KR101427960B1 - 하이브리드 자동차의 동력전달장치 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 자동차의 동력전달장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치는 엔진의 동력이 입력되는 입력축; 더블 피니언 유성기어세트로서 상기 입력축상에 배치되어 제1 선기어와, 제1 링기어와, 제1 유성캐리어를 보유하는 제1 유성기어세트; 싱글 피니언 유성기어세트로서 상기 입력축상에 배치되어 제2 선기어와, 상기 제1 링기어와 선택적으로 연결되는 제2 링기어와, 상기 제1 유성캐리어와 직접 연결됨과 동시에 출력기어와 연결되는 제2 유성캐리어를 보유하는 제2 유성기어세트; 상기 제1 링기어와 제2 링기어 사이에 배치되는 제1 클러치; 상기 제2 링기어와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제1 브레이크; 상기 제1 선기어와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제2 브레이크; 상기 제1 선기어와 연결되는 제1 모터/제네레이터; 상기 제2 선기어와 연결되는 제2 모터/제네레이터를 포함한다.

Description

하이브리드 자동차의 동력전달장치{POWER TRANSMISSION SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 자동차의 동력전달장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동력 재순환에 의한 시스템 효율 저하를 극복하고, 모터의 용량을 낮출 수 있으며, 고속 주행시 기계적 동력전달경로의 비중을 높여 전기 부하를 줄이고 엔진의 최대 동력을 사용할 수 있도록 한 하이브리드 자동차의 동력전달장치에 관한 것이다.
자동차의 친환경 기술은 미래 자동차 산업의 생존이 달린 핵심기술로서, 선진 자동차 메이커들은 환경 및 연비 규제를 달성하기 위한 친환경 자동차 개발에 총력을 기울이고 있다.
상기 친환경 자동차로서는 완전 무공해 자동차(ZEV: Zero Emission Vehicle)인 전기 자동차(EV: Electric Vehicle)와 연료전지 자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)에 대한 연구가 이루어지고 있다.
상기 전기 자동차와 연료전지 자동차는 배기가스가 전혀 없다는 장점은 있으나, 배터리 축전용량, 수명 등의 기술적인 문제와 가격, 충전 시설과 같은 사회적인 인프라 구축 등의 문제로 한계를 가지고 있다.
이에 따른 대안으로 기존의 내연기관과 전기 모터를 이용하여 동력을 보조하는 하이브리드 자동차가 중·단기적인 대안으로 개발되어 실용화되고 있다.
상기 하이브리드 자동차는 전기의 동력과 내연기관의 동력원을 조합하여 구동하는 자동차로서 가솔린 엔진과 전기 모터로 시스템의 효율이 높은 지점에서 동작되도록 제어하여 효율이 우수하면서 배기가스를 효과적으로 줄일 수 있다.
또한, 하이브리드 자동차는 전기 자동차와 같이 별도의 충전 시설 구축이 불필요하며 연비향상과 기존의 가솔린 차량과 동등한 주행거리를 확보할 수 있어 미래형 친환경 자동차의 주류를 이룰 것으로 기대된다.
상기 하이브리드 자동차의 동력분기방식은 유성기어와 같이 동력 흐름을 분기하는 동력분기장치를 사용하여 엔진의 동력을 직접 출력축으로 전달하는 기계적 흐름과 엔진의 동력을 이용하여 제너레이터를 발전하고, 이 발전된 동력을 이용하여 배터리를 충전하거나 충전된 배터리의 에너지로 모터를 구동하는 전기적 흐름으로 구성된다.
상기와 같은 동력분기방식 하이브리드 시스템은 엔진이 출력축과 독립적으로 작동이 가능하고 주행 중 엔진을 자유롭게 온/오프할 수 있으며 전기차 모드 구현이 가능하다.
