KR100802822B1 - Power train of an hybrid electric vehicle and manipulating method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의하면, 하이브리드 차량의 파워트레인에 있어서, 파워트레인의 효율이 좋은 변속비 영역을 보다 넓게 확보할 수 있도록 함과 아울러, 변속비의 변화에 따라 파워트레인을 상대적으로 효율이 좋은 상태로 작동시킬 수 있도록 한다.According to the present invention, in a power train of a hybrid vehicle, it is possible to secure a wider speed ratio range with good power train efficiency, and operate the power train in a relatively efficient state in accordance with the change of the speed ratio. Make sure
Description
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인의 구성을 도시한 도면,1 is a view showing the configuration of a dual-mode powertrain for a hybrid electric vehicle according to the present invention,
도 2는 도 1의 파워트레인이 제1모드로 작동하는 상태를 도시한 도면,2 is a view illustrating a state in which the powertrain of FIG. 1 operates in a first mode;
도 3은 도 1의 파워트레인이 제2모드로 작동하는 상태를 도시한 도면,3 is a view illustrating a state in which the powertrain of FIG. 1 operates in a second mode;
도 4는 도 1의 파워트레인의 레버해석도,4 is a lever analysis of the powertrain of FIG.
도 5는 제1모드에서 가능한 한 개의 미케니컬포인트를 형성하는 상태를 설명한 레버해석도,5 is a lever analysis diagram illustrating a state in which one mechanical point is formed in the first mode as much as possible;
도 6은 제2모드에서 가능한 두 개의 미케니컬포인트를 형성하는 상태를 설명한 레버해석도,6 is a lever analysis diagram illustrating a state in which two mechanical points are formed in the second mode;
도 7은 본 발명의 제어방법에 따라 제어하게 되는 경우의 변속비에 따른 파워트레인의 효율을 도시한 그래프이다.7 is a graph showing the efficiency of the power train according to the transmission ratio in the case of controlling according to the control method of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명><Brief description of symbols for the main parts of the drawings>
1; 제1모터제너레이터 3; 제1선기어One; A
5; 엔진 7; 제1링기어5;
9; 제1캐리어 11; 제1유성기어세트9;
13; 구동륜 15; 제2링기어13;
17; 제2모터제너레이터 19; 제2선기어17;
21; 제2캐리어 23; 제2유성기어세트21;
25; 제1클러치 27; 제2클러치25;
29; 파워트레인케이스 29; Powertrain case
본 발명은 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인 및 그 작동방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 변속비에 따라 파워트레인의 보다 효율적인 동력전달이 이루어질 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a dual-mode powertrain for hybrid electric vehicles and a method of operating the same, and more particularly, to a technology for more efficient power transmission of a powertrain according to a vehicle transmission ratio.
유성기어세트와 모터제너레이터 2개를 사용하는 하이브리드 동력 전달장치는 별도의 변속기 없이 상기 모터제너레이터의 속도를 제어함으로써 전기적으로 작동하는 무단변속기의 역할을 수행할 수 있으며, 상기 모터제너레이터의 속도를 제어함으로써 모터모드, 엔진모드, 하이브리드모드 및 회생제동모드 등을 구현할 수 있고, 필요에 따라 엔진의 온/오프 제어가 가능하여 연비를 더욱 향상시킬 수 있으며, 제동시 마찰브레이크의 사용을 최소화하여 회생제동효율을 높일 수 있다.A hybrid power transmission device using a planetary gear set and two motor generators can serve as an continuously actuated continuously variable transmission by controlling the speed of the motor generator without a separate transmission, and controlling the speed of the motor generator. Motor mode, engine mode, hybrid mode, and regenerative braking mode can be implemented, and the engine can be controlled on and off as needed to further improve fuel economy, and regenerative braking efficiency by minimizing the use of friction brakes during braking. Can increase.
