, 자동차의 주행 중에 배터리에 전력 잔량이 기준 이하가 되거나, 또는 배터리의 전력 잔량이 남아 있더라도 자동차의 주행 속도에 따라 엔진이 자주 자동차의 주행에 관여하게 되는데, 이럴 경우 에너지의 소비 효율이 나빠짐은 물론 엔진에 부담으로 작용하여 주행 성능이 갑자기 저하되는 문제가 있다.
배터리의 잔량이 부족하면, 주행 중에 엔진을 작동시켜 구동모터를 발전기로 사용하며 배터리를 충전시켜야 하는데, 도 4와 같은 구성으로 이루어질 때 주행 성능이 많이 떨어진다. 게다가, 이러한 구성은, 연비 개선을 위해 엔진이 수시로 작동과 해제를 반복해야 하는 단점이 있으며, 도면과 같이, 고전압 스타터 제네레이터(2) 및 이를 제어하기 위한 별도의 고전압 회로 유닛도 필요하다는 점에서 제작비가 상승하는 문제가 있다.
직병렬형은 직렬형과 병렬형을 혼합한 방식으로, 직렬형과 같이 구동모터의 동력만으로 자동차를 주행시킬 수 있음은 물론 병렬형과 같이 엔진에서 생성되는 동력으로 자동차를 주행시킬 수 있는 특징이 있다. 즉, 도 5와 같이, 엔진(10)과 제2구동모터(40) 사이에 제2클러치(51)를 매개하여, 엔진(10)이나 제1, 2구동모터(20, 40) 중의 어느 하나를 이용하거나, 또는 이들 모두를 동시에 이용하여 자동차를 주행시키는 것이 가능하다.
이러한 직병렬은 도 4의 구성과 달리, 제2구동모터(40)에 의해 자동차 주행 중에 배터리의 잔량이 부족하면 엔진(10)을 작동시켜 제2구동모터(40)를 발전기로 사용하며 배터리를 충전시키는 것이 가능하다는 점에서, 도 3이 가지는 장점을 충분히 활용할 수 있는 이점이 있으나, 엔진(10)과 제2구동모터(40), 그리고 제1, 2구동모터(20, 40) 사이에 제1클러치(50)를 개별적으로 마련해야 한다는 점에서 제작비가 상승하는 단점이 있다.
한편, 이러한 하이브리드 자동차의 동력전달체계를 개선하기 위해 제안된 기술 중에 대한민국 등록특허 제1791124호가 있다. 이 기술은, 도 6에 개시된 것과 같이, 엔진(10)과 제1구동모터(20) 사이에는 메인클러치(50)를 매개하고, 제1구동모터(20)와 제2구동모터(40) 사이에는 제2클러치(52)를 매개하며, 엔진(10)과 제2구동모터(40) 사이에는 제1클러치(51)를 매개한 특징이 있다. 이럴 경우, 클러치 각각을 개별적이나 선택된 조합, 또는 모두를 작동시켜 엔진(10), 제1, 2구동모터(20, 40) 각각에서 생성된 동력을 개별적이나 선택된 조합, 또는 모두를 변속기(60)로 전달하는 것이 가능하다.
이에 따라, 도 3과 같은 구성이 가지는 장점은 그대로 유지하면서도, 도 5와 같은 구성에 비해 훨씬 다양한 주행 모드를 제공할 수 있다는 점에서, 기존의 하이브리드 자동차에 비해 매우 높은 에너지 소비 효율을 보장해 줄 수 있다. 하지만, 이 기술은 엔진과 구동모터 상호 간의 동력 연결을 위해 3개의 클러치가 필요하다는 점에서, 이를 구현하기 위해서는 도 5에 개시된 구성과 대동소이하게 그 제작비가 상승되는 단점을 가지고 있다.