또한, 2개의 모터/제너레이터에 의한 전기적 무단 변속기(Electrically Variable Transmission: EVT) 효과로 엔진을 효율적으로 운전시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
본 발명의 실시 예는 동력 재순환에 의한 시스템 효율 저하를 극복하고, 모터의 용량을 낮출 수 있으며, 고속 주행시 기계적 동력전달경로의 비중을 높여 전기 부하를 줄이고 엔진의 최대 동력을 사용할 수 있도록 한 하이브리드 자동차의 동력전달장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 엔진의 동력이 입력되는 입력축; 더블 피니언 유성기어세트로서 상기 입력축상에 배치되어 제1 선기어와, 제1 링기어와, 제1 유성캐리어를 보유하는 제1 유성기어세트; 싱글 피니언 유성기어세트로서 상기 입력축상에 배치되어 제2 선기어와, 상기 제1 링기어와 선택적으로 연결되는 제2 링기어와, 상기 제1 유성캐리어와 직접 연결됨과 동시에 출력기어와 연결되는 제2 유성캐리어를 보유하는 제2 유성기어세트; 상기 제1 링기어와 제2 링기어 사이에 배치되는 제1 클러치; 상기 제2 링기어와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제1 브레이크; 상기 제1 선기어와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제2 브레이크; 상기 제1 선기어와 연결되는 제1 모터/제네레이터; 상기 제2 선기어와 연결되는 제2 모터/제네레이터를 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제1 클러치와 제1, 제2 브레이크는 전기차 모드 1에서 제1 브레이크가 작동하고, 전기차 모드 2에서 제1 클러치와 제1 브레이크가 작동하며, 하이브리드 모드 1에서 제1 브레이크가 작동하고, 하이브리드 모드 2에서 제1 클러치가 작동하며, 고정 기어단 모드에서 제1 클러치와 제2 브레이크가 작동할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 전체적인 구성에 있어서, 2개의 유성기어세트와, 3개의 마찰요소와, 2개의 모터/제너레이터의 조합으로 2개의 전기차 모드와, 2개의 하이브리드 모드와, 1개의 고정 기어단 모드를 구현할 수 있다.
또한, 상기와 같은 주행 모드에 의하여 동력 재순환에 의한 시스템 효율 저하를 극복하고, 모터의 용량을 낮출 수 있으며, 고속 주행시 기계적 동력전달경로의 비중을 높여 전기 부하를 줄이고 엔진의 최대 동력을 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치에 적용되는 마찰요소의 각 작동모드별 작동표이다.
이하, 본 발명의 실시 예들을 첨부한 도면을 통하여 상세하게 설명한다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치는 입력축(IS), 출력기어(OG), 제1, 제2 유성기어세트(PG1)(PG2), 3개의 마찰요소(CL1)(BK1)(BK2), 2개의 모터/제너레이터(MG1)(MG2)를 포함하여 이루어진다.
이에 따라 상기 입력축(IS)을 통해 전달되는 회전동력과, 상기 제1, 제2 모터/제네레이터(MG1)(MG2)로부터 전달되는 회전동력을 제1, 제2 유성기어세트(PG1)(PG2)에서 상호 보완작동으로 변속하여 상기 출력기어(OG)를 통해 출력한다.
상기 입력축(IS)은 입력부재로서 엔진의 크랭크 샤프트로부터의 회전동력이 토크 컨버터를 통해 토크 변환이 이루어져 입력된다.
상기 출력기어(OG)는 출력부재로서 미도시한 차동장치를 통해 구동륜을 구동시키도록 구동력을 전달한다.
상기 제1 유성기어세트(PG1)는 더블 피니언 유성기어세트로서, 제1 선기어(S1)와, 제1 링기어(R1)와, 각각 상기 제1 선기어(S1)와 상기 제1 링기어(R1)에 각각 치합되는 한쌍의 제1 피니언(P1)을 지지하는 제1 유성캐리어(PC1)를 포함한다.
상기 제2 유성기어세트(PG2)는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 제2 선기어(S2)와, 제2 링기어(R2)와, 상기 제2 선기어(S2)와 상기 제2 링기어(R2) 사이에 치합되는 제2 피니언(P2)을 지지하는 제2 유성캐리어(PC2)를 포함한다.
상기와 같은 유성기어세트를 조합함에 있어서, 제1 유성캐리어(PC1)와 제2 유성캐리어(PC2)가 직접 연결되고, 제1 링기어(R1)와 제2 링기어(R2)가 가변 연결된다.
상기와 같은 유성기어세트들은 전기 동력원인 제1, 제2 모터/제네레이터(MG1)(MG2)와, 1개의 클러치(CL1)와 2개의 브레이크(BK1)(BK2)로 이루어지는 마찰요소에 의하여 조합된다.
상기에서 제1, 제2 모터/제네레이터(MG1)(MG2)는 인버터를 통해 고전압 배터리와 연결되어 회생 제동시에는 고전압 배터리를 충전하고, 구동시에는 상기 고전압 배터리로부터 공급되는 전기를 이용하여 각각 구동력을 발생시킬 수 있도록 구성된다.