종래 모터제너레이터 2개를 사용하는 하이브리드 전기자동차용 파워트레인으로서 널리 사용되고 있는 방식은, 두 모터제너레이터 중 어느 한 모터제너레이터가 출력축에 고정적으로 직결되어 있는 입력분기식(input split type) 구조를 가지 고 있다.Conventionally, a method widely used as a power train for a hybrid electric vehicle using two motor generators has an input split type structure in which one of the two motor generators is fixedly connected to the output shaft. .
상기와 같은 구조의 파워트레인은 출력축에 직결되지 않은 나머지 모터제너레이터의 속도가 0가 되는 미케니컬포인트(Mechanical point)를 형성하는 변속비에서 효율이 가장 좋고, 이를 기준으로 변속비가 증가하거나 감소하면 효율이 떨어지기 시작하며, 변속비가 감소하는 경우의 효율의 저하가 변속비가 증가하는 경우에 비해 급격히 커진다.The power train having the above structure has the best efficiency at the gear ratio which forms a mechanical point at which the speed of the remaining motor generator, which is not directly connected to the output shaft, becomes zero. This starts to fall, and the decrease in efficiency when the speed ratio decreases is sharply larger than when the speed ratio increases.
즉, 변속비가 상기 미케니컬포인트를 넘어서 작아짐에 따라(차속이 증가함에 따라) 파워트레인의 효율이 급격히 저하되는 문제점을 가지고 있다. That is, as the speed ratio decreases beyond the mechanical point (as the vehicle speed increases), there is a problem in that the efficiency of the power train decreases rapidly.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점에 착안하여 안출된 것으로서, 파워트레인의 효율이 좋은 변속비 영역을 보다 넓게 확보할 수 있도록 함과 아울러, 변속비의 변화에 따라 파워트레인을 상대적으로 효율이 좋은 상태로 작동시킬 수 있도록 한 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인 및 그 작동방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been devised in view of the above-described problems, and it is possible to secure a wider speed ratio range of the power train more efficiently, and operate the power train in a relatively efficient state according to the change of the speed ratio. The purpose of the present invention is to provide a dual mode powertrain for hybrid electric vehicles and a method of operating the same.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인은, 제1모터제너레이터에 연결된 제1선기어와, 엔진에 연결된 제1링기어와, 제1캐리어를 구비한 제1유성기어세트와;A dual mode powertrain for a hybrid electric vehicle according to the present invention for achieving the above object includes a first sun gear connected to a first motor generator, a first ring gear connected to an engine, and a first planetary gear having a first carrier. A set;
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상기 제1캐리어 및 구동륜에 연결된 제2링기어와, 제2모터제너레이터에 연 결된 제2선기어와, 제2캐리어를 구비한 제2유성기어세트와;A second planetary gear set including a second ring gear connected to the first carrier and the drive wheel, a second sun gear connected to a second motor generator, and a second carrier;
상기 제1유성기어세트의 제1선기어와 상기 제2유성기어세트의 제2캐리어 사이를 연결 및 단절시키도록 설치된 제1클러치와;A first clutch provided to connect and disconnect between the first sun gear of the first planetary gear set and the second carrier of the second planetary gear set;
상기 제2캐리어를 고정된 상태와 회전가능 상태로 전환하도록 설치된 제2클러치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.And a second clutch provided to switch the second carrier into a fixed state and a rotatable state.