대한민국 등록특허 제1791124호 대한민국 등록특허 제1693942호 대한민국 공개특허 제2020-0022238호
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 내연기관으로서의 엔진이 가지는 주행 성능 장점과 구동모터가 가지는 주행 성능 장점을 조합하여 에너지 소비 효율성을 극대화 시킨 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 및 그 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여, 엔진(10); 엔진(10)과 동축을 이루며 엔진(10)의 일측에 배치되는 제2구동모터(40); 제2구동모터(40)와 동축을 이루며 제2구동모터(40)의 일측에 배치되는 제1구동모터(20); 제1구동모터(20)와 출력축과 연결되는 변속기(60); 엔진(10)의 출력축과 제2구동모터(40)의 입력축 사이에 구비되는 원웨이클러치(30); 제2구동모터(40)의 출력축과 제1구동모터(20)의 입력축 사이에 구비되는 클러치(50);를 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
상기 원웨이클러치(30)에는 엑츄에이터에 의해 작동되는 원웨이클러치 잠금장치(80)가 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 기술적 특징은, 배터리에 자동차를 주행시킬 수 있는 전력이 남아 있으면 전기 자동차 모드로 자동차를 주행시키되 전기 자동차 모드는; 엔진(10) 및 제2구동모터(40) 각각의 작동을 정지시킴과 동시에 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간을 단절시킨 다음 변속기(60)의 저단 기어를 출력축과 연결하여, 제1구동모터(20)에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하며 정지 중인 자동차를 출발시키고; 자동차의 주행이 시작되면, 엔진(10)의 작동이 정지된 상태에서 변속기(60)의 고단 기어를 출력축과 연결하여 엔진(10)의 피동 저항 없이, 제1구동모터(20) 단독으로 자동차를 가속시키거나, 또는 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 연결된 상태에서 제1, 2구동모터(20, 40) 중의 어느 하나 또는 양자 모두에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하여 자동차를 가속시키는; 방식으로 이루어지며, 배터리에 자동차를 주행시킬 수 있는 전력이 부족하면 하이브리드 모드로 자동차를 주행시키되 하이브리드 모드는, 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간을 단절시킨 다음, 엔진(10)을 작동시켜 생성되는 회전동력을 원웨이클러치(30)를 통해 제2구동모터(40)로 전달하여 제2구동모터(40)를 발전기로 사용하며 배터리에 전력을 충전시키며, 변속기(60)의 저단 기어를 출력축과 연결하고 제1구동모터(20)로 전원을 공급하여, 제1구동모터(20)에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하며 정지 중인 자동차를 출발시키고; 자동차의 주행이 시작되면, 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 단절된 상태에서 변속기(60)의 고단 기어를 출력축과 연결하여 엔진(10)에 의해 제2구동모터(40)가 발전하며 배터리를 충전시키면서 제1구동모터(20) 단독으로 자동차를 가속시키거나, 또는 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 연결된 상태에서 제2구동모터(40)은 발전을 하며 엔진(10)과 제1구동모터(20) 각각에서 생성되는 일방향 회전동력이나 엔진(10)과 제1, 2구동모터(20, 40) 각각에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하여 자동차를 가속시키는 방식으로 이루어지고, 고속 상태에서의 정속 주행은 엔진 모드로 주행시키되 엔진 모드는, 변속기(60)의 고단 기어를 출력축과 연결하고 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 연결된 상태에서, 제1, 2구동모터(20, 40) 각각이 단순 피동 회전하며 엔진(10)에서 생성되는 일방향 회전동력을 원웨이클러치(30)를 통해 변속기(60)로 전달하여 자동차를 고속의 정속 주행상태를 유지하는 방식으로 이루어지며, 주행 중인 자동차의 관성 모드는, 엔진(10)은 정지되고 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 단절된 상태에서 제1구동모터(20)가 단순 피동 회전하는 방식으로 이루어지고, 주행 중인 자동차의 회생발전 모드는, 엔진(10)은 정지되고 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 단절된 상태에서 제1구동모터(20)가 피동 회전하며 발전하는 방식을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명은 엔진과 2개의 구동모터를 조합하여 동력원을 구성하되, 구동모터는 클러치에 의해 상호 연결되거나 단절될 수 있도록 구성함으로써, 보다 낮은 제작비를 투입하여 어느 하나의 구동모터가 엔진에 의해 배터리를 충전시키고 다른 하나의 구동모터가 자동차를 출발시키는 것이 가능함은 물론, 어느 하나의 구동모터에 의해 자동차가 주행 중에 다른 하나의 구동모터가 엔진에 의해 배터리에서 소모되는 전력을 충전시키는 것이 가능한 파워트레인을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명은 엔진과 2개의 구동모터를 조합하여 동력원을 구성하되, 엔진과 구동모터 사이에 원웨이클러치를 매개하여, 엔진의 출력축 회전수가 구동모터의 입력축 회전수와 빨라질 때에만 상호 연결되도록 구성함으로써, 엔진의 작동이 정지된 상태에서 구동모터에 의해 자동차가 주행하는 경우, 엔진의 출력축 피동 저항에 따라 에너지가 소비되는 현상을 원천적으로 방지할 수 있는 파워트레인을 구현하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 일례를 보여주는 개략적인 구성도.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 다른 예를 보여주는 개략적인 구성도.
