KR100951967B1 - 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의파워트레인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동화 수동변속기에 엔진과 유성기어세트 및 모터/제너레이터를 적절하게 조합하여 전자식 무단변속모드와 자동화 수동변속모드로의 변속이 가능한 하이브리드 전기자동차의 파워트레인을 구성하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진(10)과 제1클러치(C-1)를 매개로 연결되고 구동기어류(14)를 갖춘 제1입력축(12)과, 상기 엔진(10)과 연결되는 링기어(R)를 갖춘 유성기어세트(PG), 상기 유성기어세트(PG)의 캐리어(C)에 연결되는 제2입력축(16), 상기 제2입력축(16)과 연결되고 상기 구동기어류(14)와 치합되는 종동기어류(18)를 갖춘 출력축(20), 상기 유성기어세트(PG)의 선기어(S)를 구동시키는 제1모터/제너레이터(MG1) 및, 상기 출력축(20)을 구동시키는 제2모터/제너레이터(MG2)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

자동화 수동변속기, 하이브리드, 전기자동차, 파워트레인

Description

자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인{Power train for a hybrid electric vehicle with automated manual transmission}

본 발명은 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동화 수동변속기와 유성기어세트 및 모터/제너레이터의 조합을 통해 전자식 무단변속모드와 자동화 수동변속모드로의 변속을 가능하게 하고, 변속시 동력의 단절을 배제할 수 있도록 하는 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인에 관한 것이다.

일반적으로 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 내연기관을 갖춘 자동차에서는 연소후 배출되는 배기가스중 포함된 유해성분에 의해 환경을 오염시키게 되는 문제를 내포하고 있다.

이에 따라 최근에는 환경 오염에 대한 문제를 해소하고 연비의 향상 등을 위해 연료의 연소에 의한 구동력의 생성과 함께 전기적 에너지에 의한 구동력의 생성을 동시에 구현할 수 있도록 하는 이른 바 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle)의 개발이 있어 왔다.

또한, 종래 하이브리드 전기자동차에서는 엔진과 모터의 구동으로부터 발생 된 구동력을 주행 상태에 따라 적정의 변속비로 출력하기 위한 동력전달장치로서 다양한 형태의 변속기를 채택하였는 바, 자동변속기와 무단변속기가 그 일례인 것이다.

그런데, 자동변속기의 경우에는 다수의 유성기어세트를 포함할 뿐만 아니라, 유성기어세트의 각 작동요소에 다수의 클러치와 브레이크를 설치해야 하고, 각 클러치와 브레이크에 대한 유압제어를 위한 장비의 구성도 필수적이므로 제조원가가 비교적 고가일 뿐만 아니라 구성도 복잡하여 제조에 많은 어려움이 있어 왔다.

또한, 무단변속기의 경우에는 풀리와 벨트 사이의 마찰에 의한 마모와 마찰부위에서 발생되는 마찰열에 대한 냉각 및 윤활, 그리고 벨트의 내구성능 및 풀리와의 접촉소음의 발생 등으로 인해 비교적 출력이 낮은 경차에만 국한하여 주로 적용하고 있는 실정이다.

이에 따라, 엔진으로부터 발생된 구동력을 복수의 경로를 통해 입력축과 출력축에 각각 치합되도록 구비된 다수의 기어열에 제공하고, 각 기어열과 출력축 사이의 동력전달을 싱크로 기구의 작동을 매개로 선택적으로 수행하는 자동화 수동변속기가 제안되었다.