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또한, 본 발명 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인의 작동방법은, 상기 제1모터제너레이터의 속도가 0이 되는 미케니컬포인트를 기준으로 변속비가 높은 영역에서는 상기 제1클러치를 단절시키고 제2클러치를 연결시키며;
상기 제1모터제너레이터의 속도가 0인 미케니컬포인트를 형성하는 변속비보다 낮은 변속비 영역에서, 변속비의 감소에 따라 상기 제1클러치를 연결시키고 제2클러치를 단절시킨 상태의 효율이 상기 제1클러치를 단절시키고 제2클러치를 연결시킨 상태의 효율 보다 커지면, 상기 제1클러치를 연결시키고 제2클러치를 단절시키며;
상기 제1모터제너레이터의 속도가 0인 미케니컬포인트를 형성하는 변속비보다 낮은 변속비 영역에서, 변속비의 감소에 따라 상기 제1클러치를 단절시키고 제2클러치를 연결시킨 상태의 효율이 상기 제1클러치를 연결시키고 제2클러치를 단절시킨 상태의 효율보다 커지면, 상기 제1클러치를 단절시키고 제2클러치를 연결시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the operating method of the dual-mode powertrain for a hybrid electric vehicle according to the present invention, disconnects the first clutch and the second clutch in a region where the speed ratio is high based on the mechanical point at which the speed of the first motor generator becomes zero. To connect;
In a speed ratio region where the speed of the first motor generator is lower than a speed ratio that forms a mechanical point of zero, the efficiency of the first clutch is coupled to the first clutch and the second clutch is disconnected according to the reduction of the speed ratio. Disconnecting and disconnecting the first clutch and disconnecting the second clutch if the efficiency is greater than the efficiency of the connecting state of the second clutch;
In a speed ratio region where the speed of the first motor generator is lower than a speed ratio that forms a mechanical point with zero speed, the efficiency of the first clutch is disconnected and the second clutch is connected with the reduction of the speed ratio. When the connection is greater than the efficiency of the state in which the second clutch is disconnected, characterized in that the first clutch is disconnected and the second clutch is connected.
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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1을 참조하면, 본 발명 실시예의 파워트레인은 제1모터제너레이터(1)에 연결된 제1선기어(3)와, 엔진(5)에 연결된 제1링기어(7)와, 제1캐리어(9)를 구비한 제1유성기어세트(11)와; 상기 제1캐리어(9) 및 구동륜(13)에 연결된 제2링기어(15)와, 제2모터제너레이터(17)에 연결된 제2선기어(19)와, 제2캐리어(21)를 구비한 제2유성기어세트(23)와; 상기 제1유성기어세트(11)의 제1선기어(3)와 상기 제2유성기어세트(23)의 제2캐리어(21) 사이를 연결 및 단절시키도록 설치된 제1클러치(25)와; 상기 제2캐리어(21)를 고정된 상태와 회전가능 상태로 전환하도록 설치된 제2클러치(27)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the power train according to the embodiment of the present invention includes a
본 실시예에서, 상기 제2클러치(27)는 파워트레인케이스(29)와 상기 제2유성기어세트(23)의 제2캐리어(21) 사이에 설치되어, 상기 제2캐리어(21)를 파워트레인케이스(29)에 대하여 고정된 상태와 회전이 가능한 상태를 전환할 수 있도록 하고 있다.In the present embodiment, the
물론, 상기 제2클러치(27)는 상기 파워트레인케이스(29) 이외의 별도의 차체부위 등과 상기 제2캐리어(21) 사이에 설치될 수도 있다.Of course, the
상기 제1유성기어세트(11), 제2유성기어세트(23)는 싱글피니언유성기어로 이루어져 있다.The first planetary gear set 11 and the second
상기한 바와 같이 구성된 파워트레인은 상기 제1클러치(25)와 제2클러치(27)의 상태에 따라 입력분기모드(input split mode)인 제1모드와 복합분기모드(compound split mode)인 제2모드로 작동될 수 있다.The power train configured as described above includes a first mode, which is an input split mode, and a second, which is a compound split mode, according to the states of the