도 3은 종래 하이브리드 자동차에 있어 파워트레인의 일례를 보여주는 개략적인 구성도.
도 4는 종래 하이브리드 자동차에 있어 파워트레인의 다른 예를 보여주는 개략적인 구성도.
도 5는 종래 하이브리드 자동차에 있어 파워트레인의 또 다른 예를 보여주는 개략적인 구성도.
도 6은 종래 하이브리드 자동차에 있어 파워트레인의 또 다른 예를 보여주는 개략적인 구성도.
본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명의 실시예를 상술함에 있어 본 발명의 기술적 특징과 직접적인 관련성이 없거나, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인 및 그 제어방법에 관한 것으로, 이 중에서 파워트레인은 도 1에 개시된 것과 같이, 엔진(10), 제1, 2구동모터(20, 40), 원웨이클러치(30), 클러치(50), 변속기(60)를 포함하여 이루어지는 특징이 있다. 이하 이들 각 구성을 구체적으로 살펴본다.
엔진(10)은 자동차의 주행을 위한 동력을 생성시키는 제1수단으로 통상적인 내연기관으로 이루어질 수 있다. 제1, 2구동모터(20, 40) 각각은 자동차의 주행에 있어 동력을 생성시키는 제2, 3수단으로 통상적인 전기모터로 이루어질 수 있다. 엔진(10)과 제1, 2구동모터(20, 40)는 동축을 공유하며, 이들 각각의 용량은 자동차의 중량이나 특성 등을 감안하여 결정할 일이다. 도면부호 1은 스타트모터이다.
이때, 제1구동모터(20)는 출발, 가속, 정속, 감속, 후진 등과 같은 자동차의 통상적인 주행에 관여하며, 제2구동모터(40)는 급가속이나 고속 등과 같이 제2구동모터(40)의 출력 보강이 필요할 때 작동하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제1구동모터(20)의 용량이 제2구동모터(40)의 용량보다 큰 값을 가지도록 설계되는 것이 바람직하나, 이와 달리 제1, 2구동모터(20, 40)가 동일한 용량으로 이루어지거나, 또는 제2구동모터(40)의 용량이 제1구동모터(20)의 용량보다 크게 이루어지는 경우를 배제하지 않는다.
원웨이클러치(30)는 엔진(10)과 제2구동모터(40) 사이에 마련된다. 원웨이클러치(30)는 그 특성상 엔진(10)의 출력축(구동축) RPM이 제2구동모터(40)의 회전축(입력축) RPM보다 일방향으로 클 때에만 자동으로 작동되며, 후술할 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 연결될 때, 엔진(10)에서 생성되는 회전동력이 변속기(60)로 전달된다.
본 발명에 따른 원웨이클러치(30)는 제2구동모터(40)의 회전축이 일방향으로 회전을 하더라도 엔진(10)의 출력축 RPM이 제2구동모터(40)의 회전축 RPM보다 작은 경우에는 그 작동이 자동으로 해제되는 통상적인 원웨이클러치 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다.
즉, 급가속 등과 같이 엔진(10)에서 생성되는 회전동력이 부가적으로 필요할 경우, 미도시된 제어유닛의 작동으로 인해 변속기(60)에서 변속이 이루어진 다음 엔진(10)이 작동하여 RPM이 서서히 증가하면서 제2구동모터(40)의 RPM과 동기화되면, 원웨이클러치(30)가 자동으로 작동하여 엔진(10)의 출력축이 제2구동모터(40)의 입력축과 연결되면서, 엔진(10)에서 생성되는 회전동력이 제2, 1구동모터(40, 20) 각각을 순차적으로 거쳐 변속기(60)로 전달된다.
이때, 본 발명은 도 2와 같이, 원웨이클러치(30)에 원웨이클러치 잠금장치(80)가 마련되는 경우를 제안한다. 원웨이클러치 잠금장치(80)는 별도 마련되는 엑츄에이터를 이용하여 엔진(10)의 출력축 RPM이 제2구동모터(40)의 RPM과 동기화된 후, 엔진(10)의 출력축이 제2구동모터(40)의 입력축과 고정 연결되도록 원웨이클러치(30)를 강제 작동시키는 수단이다.
