KR101428079B1

KR101428079B1 - 차량의 하이브리드 구동장치

Info

Publication number: KR101428079B1
Application number: KR1020080063804A
Authority: KR
Inventors: 송성재; 이경신
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2014-08-07
Also published as: KR20100003805A

Abstract

본 발명은 적어도 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치에 엔진과 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터가 각각 연결되고 클러치 및 브레이크를 구비한 차량의 하이브리드 구동장치를 제공하여, 종래 입력분기식 하이브리드 구동장치의 단점을 극복하고, 차량의 고속주행 상태에서 연비성능을 향상시킬 수 있으며, 차량의 발진 가속성능 및 등판성능을 아울러 향상시킬 수 있도록 한다.

하이브리드, 유단기어모드, 모터제너레이터

Description

차량의 하이브리드 구동장치{Hybrid Power Train of Vehicle}

본 발명은 차량의 하이브리드 구동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진과 두 개의 모터제너레이터로부터의 동력을 조합하여 차량의 구동륜으로 전달할 수 있도록 된 하이브리드 구동장치에 관한 기술이다.

유성기어세트와 모터제너레이터 2개를 사용하는 하이브리드 구동장치는 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.

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 가지고 있다.

상기와 같은 구조의 파워트레인은 출력축에 직결되지 않은 나머지 모터제너 레이터의 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.

즉, 변속비가 상기 미케니컬포인트를 넘어서 작아짐에 따라(차속이 증가함에 따라) 파워트레인의 효율이 급격히 저하되는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 종래 입력분기식 구조의 단점을 극복하여 고속에서 연비성능을 향상시킬 수 있으며, 차량의 발진 가속성능 및 등판성능을 아울러 향상시킬 수 있도록 한 차량의 하이브리드 구동장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명 차량의 하이브리드 구동장치는

적어도 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치와;

상기 유성기어장치의 서로 다른 두 회전요소에 각각 연결된 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와;

상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터가 연결된 회전요소들 이외의 두 회전요소에 각각 독립적으로 회전구속상태가 가변될 수 있도록 연결된 엔진과;

상기 엔진에 연결되는 상기 유성기어장치의 회전요소들 중 한 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제1브레이크와;

상기 제1모터제너레이터에 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제2브레이크와;

상기 제2모터제너레이터에 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소에 연결되는 출력축;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 유성기어장치는 래비뉴타입 유성기어장치이고;

상기 엔진은 상기 유성기어장치의 제2선기어에 제1클러치를 통해 연결되며;

상기 유성기어장치의 캐리어는 상기 엔진에 제2클러치를 통해 연결되고;

상기 제1브레이크는 상기 유성기어장치의 캐리어에 연결된 구조로 할 수 있다.

상기 제1모터제너레이터는 상기 유성기어장치의 제1선기어에 연결되고;

상기 제2모터제너레이터는 상기 유성기어장치의 제1링기어에 연결되며;

상기 제1링기어는 출력축에 연결된 구조로 할 수 있다.

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본 발명은 종래 입력분기식 하이브리드 구동장치의 단점을 극복하여, 차량의 고속주행 상태에서 연비성능을 향상시킬 수 있으며, 차량의 발진 가속성능 및 등판 성능을 아울러 향상시킬 수 있도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명 실시예는 적어도 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치(1)와; 상기 유성기어장치(1)의 서로 다른 두 회전요소에 각각 연결된 제1모터제너레이터(3) 및 제2모터제너레이터(5)와; 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(5)가 연결된 회전요소들 이외의 두 회전요소에 각각 독립적으로 회전구속상태가 가변될 수 있도록 연결된 엔진(7)과; 상기 엔진(7)에 연결되는 상기 유성기어장치(1)의 회전요소들 중 한 회전요소를 고정부재(9)에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제1브레이크(11)와; 상기 제1모터제너레이터(3)에 연결된 상기 유성기어장치(1)의 회전요소를 고정부재(9)에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제2브레이크(13)와; 상기 제2모터제너레이터(5)에 연결된 상기 유성기어장치(1)의 회전요소에 연결되는 출력축(15)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 고정부재(9)는 변속기케이스 등이 될 수 있다.

상기 유성기어장치(1)는 래비뉴타입(Ravigneaux type) 유성기어장치(1)이고, 상기 엔진(7)은 상기 유성기어장치(1)의 제2선기어에 제1클러치(17)를 통해 연결되며, 상기 유성기어장치(1)의 캐리어는 상기 엔진(7)에 제2클러치(19)를 통해 연결되고, 상기 제1브레이크(11)는 상기 유성기어장치(1)의 캐리어에 연결된다.

상기 제1모터제너레이터(3)는 상기 유성기어장치(1)의 제1선기어에 연결되고, 상기 제2모터제너레이터(5)는 상기 유성기어장치(1)의 제1링기어에 연결되며, 상기 제1링기어는 출력축(15)에 연결된다.