이하에서는 도 2와 같이 제1클러치(25)가 단절상태이고 제2클러치(27)가 연 결상태인 경우를 제1모드로 칭하고, 도 3과 같이 상기 제1클러치(25)가 연결상태이고 상기 제2클러치(27)가 단절상태인 경우를 제2모드로 칭한다.Hereinafter, as shown in FIG. 2, the
상기 파워트레인을 레버해석도로 표현하면 도 4와 같고, 상기 파워트레인이 제1모드로 작동되는 경우 중의 일부 상태를 레버해석도로 표현하면 도 5와 같다. 도 5는 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0인 미케니컬포인트(M1-1)를 형성하는 변속비의 경우를 도시하고 있다.The power train is expressed in lever analysis as shown in FIG. 4, and a part of the state in which the power train is operated in the first mode is shown in FIG. 5. FIG. 5 shows the case of the gear ratio which forms the mechanical point M1-1 in which the speed of the
한편, 본 모드에서 상기 제2모터제너레이터(17)의 속도가 0인 경우는 출력이 0인 경우로서 의미가 없으므로 설명 및 그 도시를 생략한다.In the present mode, when the speed of the
따라서, 본 발명의 파워트레인이 제1모드인 상태에서는 변속비의 변화에 따라 도 5에 표시된 1개의 미케니컬포인트(M1-1)을 가지게 되며; 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(17) 사이에 배터리가 개재되지 않고 어느 일측에서 발전된 전기가 타측에서 모두 소모되어 발전량과 소모량의 합이 0이 되며 모터제너레이터의 속도를 0으로 유지하기 위한 에너지손실을 무시한다는 조건하에서, 상기 미케니컬포인트에서의 효율은 최대치인 1이 되며; 이는 도 7의 변속비 변화에 따른 파워트레인의 효율 그래프에서 확인할 수 있다.Therefore, in the state where the powertrain of the present invention is in the first mode, it has one mechanical point M1-1 shown in FIG. The battery is not interposed between the
도 7에서 제1모드의 효율을 나타내는 곡선은 1번 최대치인 1을 가지는 상태로 도시되어 있고, 상기 효율이 최대치인 위치가 파워트레인이 제1모드에서 가지는 미케니컬포인트(M1-1)를 나타내는 것이며, 모드변환점으로 표시된 위치로부터 변속비가 작아지는 일부 구간에서는 후술하는 제2모드보다 효율이 낮고, 모드변환점보다 변속비가 높은 구간에서는 제2모드보다 효율이 높음을 확인할 수 있다.In FIG. 7, the curve representing the efficiency of the first mode is illustrated as having a maximum value of 1, where the efficiency is the maximum value of the mechanical point M1-1 of the power train in the first mode. In some sections in which the speed ratio becomes smaller from the position indicated by the mode change point, the efficiency is lower than that in the second mode described later, and in the section in which the speed ratio is higher than the mode change point, the efficiency is higher than the second mode.
참고로, 도 5와 6에서, O=출력, I=입력(엔진), MG1=제1모터제너레이터, MG2=제2모터제너레이터를 각각 나타내며,For reference, in Figs. 5 and 6, O = output, I = input (engine), MG1 = first motor generator, MG2 = second motor generator, respectively,
I는 O로부터 단위거리 1만큼 떨어져 있으며, I is 1 unit distance from O,
MG1이 O로부터 떨어져 있는 거리를 , MG2가 O로부터 떨어져 있는 거리를 라 할 때, 제1모드에서 =-1.5, =0에 위치하고, 제2모드에서 =-1.5, =-3.75에 위치한다. 이와 같이 상기 제1모드는 가 0로서 제2모터제너레이터(17)가 출력축과 직결된 상태이므로 입력분기모드임을 알 수 있고, 상기 제2모드는 와 가 제로(0)가 아니므로 복합분기모드임을 알 수 있다.The distance that MG1 is , The distance MG2 is from O In the first mode, = -1.5, Is located at = 0, in the second mode = -1.5, It is located at = -3.75. Thus, the first mode is Is 0, so the
물론, 상기 I, MG1, MG2가 상기 O로부터 떨어져 있는 거리는 실제 파워트레인에서 기어비에 상응한다.Of course, the distance that the I, MG1, MG2 is away from the O corresponds to the gear ratio in the actual powertrain.
한편, 상기 도 7의 그래프는 다음의 수학식 1에 의해 도시된다.On the other hand, the graph of Figure 7 is shown by the following equation (1).