이럴 경우, 원웨이클러치(30)를 기점으로 양방향으로 회전동력 전달이 가능하다. 다만, 원웨이클러치 잠금장치(80)는 통상적인 클러치가 아니어서 회전수 동기화 기능이 없기 때문에, 회생 발전 등을 수행하기 위해서는 사전에 엔진(10)의 출력축과 제2구동모터(40)의 입력축이 동기화되어 원웨이클러치(30)가 작동된 이후에 원웨이클러치 잠금장치(80)가 작동되도록 프로그램될 필요가 있다.
도 2에 개시된 것과 같이, 원웨이클러치(30)에 원웨이클러치 잠금장치(80)가 마련되면 제2구동모터(40)를 이용하여 엔진(10)을 작동시킬 수 있기 때문에, 도 1에 개시된 12V 저전압 스타터모터(1)는 생략될 수도 있다. 다만, 원웨이클러치 잠금장치(80)는 전술한 바와 같이, 엔진(10)과 제2구동모터(40)가 동기화된 후, 또는 엔진(10)과 제2구동모터(40)의 작동이 정지된 상태에서 작동이 가능하다.
변속기(60)는 엔진(10)이나 제1, 2구동모터(20, 40) 각각으로부터 전달되는 회전동력을 자동차의 주행 상황에 맞추어 적절하게 변환시키는 부분으로, 입력축, 다단 변속장치, 출력축와 같은 통상적인 구성을 포함하여 이루어질 수 있다.
입력축으로는 회전동력이 입력된다. 다단 변속장치에는 상호 치합되는 적어도 하나 이상의 입, 출력기어가 마련된다. 즉, 본 발명은 다단 변속장치가 2단 이상의 다단으로 이루어지는 경우는 물론 단일의 감속비를 가지는 1단으로 이루어지는 경우 모두를 포함할 수 있다. 출력축은 다단 변속장치에 변속된 회전동력이 출력되며, 다단 변속장치와 축으로 연결되어 일정길이 연장된다. 도 1 및 도 2 각각에 있어 도면부호 70은 차동기어이다.
다음으로, 이러한 구성으로 이루어지는 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인에 대한 구체적인 제어방법을 전술한 설명부분 및 첨부된 도면을 참조하여 살펴본다. 본 발명에 따른 파워트레인의 제어는 전기 자동차 모드, 하이브리드 모드, 엔진 모드, 관성 모드, 회생발전 모드로 구분되어 이루어질 수 있다.
먼저, 전기 자동차 모드는 배터리에 자동차를 주행시킬 수 있는 전력이 남아 있는 경우에 가능한 모드이다. 전기 자동차 모드에서의 출발은, 엔진(10) 및 제2구동모터(40) 각각의 작동을 정지시키고, 클러치(50)를 해제시켜 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간을 단절시킨 다음 변속기(60)의 저단 기어를 출력축과 연결하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이럴 경우, 제1구동모터(20)는 배터리로부터 공급되는 전원에 의해 작동되고, 제1구동모터(20)에서 생성되는 일방향 회전동력은 변속기(60)를 거쳐 차동기어(70)로 전달되어 정지 중인 자동차가 서서히 출발하게 된다. 이때, 제2구동모터(40)는 클러치(50)에 의해 제1구동모터(20)와 단절되어 있기 때문에, 자동차는 엔진(10)과 제2구동모터(40)에 의한 피동 저항에 영향을 받지 않고 제1구동모터(20)의 회전동력에 의해 주행할 수 있다.
자동차가 출발하여 주행이 시작되면, 자동차의 가속은 제1구동모터(20) 단독 또는 제1, 2구동모터(20, 40) 합산 회전동력에 의해 이루어질 수 있다. 전자는, 전술한 자동차의 출발과 연장선상에서 이루어진다. 즉, 엔진(10)의 작동이 정지되고, 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40)가 단절된 상태에서, 변속기(60)의 고단 기어를 출력축과 연결하는 방식으로 이루어질 수 있다. 자동차의 출발과 대동소이하게, 자동차가 제1구동모터(20)에 의해 가속될 때 엔진(10)과 제2구동모터(40)에 의한 피동 저항은 없으나, 제1구동모터(20) 단독으로 구동되므로 가속이 느려 주로 ECO 모드에 이용될 수 있다.
