KR100369135B1 - 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복잡한 유압 회로의 구성이 필요없는 보다 간단한 구조로서 전체 무게를 감소시킴과 동시에 에너지 효율을 향상시키며, 출발시나 저속시의 가속 성능을 보다 향상시킬 수 있도록 하기 위하여,
하이브리드 전기 자동차용 배터리와 인버터를 통해 연결되는 발전기 겸용 제1모터와; 하이브리드 전기 자동차용 엔진과 상기 제1모터 사이에 개재되어 이 내연기관과 제1모터로부터 구동력을 선택적으로 전달받는 차동 기어부와; 상기 차동 기어부와 치합되어 차륜으로 동력을 전달하는 종감속 기어와; 상기 배터리와 인버터를 통해 연결되어 차축을 직접 구동하는 제2모터와; 상기 차동 기어부와 상기 내연기관 사이에 개재되는 제1원웨이 클러치와; 상기 차동 기어부 내에 설치되는 제2원웨이 클러치;를 포함하는 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치를 제공한다.

Description

하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치{POWER TRANSMIT APPARATUS FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치에 관한 것으로, 더욱상세하게는 차동 장치와 원웨이 클러치로 이루어지는 보다 간단한 구조의 변속 시스템으로써 전체 중량이 작고 에너지 손실이 적으며 출발 및 저속에서의 가속 성능이 뛰어난 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치에 관한 것이다.
최근 지구 환경문제가 범세계적인 관심사가 되면서, 특히 자동차와 관련되는 배기가스의 저감과 연비 향상 등 환경을 생각하는 자동차 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 바, 그 대표적인 예로서 하이브리드 전기 자동차에 대한 연구를 들 수가 있다.
상기 하이브리드 전기 자동차는, 깨끗하고 효율은 높지만 주행 거리가 짧은 전기 자동차(EV)와, 소형이면서 고출력이고 주행 거리가 길지만 효율이 낮고 유해 물질을 배출하는 내연기관을 조합하여 양자의 결점을 서로 보완한 자동차로서, 이와 같은 하이브리드 전기 자동차에 채택되는 동력 전달 계통으로서의 하이브리드 시스템으로는 크게 직렬 방식(Series Hybrid system)과 병렬 방식(Parallel Hybrid System) 및 스플릿 방식(Split Hybrid system)의 3가지로 나눌 수 있다.
여기서 상기 직렬 방식은 일반적인 전기 자동차와 유사한 구조로서, 구동력은 전부 모터로부터 얻어지며, 엔진은 주행 거리가 짧은 전기 자동차의 단점을 보완하는 발전용으로서 탑재될 뿐이다. 이 직렬 방식은 동력/전력 변환과 교류/직류 변환시에 발생하는 변환 손실만큼 연비면에서 불리하지만, 배기가스가 깨끗하다는 장점이 있다. 그리고 상기 병렬 방식은 엔진에 의한 주행을 기본으로 하고 엔진의 효율이 낮은 저속 운전시나 가속시 등에 모터로 구동력을 보조한다. 이 병렬 방식은 가솔린 엔진과 전기 모터의 최적 작동 영역을 이용함으로써 구동 시스템 전체의연비를 향상시키고, 제동시는 모터로 동력을 회수함으로써 연비를 향상시킬 수 있다.
한편, 스플릿 방식은 상기 직렬 방식과 병렬 방식을 조합하여 동력 배분을 극대화한 것이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 스플릿 방식의 하이브리드 시스템은 배터리(112)와, 이 배터리의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 변환기(114)와, 이 변환기에 의해 변환된 교류 전원이 공급되는 모터(116) 및 발전기(118)와, 이 발전기와 모터 사이에 개재되어 동력 분할(split)기구의 역할을 하는 유성 기어 장치(120)와, 이 유성 기어 장치에 연결되는 엔진(122)과, 상기 모터와 유성 기어 장치에 의한 구동력을 차륜(126)으로 전달하는 종감속 기어(124)등을 포함하여 이루어져 있다. 여기서, 상기 유성 기어 장치(120)는 중심에 선기어(128)가 배치되고, 외부로는 링기어(130)가 종감속 기어(124)에 연결되며, 선기어(128)와 링기어(130) 사이에는 2개의 유성 피니언 기어(132)와 1개의 캐리어(134)가 설치되어 있다.