여기서, 는 파워트레인 효율,here, Powertrain efficiency,
, 는 각 모드별로 상기의 값, , Is the above value for each mode,
는 변속비 Speed ratio
, 는 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(17)가 각각 충전 할 때와 방전(소모)할 때의 효율로서, 여기서 그 값은 0.9와 1/0.9가 사용되었으며, 충전시에는 1보다 작은 값(여기서는 0.9), 방전시에는 1보다 큰 값(여기서는 1/0.9)이 된다. , Is the efficiency when the
상기 파워트레인이 제2모드로 작동되는 경우 중의 일부 상태를 레버해석도로 표현하면 도 6과 같다. 도 6에서 상측은 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0인 미케니컬포인트(M2-1)를 형성하는 변속비의 경우를 도시하고 있고, 하측은 제2모터제너레이터(17)의 속도가 0인 미케니컬포인트(M2-2)를 형성하는 변속비의 경우를 비교하여 도시하고 있다.Part of the state in which the powertrain is operated in the second mode is represented as shown in FIG. 6. In FIG. 6, the upper side shows the case of the gear ratio which forms the mechanical point M2-1 in which the speed of the
즉, 본 발명의 파워트레인이 제2모드인 상태에서는 변속비의 변화에 따라 도 6에 표시된 2개의 미케니컬포인트(M2-1, M2-2)를 가지게 되며; 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(17) 사이에 배터리가 개재되지 않고 어느 일측에서 발전된 전기가 타측에서 모두 소모되어 발전량과 소모량의 합이 0이 되며 모터제너레이터의 속도를 0으로 유지하기 위한 에너지손실을 무시한다는 조건하에서, 상기 2개의 미케니컬포인트에서의 효율은 최대치인 1이 되며; 이는 도 7의 변속비 변화에 따른 파워트레인의 효율 그래프에서 확인할 수 있다.That is, in the state in which the powertrain of the present invention is in the second mode, it has two mechanical points M2-1 and M2-2 shown in FIG. 6 in accordance with the change of the speed ratio; The battery is not interposed between the
도 7에서 제2모드의 효율을 나타내는 곡선은 2번 최대치인 1을 가지는 상태로 도시되어 있고, 상기 효율이 최대치인 두 위치가 파워트레인이 제2모드에서 가지는 두 개의 미케니컬포인트(M2-1, M2-2)를 나타내는 것이며, 모드변환점으로 표시된 위치에서는 상기 제1모드의 효율이 최대치임과 동시에 제2모드의 효율이 최대 치인 경우로서 미케니컬포인트 M1-1과 M2-1이 서로 일치하고 있음을 알 수 있고, 제2모드의 효율은 상기 모드변환점의 좌측에 나머지 효율이 최대치인 점 M2-2가 위치하고 있어서, 상기 모드변환점 좌측의 미케니컬포인트 M2-2 주변의 일부 범위에서 상기 제1모드보다 효율이 우수한 것을 알 수 있다.In FIG. 7, the curve representing the efficiency of the second mode is shown in a state having 1, the maximum value of 2, and two mechanical points (M2-) that the powertrain has in the second mode have two positions where the efficiency is the maximum value. 1, M2-2), where the efficiency of the first mode is the maximum while the efficiency of the second mode is the maximum at the position indicated by the mode change point, and the mechanical points M1-1 and M2-1 are mutually As can be seen, the efficiency of the second mode is located at the point M2-2 where the remaining efficiency is the maximum value on the left side of the mode change point, and thus, in a partial range around the mechanical point M2-2 on the left side of the mode change point. It can be seen that the efficiency is superior to the first mode.