후자는, 클러치(50)의 작동으로 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 연결된 상태에서, 제1, 2구동모터(20, 40) 중의 어느 하나 또는 제1, 2구동모터(20, 40) 모두에서 생성되는 일방향 회전동력을 고단 기어가 치합되어 있는 변속기(60)로 전달하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때, 제2구동모터(40)만이 작동하면, 클러치(50)에 의해 제2구동모터(40)가 제1구동모터(20)와 연결되어 있기 때문에, 제1구동모터(20)의 회전축은 단순 피동 회전한다. 만일, 제1, 2구동모터(20, 40) 양자 모두가 작동하면 Power 모드가 될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 자동차 모드의 경우, 도 1 및 도 2 각각에서 알 수 있듯이 엔진(10)과 제2구동모터(40) 사이에는 원웨이클러치(30)가 매개되어 있기 때문에, 엔진(10)의 작동이 정지되면 제1, 2구동모터(20, 40)가 작동하더라도 엔진(10)의 출력축에 의한 피동 저항은 발생하지 않는다. 때문에, 도 3과 같은 종래 기술과 달리, 제1, 2구동모터(20, 40)가 작동하는 과정에서 엔진(10)의 피동 저항에 따른 에너지 소비는 없다.
그런데, 도 3과 같이 큰 용량의 구동모터를 적용하게 되면 제작비가 증대하는 것은 별론으로 치더라도, 고속 정속 주행과 같이 제1, 2구동모터(20, 40)의 작동이 정지한 상태에서 엔진(10) 단독 작동으로 인해 자동차 주행시 구동모터의 회전축이 피동 회전함에 따라 에너지 소비 효율이 나빠지는 단점이 있다. 게다가, 구동모터가 주로 작동하는 저속에서 필요보다 용량이 큰 구동모터를 작동시켜 자동차를 주행시키는 것 역시 에너지 소비 효율을 더욱 나빠지게 만드는 요인으로 작용할 수 있다.
하이브리드 모드는 엔진과 구동모터가 작동하는 모드로서, 배터리에 자동차를 주행시킬 수 있는 전력이 부족할 경우에 사용할 수 있다. 배터리가 부족하므로 리얼타임시리즈모드(Real Time Series Mode, RTSM)를 적용한다. 즉, 배터리에 대한 충전은, 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간을 해제시킨 다음, 엔진(10)을 작동시켜 생성되는 회전동력을 원웨이클러치(30)를 통해 제2구동모터(40)로 전달하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이럴 경우, 제2구동모터(40)는 발전기로 작동하며 엔진(10)에서 전달되는 회전동력을 이용하여 배터리에 전력을 충전시키게 된다.
이에 따라, 제1구동모터(20)에서 일방향 회전동력이 생성되고, 생성되는 일방향 회전동력이 변속기(60)로 전달되면서 정지 중인 자동차는 서서히 출발하게 된다. 이때, 제1, 2구동모터(20, 40)는 클러치(50)에 의해 단절된 상태이기 때문에, 엔진(10)은 물론 제2구동모터(40)는 자동차의 출발에 관여하지 않는다.
하이브리드 모드에서의 자동차 가속은 2가지 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다. 그 중 하나는, 자동차가 출발한 이후 변속기(60)의 고단 기어를 출력축과 연결하여 제1구동모터(20) 단독으로 자동차를 가속시키는 방식이다. 이때, 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간은 클러치(50)에 의해 단절된 상태이기 때문에, 제2구동모터(40)는 엔진(10)으로부터 전달되는 회전동력에 의해 발전하면서, 제1구동모터(20)의 작동으로 인해 소모하는 전력을 계속 보충한다.
다른 하나는, 배터리가 충전된 상태에서 자동차가 출발하면, 제1, 2구동모터(20, 40)가 클러치(50)에 의해 상호 연결된 상태에서, 제2구동모터(40)은 발전을 하며 엔진(10)과 제1구동모터(20) 각각에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하여 자동차를 가속시키거나, 또는 엔진(10)과 제1, 2구동모터(20, 40) 각각에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하여 자동차를 가속시키는 방식이다.