이러한 제1, 제2 모터/제네레이터(MG1)(MG2)의 연결관계를 살펴보면, 상기 제1 모터/제네레이터(MG1)는 제1 선기어(S1)와 직접 연결되고, 제2 모터/제네레이터(MG2)는 제2 선기어(S2)와 직접 연결된다.
그리고 통상 유압에 의하여 마찰 결합되는 다판식 유압마찰 결합유닛으로 이루어지는 마찰요소의 연결관계를 살펴보면, 제1 클러치(CL1)는 상기 제1 링기어(R1)와 제2 링기어(R2) 사이에 배치되며, 제1 브레이크(BK1)는 상기 제2 링기어(R2)와 변속기 하우징(H) 사이에 배치되고, 제2 브레이크(BK2)는 상기 제1 선기어(S1)와 변속기 하우징(H) 사이에 배치된다.
이에 따라 상기 제1 선기어(S1)는 제1 모터/제네레이터(MG1)에 의하여 전기적인 회전동력의 입력요소로 작동함과 동시에 제2 브레이크(B2)에 의하여 선택적인 고정요소로 작동한다.
상기 제1, 제2 유성캐리어(PC1)(PC2)는 출력기어(OG)와 직접 연결되어 항상 최종 출력요소로 작동한다.
상기 제1 링기어(R1)는 입력축(IS)과 직접 연결되어 엔진의 회전동력을 전달받는 입력요소로 작동한다.
상기 제2 선기어(S2)는 제2 모터/제네레이터(MG2)에 의하여 전기적인 회전동력의 입력요소로 작동한다.
상기 제2 링기어(R2)는 제1 클러치(CL1)에 의하여 상기 제1 링기어(R1)와 가변 연결되면서 선택적인 입력요소로 작동함과 동시에 제1 브레이크(B1)에 의하여 선택적인 고정요소로 작동한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 유성기어트레인에 적용되는 각 마찰요소의 각 작동모드별 작동표이다.
도 2를 참조하여 각 작동모드별 마찰요소의 작동 상태를 살펴보면 다음과 같다.
전기차 모드(EV) 1은 제1 브레이크(BK1)의 작동에 의하여 달성된다.
전기차 모드(EV) 2는 제1 클러치(CL1)와 제1 브레이크(B1)의 작동에 의하여 달성된다.
하이브리드 모드(EVT) 1은 제1 브레이크(BK1)의 작동에 의하여 달성된다.
하이브리드 모드(EVT) 2는 제1 클러치(CL1)의 작동에 의하여 달성된다.
고정 기어단 모드(FG)는 제1 클러치(CL1)와 제2 브레이크(BK2)의 동시 작동에 의하여 달성된다.
상기와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치는 2개의 EV 모드와, 2개의 하이브리드 모드와, 1개의 기어 고정단 모드를 구현할 수 있다.
상기 모드별 작동관계를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
[전기차 모드(EV) 1]
제1 브레이크(BK1)을 작동 제어하고, 제2 모터/제네레이터(MG2)에 토크를 가하면 출력기어(OG)에 연결된 제2 유성 캐리어(PC2)를 통해 제2 모터/제네레이터(MG2)의 동력이 출력되면서 전기차 모드 1의 주행이 가능하다.
이때 엔진이 정지해 있기 때문에 제1 선기어(S1)에 연결되어 있는 제1 모터/제네레이터(MG1)는 토크 없이 역방향으로 회전하게 된다.
[전기차 모드(EV) 2]
제1 클러치(CL1)과 제1 브레이크(BK1)를 작동 제어하면, 제1, 제2 모터/제네레이터(MG1)(MG2) 모두 모터로 이용할 수 있으며, 전기차 모드 주행 중 큰 토크를 요구하는 경우 차량의 구동력을 극대화할 수 있다.
이는 동력전달장치에 요구되는 동력성능에 알맞은 유연한 사용이 가능하며 플러그 인 하이브리드 시스템에 적용 시 모터 용량을 낮출 수 있는 이점이 있다.
[하이브리드 모드(EVT) 1]
제1 브레이크(BK1)가 작동 제어된 상태에서 제1 모터/제네레이터(MG1)에 토크를 가하여 엔진을 회전시켜 점화한다.