한편, 상기 모드변환점은 상기 제1모드에서 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0가 되는 변속비에 상응하고, 상기 제2모드에서도 상기 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0인 변속비에 상응한다.Meanwhile, the mode change point corresponds to a speed ratio in which the speed of the
따라서, 본 발명에서는 상기 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0이 되는 미케니컬포인트인 모드변환점를 기준으로 변속비가 높은 영역에서는 상기 제1클러치(25)를 단절시키고 제2클러치(27)를 연결시켜서 제1모드로 작동시키며, 변속비가 낮은 일부 영역에서는 상기 제1클러치(25)를 연결시키고 제2클러치(27)를 단절시켜서 제2모드로 작동시킴으로써, 파워트레인의 효율이 좋은 변속비 영역을 보다 넓게 확보할 수 있도록 함과 아울러, 변속비의 변화에 따라 파워트레인을 상대적으로 효율이 좋은 상태로 작동시킬 수 있도록 한다.Therefore, in the present invention, the first clutch 25 is disconnected and the second clutch 27 is disconnected in a region where the speed ratio is high based on the mode change point, which is a mechanical point where the speed of the
또한, 도 7의 그래프에서 상기 제1모드의 그래프를 보면, 상기 모드변환점보다 낮은 변속비 영역에서 상기 제2모드의 그래프와 점 X에서 교차하는바, 이 점을 기점으로 변속비의 감소에 따라 상기 제1클러치(25)를 단절시키고 제2클러치(27)를 연결시킨 상태인 제1모드의 효율은 상기 제1클러치(25)를 연결시키고 제2클러치(27)를 단절시킨 상태인 제2모드의 효율보다 커지게 되므로, 보다 효율적인 파워트레인의 구동을 위해서는 상기 X점 보다 작아지는 변속비 영역에서는 다시 상기 제1클러치(25)를 단절시키고 제2클러치(27)를 연결시킨 제1모드로 작동시키는 것이 유리하다.In the graph of FIG. 7, the graph of the first mode intersects the graph of the second mode and the point X in the speed ratio region lower than the mode change point. The efficiency of the first mode in which the first clutch 25 is disconnected and the second clutch 27 is connected is the efficiency of the first mode in which the first clutch 25 is connected and the second clutch 27 is disconnected. In order to drive the power train more efficiently, it is necessary to disconnect the first clutch 25 and operate in the first mode in which the second clutch 27 is connected in the speed ratio region smaller than the X point for driving the power train more efficiently. It is advantageous.
한편, 상기 제1모드 및 제2모드에서 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(17)는 파워트레인의 변속비에 따라 충전 및 방전을 교대로 수행하게 되고, 상기 제1모터제너레이터(1) 또는 제2모터제너레이터(17)에서 발생된 동력은 엔진(5)의 동력에 합쳐져서 구동륜(13)에 제공된다.Meanwhile, in the first mode and the second mode, the
이상과 같이 본 발명에 의하면, 하이브리드 차량의 파워트레인에 있어서, 파워트레인의 효율이 좋은 변속비 영역을 보다 넓게 확보할 수 있도록 함과 아울러, 변속비의 변화에 따라 파워트레인을 상대적으로 효율이 좋은 상태로 작동시킬 수 있도록 한다. As described above, according to the present invention, in a power train of a hybrid vehicle, it is possible to secure a wider speed ratio range with a good power train efficiency, and to maintain a relatively high efficiency of the power train as the speed ratio changes. Make it work.
또한, 상기한 바와 같이 파워트레인의 효율이 좋은 상태를 선택하여 조작함으로써, 상기 제1모터제네레이터와 제2모터제너레이터가 최대로 감당해야 할 기계적 부하를 줄일 수 있어서 상대적으로 용량이 작은 모터제너레이터를 사용할 수 있도록 한다.In addition, as described above, by selecting and operating a state in which the power train has good efficiency, the mechanical load that the first motor generator and the second motor generator have to deal with can be reduced to the maximum, and thus a motor generator having a relatively small capacity can be used. To help.
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KR20060053247A (en) * | 2004-10-14 | 2006-05-19 | 아이신에이더블류 가부시키가이샤 | Hybrid drive apparatus |
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