전자는, 엔진(10)에서 생성되는 일방향 회전동력은 제2구동모터(40)를 통해 변속기(60)로 전달되기 때문에, 제2구동모터(40)는 엔진(10)으로부터 전달되는 회전동력을 이용하여 배터리를 충전시킬 수 있음은 물론, 단순 피동 회전도 할 수 있다. 즉, 엔진(10) 및 제1구동모터(20)에 의해 자동차가 가속될 때, 제2구동모터(40)는 발전기로 작동하면서 배터리를 충전시키거나, 작동하지 않은 상태로 단순 피동 회전할 수도 있다.
후자는, 엔진(10) 및 제1, 2구동모터(20, 40) 모두가 자동차의 주행에 관여하는 방식으로, 엔진(10)의 회전동력은 화석연료의 연소로 생성되고, 제1, 2구동모터(20, 40) 각각의 회전동력은 배터리의 전력에 의해 생성된다. 이럴 경우, 자동차는 최고의 출력으로 가속될 수 있으며, 가장 빠른 제로백을 구현할 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 4에 개시된 통상적인 하이브리드 자동차의 경우, 자동차의 주행 중에 배터리에 전력 잔량이 기준 이하가 되거나, 또는 배터리의 전력 잔량이 남아 있더라도 자동차의 주행 속도에 따라 엔진이 자동차의 주행에 자주 관여하게 됨에 따라 에너지 소비 효율을 저하시키는 문제가 발생하나, 본 발명은 자동차의 주행을 담당하는 제1구동모터(20)를 제2구동모터(40)와 단절시킨 상태에서, 자동차 주행 중에 엔진(10)은 전적으로 제2구동모터(40)를 발전시키는 용도로 전용할 수 있다는 점에서, 적은 제작비를 투입하더라도 종래 하이브리드 자동차가 가지는 문제를 근원적으로 해결하는 것이 가능하다.
엔진 모드는 엔진 단독으로 자동차를 주행시키는 모드로서 고속 상태에서의 정속 주행에 적합하다. 엔진 모드는, 변속기(60)의 고단 기어를 출력축과 연결하고, 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 연결된 상태에서, 엔진(10)에서 생성되는 일방향 회전동력을 원웨이클러치(30)를 통해 변속기(60)로 전달하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이때, 제1, 2구동모터(20, 40) 각각은 클러치(50)에 의해 상호 연결된 상태로 단순 피동 회전한다. 통상적으로 전기모터는 RPM이 높아질수록 토크가 급속하게 감소하며 전력 소비가 급증하는 단점이 있다. 때문에, 에너지 소비 효율을 감안하면, 고속 상태에서의 정속 주행은 이러한 엔진 모드를 사용하는 것이 바람직하다.
관성 모드는 자동차가 경사진 도로 등을 주행하는 과정에 적용될 수 있는 모드로서, 제1구동모터(20)가 단순 피동 회전하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때, 엔진(10)은 작동이 정지되고, 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간은 클러치(50)에 의해 단절된다. 후술할 회생발전 모드와 달리 관성 모드에서 제1구동모터(20)에 의한 발전은 이루어지지 않는다.
회생발전 모드는 자동차가 경사진 도로를 따라 주행하거나 또는 주행 중 브레이커가 작동할 때 적용되는 모드로서, 제1구동모터(20)가 피동 회전하며 발전하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때, 엔진(10)은 작동이 정지되고, 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간은 클러치(50)에 의해 단절된다.
자동차의 후진은, 제1구동모터(20)를 타방향으로 회전시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때, 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간은 클러치(50)에 의해 단절되는 것이 바람직하다. 본 발명은 필요에 따라 다단 변속장치에 후진을 위한 별도의 아이들기어나 위성기어 세트가 더 마련되는 경우를 배제하지 않는다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 한정하여 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명은 이에 한정되지 않고 여러 다양한 방법으로 변경되어 실시될 수 있으며, 나아가 개시된 기술적 사상에 기초하여 별도의 기술적 특징이 부가되어 실시될 수 있음은 자명하다 할 것이다.