그런데, 종래 자동화 수동변속기는 변속중 동력의 단절 현상이 수반되는 현상이 있어, 변속감이 좋지 못할 뿐만 아니라, 하이브리드 전기자동차에 적용이 곤란한 문제를 갖고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사안들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 자동화 수동변속기에 엔진과 유성기어세트 및 모터/제너레이터를 적절하게 조합하여 전자식 무단변속모드와 자동화 수동변속모드로의 변속이 가능한 하이브리드 전기자동차의 파워트레인을 구성하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전자식 무단변속모드와 자동화 수동변속모드로의 변속시 동력의 단절을 배제할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적으로 달성하기 위한 본 발명은, 엔진과 제1클러치를 매개로 연결되고 다수의 구동기어류를 갖춘 제1입력축과;

상기 엔진과 연결되는 링기어를 갖춘 유성기어세트;

상기 유성기어세트의 캐리어에 연결되는 제2입력축;

상기 제2입력축과 연결되고 상기 제1입력축의 상기 다수의 구동기어류와 치합되는 종동기어류를 갖춘 출력축;

상기 유성기어세트의 선기어를 구동시키는 제1모터/제너레이터 및;

상기 출력축을 구동시키는 제2모터/제너레이터를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 제2입력축은 제1매개기어를 구비하고, 상기 출력축은 상기 제1매개기어와 치합하는 제2매개기어를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 제2모터/제너레이터는 상기 유성기어세트의 캐리어에 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 제2모터/제너레이터는 상기 출력축에 직접 축결합으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 제2모터/제너레이터는 상기 제2매개기어와 치합되는 제3매개기어를 매개로 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 제2모터/제너레이터는 구동풀리를 구비하고, 상기 출력축은 상기 구동풀리와 벨트를 매개로 연동되는 종동풀리를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 엔진과 상기 링기어 사이를 가변적으로 연결하는 제2클러치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인에 의하면, 자동화 수동변속기에 엔진과 유성기어세트 및 모터/제너레이터를 적절하게 조합하여 엔진과 모터/제너레이터로부터 발생된 구동력을 입력축과 출력축에 직접 제공함과 더불어 유성기어세트를 통해 입력축과 출력축에 제공할 수 있도록 함으로써, 전자식 무단변속모드와 자동화 수동변속모드로의 변속이 가능한 하이브리드 전기자동차의 파워트레인을 구현할 수 있게 된다.

또한, 주행중 변속시 모터/제너레이터의 정/역회전을 연속적으로 실시함으로써 기존 자동화 수동변속기에서 변속중 동력의 단절에 따라 초래되는 충격의 발생을 근본적으로 배제할 수 있고, 회생제동시 엔진과의 동력연결관계를 인위적으로 차단시켜 엔진의 역구동에 따라 수반되는 불필요한 구동 에너지의 손실을 줄여 배 터리의 충전효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명의 제1실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 크랭크 축(10a)과 제1클러치(C-1)를 매개로 제1입력축(12)이 연동되도록 설치되고, 상기 제1입력축(12)은 축상에 다수의 구동기어류(14)를 구비한다.

유성기어세트(PG)는 상기 엔진(10)과 직접 연결되는 링기어(R)를 구비하고, 상기 유성기어세트(PG)는 상기 링기어(R)의 내접하여 연동하고 제2입력축(16)과 연결되는 캐리어(C)를 구비하며, 상기 유성기어세트(PG)는 상기 캐리어(C)에 외접하여 연동하는 선기어(S)를 구비한다. 즉, 상기 유성기어세트(PG)는 싱글피니언의 단순유성기어세트로 이루어진다.

출력축(20)은 상기 제2입력축(16)과 연동되도록 설치되고, 상기 제1입력축(12)에 설치된 상기 다수의 구동기어류(14)와 개별적으로 치합되는 종동기어류(18)를 축상에 구비한다.

제1모터/제너레이터(MG1)는 상기 유성기어세트(PG)의 선기어(S)를 구동시키도록 설치되고, 제2모터/제너레이터(MG2)는 상기 출력축(20)을 구동시키도록 설치된다. 상기 제1모터/제너레이터(MG1)와 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 배터리에 충전된 전원에 의해 구동되는 모터 또는 상기 배터리의 충전을 도모하는 발전기로 선택적으로 동작하는 것이다.