이 시스템의 작동은 발진·저속시에는 연료 공급을 중단시키고 모터(116)로만 주행하며, 후진시에는 모터(116)를 역회전시켜 활용한다. 통상의 주행시에는 엔진(122) 동력을 2경로로 분할하여 차륜(126)을 직접 구동하거나, 발전기(118)를 구동하여 발생된 전력으로 모터(116)를 구동하기도 한다. 가속시에는 엔진(122)의 동력과 모터(116)의 동력을 함께 이용하여 차륜을 구동하며, 감속 및 제동시에는 회생 제동에 의한 발전을 실시하여 에너지를 배터리(112)에 축적한다. 또한 정지시에는 자동적으로 모터(116)와 엔진(122)은 모두 정지된다.
상기와 같이 이루어지는 하이브리드 시스템에 있어서 직렬 방식과 병렬 방식은 대부분 V-벨트식 무단 변속기(CVT)를 채택하고 있기 때문에 장치 전체의 무게가 증대하고 유압 생성을 위한 에너지 손실이 발생하며, 출발시나 저속시에는 에너지 효율이 좋지 않은 문제점이 있었다.
한편, 유성 기어 장치를 채택하고 있는 스플릿 방식은 유성 기어 장치의 구조적 특성상 발전기와 모터의 분할 채용이 불가피하여 전체 무게가 증가하고 원가가 증가하며, 출발시나 저속시에는 상기 직렬 방식과 병렬 방식과 같이 모터가 엔진을 함께 구동해야 하므로 가속 성능이 감소하고 출력이 감소하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 복잡한 유압 회로의 구성이 필요없는 보다 간단한 구조로서 전체 무게를 감소시킴과 동시에 에너지 효율을 향상시키며, 출발시나 저속시의 가속 성능을 보다 향상시킬 수 있는 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 의한 동력 전달 장치를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 하이브리드 계통도,
도 2는 종래 기술에 의한 하이브리드 전기 자동차의 하이브리드 계통도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
12 : 배터리 14 : 인버터
16 : 제1모터 18 : 제2모터
20 : 엔진 22 : 차동 기어부
24 : 종감속 기어 26 : 제1원웨이 클러치
28 : 제2원웨이 클러치 30 : 차축
32 : 제1구동 피니언 34 : 제2구동 피니언
36,38 : 제1,2종동 피니언 40 : 캐리어
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
하이브리드 전기 자동차용 배터리와 인버터를 통해 연결되는 발전기 겸용 제1모터와; 하이브리드 전기 자동차용 엔진과 상기 제1모터 사이에 개재되어 이 내연기관과 제1모터로부터 구동력을 선택적으로 전달받는 차동 기어부와; 상기 차동 기어부와 치합되어 차륜으로 동력을 전달하는 종감속 기어와; 상기 배터리와 인버터를 통해 연결되어 차축을 직접 구동하는 제2모터와; 상기 차동 기어부와 상기 내연기관 사이에 개재되는 제1원웨이 클러치와; 상기 차동 기어부 내에 설치되는 제2원웨이 클러치;를 포함하는 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치를 제공한다.
이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치를 적용한 하이브리드 시스템을 도시한 것으로서, 이를 참조하면, 전체 시스템은 배터리(12)와, 이 배터리에 저장된 직류전류를 교류로 변환하는 인버터(14)와, 이 인버터를 통해 배터리로부터 전력을 공급받는 두 개의 모터(16,18)와, 엔진(20)과, 동력 결합부로서의 차동 기어부(22)와, 이 차동 기어부에 치합되어 회전력을 최종적으로 감속하는 종감속 기어(24)와, 마찰요소로서의 제1,2원웨이 클러치(26,28)를 포함하여 이루어진다.