상기 유성기어장치(1)는 레버해석도상에서, 상기 제1모터제너레이터(3)에 연결된 회전요소와 상기 제1브레이크(11)에 연결된 회전요소 및 상기 제2모터제너레이터(5)에 연결된 회전요소의 순서로 직선상에 배치되고, 상기 엔진(7)에 연결되는 두 회전요소는 상기 직선상에서 상기 제2모터제너레이터(5)를 사이에 두고 양쪽에 각각 배치된다.

또한, 상기 유성기어장치(1)는 상기 레버해석도상에서, 상기 제1클러치(17) 또는 상기 제2클러치(19)가 체결되면 상기 엔진(7)은 상기 직선상에서 상기 제2모터제너레이터(5)에 연결된 회전요소를 사이에 두고 양쪽에 각각 위치되는 상태가 되지만, 상기 제1클러치(17) 및 제2클러치(19)가 모두 체결되면 상기 엔진(7)은 상기 제2모터제너레이터(5)에 연결된 회전요소와 동일한 위치에 배치된다.

물론, 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(5)는 도시되지 않은 인버터를 통해 배터리(21)와 연결되어 있어서, 전기적인 에너지를 수수할 수 있도록 되어 있으며, 상기 출력축(15)은 도시된 바와 같이 차량의 구동륜으로 연결된다.

이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여, 본 발명 차량의 하이브리드 구동장치의 각 주행모드별 작동상태를 살펴본다.

도 3은 전기차모드인 EV모드를 설명한 것으로서, 상기 제2클러치(19)를 체결하고 상기 제1클러치(17)와 제1브레이크(11) 및 제2브레이크(13)는 모두 해제된 상태이다.

상기 제2모터제너레이터(5)에서 제공되는 동력은 그대로 제1링기어 및 출력축(15)을 통해 구동륜으로 전달되고, 이때 엔진(7)은 정지상태이므로 상기 제1모터제너레이터(3)는 무부하 회전하는 상태이다.

상기 제2모터제너레이터(5)가 출력축(15)에 직결된 형태이므로 유성기어장치(1)의 전달효율과 무관하게 기계적 손실을 최소화한 상태로 차량의 전기차모드 구현이 가능하다.

도 4는 하이브리드모드인 HEV모드를 설명한 것으로서, 상기 제2클러치(19)가 체결되고, 상기 제1클러치(17)와 제1브레이크(11) 및 제2브레이크(13)가 모두 해제된 상태인 것은 상기 전기차모드와 동일하다.

다만, 상기 제1모터제너레이터(3)를 제어하여 상기 캐리어에 상기 제2클러치(19)로 연결된 엔진(7)의 속도를 시동이 가능한 속도로 조작하여 상기 엔진(7)을 시동시킴으로써, 상기 엔진(7)으로부터의 동력도 상기 제2모터제너레이터(5)로부터의 동력과 함께 인출되어 상기 출력축(15)을 통해 구동륜으로 공급되어 하이브리드모드가 구현되는 것이다.

이 상태에서도 상기 엔진(7)이 최적 운전점에서 운전될 수 있도록 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(5)를 제어할 수 있는 바, 좌측의 도면은 상기 제1모터제너레이터(3)가 발전한 전기를 제2모터제너레이터(5)로 전달하여, 상기 제2모터제너레이터(5)가 기계적인 동력을 발생함으로써, 상기 엔진(7)으로부터의 출력과 함께 상기 출력축(15)을 통해 구동륜으로 인출되는 상황을 예시하고 있 는 것이다.

이 모드는 상기 제2모터제너레이터(5)가 상기 출력축(15)과 직결되어 있는 동력분기식 구조이기 때문에 EV모드 운전 후 저속구간에서 고효율로 차량의 운행이 가능하도록 한다.

도 5는 본 발명의 구동장치에서 구현할 수 있는 고정1단모드를 설명한 것으로서, 상기 HEV모드 운전 중 일정 속도 이상이 되었을 경우에 상기 제1모터제너레이터(3)의 속도를 조절하여 상기 캐리어의 속도를 0으로 제어하고, 상기 제1브레이크(11)를 체결하고 상기 제2클러치(19)를 해제하며, 상기 제1클러치(17)를 연결하여 진입한다.

상기 제1클러치(17)를 해제하고 제2클러치(19)를 체결함으로써, 상기 캐리어가 엔진(7)과 일체로 회전하다가 상기 제2선기어가 상기 엔진(7)과 일체로 회전하게 되며, 상기 캐리어는 상기 제1브레이크(11)에 의해 고정된 상태가 됨으로써, 상기 유성기어장치(1)는 상기 엔진(7)으로부터의 출력을 감속하여 상기 제1링기어 및 출력축(15)으로 인출하는 상태가 된다.

이때, 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(5)는 무부하 회전을 하고 있는 상태로서, 본 발명 구동장치는 전체적으로 종래의 일반적인 자동변속기와 마찬가지로 상기 유성기어장치(1)가 제공하는 일정한 변속비로 엔진(7)의 동력을 감속하여 출력축(15)으로 제공하는 상태가 된다.

따라서, 전기적인 동력의 흐름과 전기에너지와 기계에너지 사이의 변환이 수 반되지 않으므로, 손실을 최소화하여 큰 구동력을 요구하는 상황에서 효율적인 동력특성을 제공할 수 있게 된다.