이 경우, 상기 제2입력축(16)은 상기 제1입력축(12)의 외주에서 동심축상으 로 배치되어, 상기 제1입력축(12)과 상기 제2입력축(16)은 각각 개별적으로 구동할 수 있게 된다. 이를 위해 상기 제2입력축(16)은 중공축의 형태로 이루어진다.

그리고, 상기 제2입력축(16)은 일측 선단에 제1매개기어(16a)를 구비하고, 상기 출력축(20)은 일측 선단에 제2매개기어(20a)를 구비하며, 상기 제1매개기어(16a)와 상기 제2매개기어(20a)는 상호 치합된 상태로 배치된다.

또한, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 상기 유성기어세트(PG)의 캐리어(C)에 직접 연결되어 상기 캐리어(C)를 직접적으로 구동시키고, 상기 캐리어(C)는 상기 제2입력축(16)을 구동시켜 상기 출력축(20)을 구동시키게 된다.

본 발명의 제2실시예는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 엔진(10)과 상기 링기어(R) 사이에는 제2클러치(C-2)가 설치되어 상기 제2클러치(C-2)의 동작상태에 따라 상기 엔진(10)과 상기 링기어(R) 사이의 동력전달이 선택적으로 이루어지게 된다.

아울러, 본 발명의 제2실시예에 있어 나머지의 구성은 제1실시예와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 제3실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 제2실시예와 동일한 구성으로 이루어지되, 제1실시예 및 제2실시예와 달리 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 상기 출력축(20)에 직접 축결합으로 연결되어 상기 출력축(20)을 구동시키게 된다.

아울러, 본 발명의 제3실시예에 있어 나머지의 구성은 제2실시예와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 제4실시예는 도 4에 도시된 바와 같이, 제3실시예와 동일한 구성 으로 이루어지되, 제3실시예와 달리 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 상기 출력축(20)에 기어치합으로 연결되어 상기 출력축(20)을 구동시키게 된다.

이를 위해, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 회전축상에 상기 출력축(20)의 일측 선단에 구비된 상기 제2매개기어(20a)와 치합되는 제3매개기어(20b)를 구비한다.

아울러, 본 발명의 제4실시예에 있어 나머지의 구성은 제3실시예와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 제5실시예는 도 5에 도시된 바와 같이, 제4실시예와 동일한 구성으로 이루어지되, 제4실시예와 달리 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 상기 출력축(20)에 벨트전동으로 연결되어 상기 출력축(20)을 구동시키게 된다.

이를 위해, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 회전축상에 구동풀리(22)를 구비하고, 상기 출력축(20)은 상기 구동풀리(22)와 벨트(24)를 매개로 연동되는 종동풀리(26)를 구비한다.

아울러, 본 발명의 제5실시예에 있어 나머지의 구성은 제4실시예와 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명의 제1 내지 제5실시예에 있어, 상기 출력축(20)은 타측 선단에 트랜스퍼 드라이브기어(28)를 장착하고, 상기 트랜스퍼 드라이브기어(28)는 추진축(32)상에 설치된 트랜스퍼 드리븐기어(30)와 치합된다. 이에 따라, 상기 출력축(20)을 통해 외부로 출력되는 구동력은 상기 트랜스퍼 드라이브기어(28)와 상기 트랜스퍼 드리븐기어(30)를 순차적으로 거쳐 상기 추진축(32)으로 제공된다.

그리고, 본 발명의 제1 내지 제5실시예에 있어, 상기 제1입력축(12)상에 구비된 다수의 구동기어류(14)와 상기 출력축(20)상에 구비된 다수의 종동기어류(18)는 각 변속단별 개별적으로 치합되고, 특히 상기 출력축(20)상에 설치된 다수의 종동기어류(18)는 싱크로 기구(도시안됨)를 매개로 상기 출력축(20)과 동기될 수 있도록 구성된다.