10 : 엔진 20 : 제1구동모터
30 : 원웨이클러치 40 : 제2구동모터
50 : 클러치 60 : 변속기
70 : 차동기어 80 : 원웨이클러리 잠금장치

Claims (3)

  1. 엔진(10);
    엔진(10)과 동축을 이루며 엔진(10)의 일측에 배치되는 제2구동모터(40);
    제2구동모터(40)와 동축을 이루며 제2구동모터(40)의 일측에 배치되는 제1구동모터(20);
    제1구동모터(20)와 출력축과 연결되는 변속기(60);
    엔진(10)의 출력축과 제2구동모터(40)의 입력축 사이에 구비되는 원웨이클러치(30);
    제2구동모터(40)의 출력축과 제1구동모터(20)의 입력축 사이에 구비되는 클러치(50);를
    포함하는 원웨이클러치 및 클러치를 매개하여 에너지 소비 효율성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원웨이클러치(30)에는 엑츄에이터에 의해 작동되는 원웨이클러치 잠금장치(80)가 마련되는 것을 특징으로 하는 원웨이클러치 및 클러치를 매개하여 에너지 소비 효율성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 파워트레인.
  3. 배터리에 자동차를 주행시킬 수 있는 전력이 남아 있으면 전기 자동차 모드로 자동차를 주행시키되 전기 자동차 모드는; 엔진(10) 및 제2구동모터(40) 각각의 작동을 정지시킴과 동시에 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간을 단절시킨 다음 변속기(60)의 저단 기어를 출력축과 연결하여, 제1구동모터(20)에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하며 정지 중인 자동차를 출발시키고; 자동차의 주행이 시작되면, 엔진(10)의 작동이 정지된 상태에서 변속기(60)의 고단 기어를 출력축과 연결하여 엔진(10)의 피동 저항 없이, 제1구동모터(20) 단독으로 자동차를 가속시키거나, 또는 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 연결된 상태에서 제1, 2구동모터(20, 40) 중의 어느 하나 또는 양자 모두에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하여 자동차를 가속시키는; 방식으로 이루어지며,
    배터리에 자동차를 주행시킬 수 있는 전력이 부족하면 하이브리드 모드로 자동차를 주행시키되 하이브리드 모드는, 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간을 단절시킨 다음, 엔진(10)을 작동시켜 생성되는 회전동력을 원웨이클러치(30)를 통해 제2구동모터(40)로 전달하여 제2구동모터(40)를 발전기로 사용하며 배터리에 전력을 충전시키며, 변속기(60)의 저단 기어를 출력축과 연결하고 제1구동모터(20)로 전원을 공급하여, 제1구동모터(20)에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하며 정지 중인 자동차를 출발시키고; 자동차의 주행이 시작되면, 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 단절된 상태에서 변속기(60)의 고단 기어를 출력축과 연결하여 엔진(10)에 의해 제2구동모터(40)가 발전하며 배터리를 충전시키면서 제1구동모터(20) 단독으로 자동차를 가속시키거나, 또는 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 연결된 상태에서 제2구동모터(40)은 발전을 하며 엔진(10)과 제1구동모터(20) 각각에서 생성되는 일방향 회전동력이나 엔진(10)과 제1, 2구동모터(20, 40) 각각에서 생성되는 일방향 회전동력을 변속기(60)로 전달하여 자동차를 가속시키는 방식으로 이루어지고,
    고속 상태에서의 정속 주행은 엔진 모드로 주행시키되 엔진 모드는, 변속기(60)의 고단 기어를 출력축과 연결하고 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 연결된 상태에서, 제1, 2구동모터(20, 40) 각각이 단순 피동 회전하며 엔진(10)에서 생성되는 일방향 회전동력을 원웨이클러치(30)를 통해 변속기(60)로 전달하여 자동차를 고속의 정속 주행상태를 유지하는 방식으로 이루어지며,
    주행 중인 자동차의 관성 모드는, 엔진(10)은 정지되고 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 단절된 상태에서 제1구동모터(20)가 단순 피동 회전하는 방식으로 이루어지고,
    주행 중인 자동차의 회생발전 모드는, 엔진(10)은 정지되고 클러치(50)에 의해 제1, 2구동모터(20, 40) 상호 간이 단절된 상태에서 제1구동모터(20)가 피동 회전하며 발전하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원웨이클러치 및 클러치를 매개하여 에너지 소비 효율성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 제어방법.
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KR101693942B1 (ko) 2014-12-08 2017-01-18 현대자동차주식회사 하이브리드 차량의 변속기 유압회로 및 그 제어방법
KR101791124B1 (ko) 2016-05-16 2017-10-27 강명구 두 개의 모터제네레이터와 세 개의 클러치로 구성된 하이브리드 자동차의 동력전달구조
KR20200022238A (ko) 2018-08-22 2020-03-03 현대자동차주식회사 하이브리드 차량용 동력전달장치

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