상기 제1 모터/제네레이터(MG1)는 제너레이터 기능을 수행하면서 변속비를 제어하며, 상기 제2 모터/제네레이터(MG2)는 제2 링기어(R2)가 고정요소로 작동하기 때문에 변속비를 제어할 수 없고, 모터 기능을 수행하며 출력기어(OG)에 토크를 전달하는 기능을 수행한다.
[하이브리드 모드(EVT) 2]
제1 브레이크(BK1)의 작동을 해제하고, 제1 클러치(CL1)를 작동 제어하면, 제1 링기어(R1)와 제2 링기어(R2)가 동기화되면서 제2 모터/제네레이터(MG2)는 역방향으로 회전하게 된다.
이 상태에서 제1 모터/제네레이터(MG1)는 제너레이터 역할을 하고, 제2 모터/제네레이터(MG2)는 모터 역할을 수행하면서 하이브리드 모드 2가 성립한다.
[고정 기어단 모드(FG)]
제1 클러치(CL1)와 제2 브레이크(BK2)를 작동 제어하면, 제2 브레이크(BK2)에 의하여 제1 선기어(S1)의 회전속도가 0 rpm으로 고정되어 출력기어(OG)와 연결된 제2 유성캐리어(PC2)가 엔진과 연결된 제1 링기어(R1) 보다 빠른 속도로 회전하는 오버 드라이브(over drive) 변속비를 가지게 된다.
이때 제1 모터/제네레이터(MG1)는 토크를 전달하지 않기 때문에 오직 제2 유성기어세트(PG2)만으로 변속단을 형성한다.
또한 고정 기어단 모드는 엔진 직결 모드이므로 동력분기모드의 비효율 특성을 배제하고 엔진과 함께 모터가 보조하는 패러럴(parallel) 하이브리드 시스템을 구현한다.
이상에서와 같이 본 발명의 실시 예에 의하면, 전체적인 구성에 있어서, 2개의 유성기어세트(PG1)(PG2)와, 3개의 마찰요소(CL1)(BK1)(BK2)와, 2개의 모터/제너레이터(MG1)(MG2)의 조합으로 2개의 전기차 모드와, 2개의 하이브리드 모드와, 1개의 고정 기어단 모드를 구현할 수 있다.
또한, 상기와 같은 주행 모드에 의하여 동력 재순환에 의한 시스템 효율 저하를 극복하고, 모터의 용량을 낮출 수 있으며, 고속 주행시 기계적 동력전달경로의 비중을 높여 전기 부하를 줄이고 엔진의 최대 동력을 사용할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
BK1,BK2: 제1, 제2 브레이크
CL1: 제1 클러치
IS: 입력축
OG: 출력기어
MG1, MG2: 제1, 제2 모터/제너레이터
PG1,PG2: 제1, 제2 유성기어세트
S1,S2: 제1, 제2 선기어
PC1,PC2: 제1, 제2 유성캐리어
R1,R2: 제1, 제2 링기어

Claims (2)

  1. 엔진의 동력이 입력되는 입력축;
    더블 피니언 유성기어세트로서 상기 입력축상에 배치되어 제1 선기어와, 제1 링기어와, 제1 유성캐리어를 보유하는 제1 유성기어세트;
    싱글 피니언 유성기어세트로서 상기 입력축상에 배치되어 제2 선기어와, 상기 제1 링기어와 선택적으로 연결되는 제2 링기어와, 상기 제1 유성캐리어와 직접 연결됨과 동시에 출력기어와 연결되는 제2 유성캐리어를 보유하는 제2 유성기어세트;
    상기 제1 링기어와 제2 링기어 사이에 배치되는 제1 클러치;
    상기 제2 링기어와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제1 브레이크;
    상기 제1 선기어와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제2 브레이크;
    상기 제1 선기어와 연결되는 제1 모터/제네레이터;
    상기 제2 선기어와 연결되는 제2 모터/제네레이터;
    를 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 클러치와 제1, 제2 브레이크는
    전기차 모드 1에서 제1 브레이크가 작동하고,
    전기차 모드 2에서 제1 클러치와 제1 브레이크가 작동하며,
    하이브리드 모드 1에서 제1 브레이크가 작동하고,
    하이브리드 모드 2에서 제1 클러치가 작동하며,
    고정 기어단 모드에서 제1 클러치와 제2 브레이크가 작동하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
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