이를 위해 상기 싱크로 기구는 각 변속단별 종동기어류(18)에 개별적으로 설치되고, 변속시 상기 싱크로 기구는 별도의 구동용 액츄에이터(도시안됨)의 작동에 따라 동작하여 상기 종동기어류(18)와 상기 출력축(20) 사이의 회전속도를 동기시키게 된다.

아울러, 본 발명의 전 실시예에 있어, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)와 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 각각 제어유니트(ECU)에 의해 구동토크와 회전속도 및 충/방전의 제어를 받게 된다.

그리고, 상기 제어유니트(ECU)는 주행시 배터리(BATTERY)에 충전된 전기에너지를 이용하여 상기 제1모터/제너레이터(MG1)와 상기 제2모터/제너레이터(MG2)의 구동을 제어할 뿐만 아니라, 회생제동시 상기 제1모터/제너레이터(MG1)와 상기 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전으로부터 발생된 전기를 배터리에 역으로 공급하여 배터리를 충전시킬 수 있게 해 준다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 작동을 상세히 설명한다.

본 발명의 따른 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인은 전자식 무단변속모드와 자동화 수동변속모드 및 변속모드의 구동모드를 갖 게 된다. 각 구동모드별 작동요소의 동작상태는 도 6에 도시된 작동표와 같다.

먼저, 전자식 무단변속모드{ECVT(Electronic Continuously Variable Transmission) MODE}에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 엔진(10)과 상기 제1모터/제너레이터(MG1) 및 상기 제2모터/제너레이터(MG2) 중 적어도 하나 이상의 작동요소에서 구동이 이루어진다. 특히, 출발시에는 적어도 하나 이상의 모터/제너레이터의 구동을 매개로 높은 수준의 토크를 상기 출력축(20)으로 제공하게 된다.

그리고, 주행중 운전조건에 따라 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 엔진(10)에 의한 구동과 상기 제1모터/제너레이터(MG1)에 의한 구동, 상기 엔진(10)에 의한 구동과 상기 제2모터/제너레이터(MG2)에 의한 구동, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)에 의한 구동과 상기 제2모터/제너레이터(MG2)에 의한 구동 및, 상기 엔진(10)에 의한 구동과 상기 제1모터/제너레이터(MG1)에 의한 구동 및 상기 제2모터/제너레이터(MG2)에 의한 구동을 각각 적절하게 조합 및 제어하여 무단 변속기와 같이 연속적으로 가변되는 변속단을 출력하여 구동을 가능하게 해 준다.

이때, 상기 종동기어류(18)와 상기 출력축(20) 사이는 싱크로 기구의 해제를 통해 각 변속단별 기어류 사이의 구동관계는 중립상태를 이루게 되는 바, 상기 싱크로 기구의 동작은 구동용 액츄에이터(도시안됨)의 작동에 의해 이루어지고, 상기 구동용 액츄에이터의 작동은 변속제어유니트(TCU;도시안됨)에 의해 이루어진다.

그리고, 자동화 수동변속모드{AMT(Automated Manual Transmission) MODE}에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 엔진(10)에 의한 구동만으로 토크를 상기 출력축(20)으로 제공하게 된다. 이 경우, 상기 종동기어류(18)와 상기 출력축(20) 사 이는 싱크로 기구의 작동을 매개로 각 변속단별 기어류 사이의 동력전달이 이루어지게 된다.

이때, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)와 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 각각 발전기로서 동작하게 되어, 상기 배터리를 충전시키게 된다. 특히 회생제동시 상기 제2클러치(C-2)는 해제되어 상기 엔진(10)을 역구동시켜 손실되는 구동 에너지를 줄임으로써 상기 배터리의 충전 효율을 높일 수 있게 된다.