상기에서 배터리(12)는 하이브리드 차량에 전용으로 사용되는 배터리를 이용하는 바, 그 종류로는 Ni-MH배터리나 Li-ion배터리 등 현재 개발중인 다양한 종류의 배터리가 적용되어질 수 있다.
그리고 상기 두 개의 모터(16,18)는 하이브리드 자동차에서 에너지 변환을 위한 것으로서, 본 발명에서는 정상적인 출발, 가속 주행시 배터리(12)로부터 전달되는 전기에너지를 기계 에너지로 변환하여 제1모터(16)는 차동 기어부(22)를 구동하고, 제2모터(18)는 차축(30)을 구동하게 되며, 이와 반대로 감속 및 제동시 회생 제동력에 의하여 제1모터(16)와 제2모터(18)는 각각 제동에 의한 기계 에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리(12)를 재충전시키는 발전기의 역할을 하게 된다.
상기에서 하이브리드 전기 자동차용 모터(16,18)로서 가장 널리 활용되고 있는 것은 영구자석식 동기 모터와 교류 모터의 두 가지 종류를 예로 들 수 있다.
상기 엔진(20)으로부터 전달되는 동력과 상기 제1모터(16)로부터 전달되는 동력을 결합시켜서 종감속 기어(24)를 구동하는 장치로서, 본 발명은 차동 기어에 의한 동력 결합 방식을 제공한다. 이를 위하여, 본 발명은 제1모터(16)와 엔진(20) 사이에 차동 기어부(22)를 개재하며, 이 차동 기어부(22)와 엔진(20)사이에는 제1원웨이 클러치(26)를 배치하고, 차동 기어부(22) 내에는 제2원웨이 클러치(28)를 배치한다. 보다 상세하게는 상기 차동 기어부(22)는 엔진(20)과 제1원웨이 클러치(26)를 개재시켜 연결되는 제1구동 피니언(32)과, 일측은 이 제1구동 피니언(32)과 제2원웨이 클러치(28)를 개재시켜 연결되고, 타측은 상기 제1모터(16)에 연결되는 제2구동 피니언(34)과, 이 제1, 2구동 피니언(32,34)에 치합되어 작동되는 제1, 2종동 피니언(36,38)과, 이 제1, 2종동 피니언(36,38)을 결합하여 제1, 2구동 피니언(32,34)의 동력을 상기 종감속 기어(24)로 전달하는 캐리어(40)로 이루어진다.
상기에서 제1원웨이 클러치(26)는 엔진(20)에서 제1구동 피니언(32)으로 시계방향으로의 회전 동력만이 전달하도록 형성되며, 제2원웨이 클러치(28)는 제2구동 피니언(34)에서 제1구동 피니언(32)으로 시계방향으로의 회전 동력만이 전달되도록 형성된다.
이에 따라, 자동차의 발진시에는 제1모터(16)의 구동에 의해 제2구동 피니언(34)이 시계 방향으로 회전하므로 이 동력은 제1구동 피니언(32)까지만 전달되고 엔진에는 전달되지 아니하며, 보통 주행시 엔진(20)의 동력 전달축, 예를 들면 크랭크샤프트가 시계 방향으로 회전하므로 이 동력은 제1구동 피니언(32)까지만 전달되고 제2구동 피니언(34)과 제1모터(16)까지는 전달되지 아니한다. 여기서 보통 주행시의 제1모터(16)의 회전은 상기 엔진의 회전과 상기 제2모터의 회전과 상관하여 제어되어진다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 동력 전달 장치의 동력 전달 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 자동차의 출발과 저속 주행과 같은 때에는 배터리(12)로부터 제1,2모터(16,18)만이 구동되며, 제1모터(16)는 차동 기어부(22)를 구동하고 제2모터(18)는 차축(30)자체를 구동하며 자동차의 차속은 상기 제1모터와 제2모터의 관련 제어 내용에 따라 좌우되게 된다. 이 때, 제1모터(16)를 통한 구동력은 제2원웨이 클러치(28)에 의해 제2구동 피니언(34)에 동기된 제1구동 피니언(32)까지만 전달되며 엔진(20)까지는 전달되지 않는다. 여기서 엔진(20)은 자체의 스타터를 이용하여 발진된다.