또한, 변속모드(Power Shift Mode)에서는 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)는 역회전 제어되고, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 정회전 제어되어 변속이 이루어진다. 이를 위해 상기 제어유니트(ECU)는 상기 제1모터/제너레이터(MG1)에 대한 역회전 제어신호를 출력하고 상기 제2모터/제너레이터(MG2)에 대한 정회전 제어신호를 출력하게 된다.

이러한 변속의 과정에 있어, 상기 제어유니트(ECU)는 상기 제1모터/제너레이터(MG1)와 상기 제2모터/제너레이터(MG2)에 대한 정/역회전의 제어를 연속적으로 실시함으로써, 기존 자동화 수동변속기에서 변속중 동력의 단절에 따라 초래되던 변속 충격의 발생을 근본적으로 배제할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 제2 내지 제5실시예에서와 같이, 상기 엔진(10)과 상기 유성기어세트(PG)의 링기어(R) 사이의 동력전달 관계가 제2클러치(C-2)를 매개로 제어될 수 있게 되면, 엔진부하에 의해 동력손실이 발생될 수 있는 운전조건에서 상기 제2클러치(C-2)를 해제하여 동력이 상기 제1모터/제너레이터(MG1)와 상기 제2모터/제너레이터(MG2)로만 전달될 수 있도록 함으로써 불필요한 동력의 손실을 줄일 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 제3 내지 제5실시예에서와 같이, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)가 상기 출력축(20)에 직결되거나 기어치합 또는 벨트전동으로 연결되면, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)로부터 발생된 동력이 상기 출력축(20)으로 직접 전달될 수 있으므로 동력전달의 효율을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 파워트레인의 전장을 축소할 수 있어 엔진룸내 배치시 레이-아웃상의 유리함을 제공하게 된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 제2실시예를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 제3실시예를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 제4실시예를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 제5실시예를 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 실시예의 각 구동모드별 동작상태를 도시한 작동표.

도 7 내지 도 9는 각 구동모드별 속도비를 도시한 레버 해석도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-엔진 12-제1입력축

14-구동기어류 16-제2입력축

18-종동기어류 20-출력축

22-구동풀리 24-벨트

26-종동풀리 28-트랜스퍼 드라이브기어

30-트랜스퍼 드리븐기어 32-추진축

Claims (8)

1. 엔진(10)과 제1클러치(C-1)를 매개로 연결되고 다수의 구동기어류(14)를 갖춘 제1입력축(12)과;

   상기 엔진(10)과 연결되는 링기어(R)를 갖춘 유성기어세트(PG);

   상기 유성기어세트(PG)의 캐리어(C)에 연결되는 제2입력축(16);

   상기 제2입력축(16)과 연결되고 상기 제1입력축(12)의 상기 다수의 구동기어류(14)와 치합되는 종동기어류(18)를 갖춘 출력축(20);

   상기 유성기어세트(PG)의 선기어(S)를 구동시키는 제1모터/제너레이터(MG1) 및;

   상기 출력축(20)을 구동시키는 제2모터/제너레이터(MG2)를 구비하는 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제2입력축(16)은 제1매개기어(16a)를 구비하고, 상기 출력축(20)은 상기 제1매개기어(16a)와 치합하는 제2매개기어(20a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 상기 캐리어(C)에 직접 연결되는 것을 특징 으로 하는 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 상기 출력축(20)에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 상기 제2매개기어(20a)와 치합되는 제3매개기어(20b)를 매개로 구비한 것을 특징으로 하는 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인.
6. 청구항 2에 있어서,

   상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 구동풀리(22)를 구비하고, 상기 출력축(20)은 상기 구동풀리(22)와 벨트(24)를 매개로 연동되는 종동풀리(26)를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 엔진(10)과 상기 링기어(R) 사이를 가변적으로 연결하는 제2클러치(C-2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 제2입력축(16)은 상기 제1입력축(12)의 외주에서 동심축상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 자동화 수동변속기를 갖춘 하이브리드 전기자동차의 파워트레인.

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