자동차가 일정 속도 이상 가속되면, 엔진(20)의 회전수가 제1모터(16)의 회전수를 초과하게 되며, 이 때는 엔진(20)에 의하여 차동 기어부(22)가 구동되어진다. 이 때, 차축(30)은 계속해서 제2모터(18)에 의해서도 구동되게 된다. 여기서, 상기 제1모터(16)는 엔진(20)의 회전수와 제2모터(18)의 회전수와 상관하여 양의 방향으로 회전하거나 음의 방향으로 회전할 수도 있으며, 음의 값으로 회전시에 배터리(12)를 충전시키는 발전기로서의 역할을 하게 된다.
자동차가 제동되게 되면 제2모터(18)에 회생 제동력이 생기므로 이 제2모터(18)는 배터리를 충전하는 발전기로서의 역할을 하게 된다.
상기와 같은 동력 전달 장치의 작동 내용은 기계적인 작동 내용만을 설명한 것으로서, 전자적인 모터 및 엔진의 제어는 본 발명의 영역 밖이므로 설명을 생략하기로 한다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치는, 복잡한 유압 회로를 갖추는 V-벨트식 무단 변속기와 유성 기어 장치를 채택한 하이브리드 시스템에 비하여 차동 장치와 원웨이 클러치로 동력을 전달하는 보다 간단한 구조로 이루어지므로 전체 무게가 감소하고, 유압 작동시 발생하는 에너지 손실이 적으며, 제작 공정이 단순하다.
또한, 출발 및 저속시에는 모터가 엔진을 별도로 구동하지 않으므로 에너지 손실이 적으며 두 개의 모터에 의하여 구동되므로 가속 성능이 보다 향상된다.

Claims (3)

  1. 하이브리드 전기 자동차용 배터리와 인버터를 통해 연결되는 발전기 겸용 제1모터와;
    하이브리드 전기 자동차용 엔진과 상기 제1모터 사이에 개재되어 이 내연기관과 제1모터로부터 구동력을 선택적으로 전달받는 차동 기어부와;
    상기 차동 기어부와 치합되어 차륜으로 동력을 전달하는 종감속 기어와;
    상기 배터리와 인버터를 통해 연결되어 차축을 직접 구동하는 제2모터와;
    상기 차동 기어부와 상기 내연기관 사이에 개재되는 제1원웨이 클러치와;
    상기 차동 기어부의 제1 구동 피니언과 제2 구동 피니언을 연결하는 제2원웨이 클러치;를 포함하는 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차동 기어부는
    상기 엔진과 제1원웨이 클러치를 개재시켜 연결되는 제1구동 피니언과;
    일측은 상기 제1구동 피니언과 제2원웨이 클러치를 개재시켜 연결되고, 타측은 상기 제1모터에 연결되는 제2구동 피니언과;
    상기 제1,2구동 피니언에 치합되어 작동되는 제1,2종동 피니언과;
    상기 제1,2종동 피니언을 결합하여 상기 제1,2구동 피니언의 동력을 상기 종감속 기어로 전달하는 캐리어;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1원웨이 클러치는 엔진에서 제1구동 피니언으로 시계방향으로의 회전 동력만이 전달하도록 형성되며, 상기 제2원웨이 클러치는 제2구동 피니언에서 제1구동 피니언으로 시계방향으로의 회전 동력만이 전달되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 동력 전달 장치.
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