도 6은 고정2단모드를 설명한 것으로서, 상기 HEV모드 운전 중 차량이 일정 속도 이상이 되었을 경우에, 상기 제1모터제너레이터(3)의 속도를 0으로 제어한 후 상기 제2브레이크(13)를 체결하고 상기 제2클러치(19)를 해제하고 상기 제1클러치(17)는 연결하여 진입한다.

상기 제2클러치(19)를 해제하고 제1클러치(17)를 체결함에 따라 상기 엔진(7)은 상기 제2선기어와 일체로 회전되고, 상기 제2브레이크(13)가 체결됨에 따라 상기 제1선기어는 고정되므로, 상기 제2선기어로 공급된 엔진(7)의 동력은 감속되어 상기 제1링기어를 통해 상기 출력축(15)으로 인출되는 상태가 된다.

이때에는 상기 제1모터제너레이터(3)가 상기 제1선기어와 함께 상기 제2브레이크(13)에 의해 고정된 상태이므로, 본 구동장치는 제1모터제너레이터(3)의 공회전에 소요되는 동력이 불필요한 미케니컬포인트(mechanical point)를 형성하면서, 손실을 최소화한 상태로 일정한 변속비를 출력하는 유단 변속기처럼 상기 엔진(7)으로부터의 동력을 감속하여 상기 출력축(15)으로 제공하게 된다.

물론, 이때 상기 제2모터제너레이터(5)는 상기 제1링기어와 함께 무부하 회전을 하는 상태이다.

도 7은 고정3단모드를 도시한 것으로서, 상기 HEV모드 운전 중 일정 속도 이 상이 되었을 때, 상기 제1모터제너레이터(3)의 속도를 제어하여 상기 캐리어의 속도를 0이 되도록 제어한 후, 상기 제1클러치(17)를 체결하여 진입한다.

상기 제1클러치(17)와 제2클러치(19)가 모두 체결된 상태로서, 상기 유성기어장치(1)는 래비뉴 타입이므로 상기 제2선기어와 캐리어가 일체가 됨으로써, 상기 제1링기어까지 일체로 회전되는 상태가 되고, 상기 제1선기어만 다른 속도를 가질 수 있는 상태가 된다.

따라서, 상기 엔진(7)과 제2선기어, 캐리어, 제1링기어, 제2모터제너레이터(5)는 모두 일체가 되어 상기 출력축(15)과 직결된 상태를 가지므로, 결국 상기 엔진(7)의 출력은 그대로 상기 출력축(15)으로 인출되는 상태가 됨으로써, 1:1의 변속비를 구현하게 된다.

이때, 상기 제1선기어에 연결되어 있는 상기 제1모터제너레이터(3)는 무부하 회전을 하는 상태로서, 이 상태에서 본 구동장치는 엔진(7)의 출력을 그대로 출력축(15)을 통해 구동륜으로 전달하는 가장 단순한 동력 전달상태를 가지며, 역시 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(5)가 전기적 동력 흐름을 발생시키지 않으므로 손실 저감에 따른 전체적인 효율향상을 가져올 수 있다.

참고로, 레버해석도에서는 처음 이 모드에 진입할 때, 클러치의 속도를 0으로 설정한 상태를 그대로 표시하고 있어서 상기 제1모터제너레이터(3)의 회전방향이 엔진(7)과 반대방향으로 표현되고 있으나, 상기 제1모터제너레이터(3)의 자체적인 관성저항 이외에 별다른 구속조건이 없으므로, 상기 제1모터제너레이터(3)와 상기 클러치의 회전속도와 방향은 도시되어 있는 레버해석도와 달라질 것이다.

도 8은 고정4단모드를 표현한 것으로서, 상기 고정3단모드로 운전 중 상기 무부하 회전을 하고 있는 상기 제1선기어를 상기 제2브레이크(13)로 고정하고 상기 제1클러치(17)를 해제함으로써 진입한다.

상기 엔진(7)으로부터의 동력은 상기 캐리어로 유입되어 상기 제1링기어를 통해 출력축(15)으로 인출되는 바, 상기 제1선기어가 상기 제2브레이크(13)에 의해 고정되어 있으므로, 상기 엔진(7)으로부터의 출력은 증속되어 오버드라이브 구동상태를 형성하며, 그 변속비는 상기 유성기어장치(1)의 기어 잇수에 의해 결정되어 있는 고정된 변속비를 가지게 된다.

이 상태 역시 상기 제1모터제너레이터(3)는 고정된 상태이고, 상기 제2모터제너레이터(5)는 무부하 회전을 하고 있는 상태로서, 전기적 에너지의 흐름이나 변환이 수반되지 않아 손실이 저감된 효율적인 구동상태를 제공하여 차량의 고속에서의 연비성능을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 구동장치를 도시한 도면,

도 2는 도 1의 구동장치의 각 모드별 클러치 및 브레이크의 작동 상태표,

도 3은 도 1의 구동장치의 EV모드를 설명한 도면,

도 4는 도 1의 구동장치의 HEV모드를 설명한 도면,

도 5는 도 1의 구동장치의 고정1단모드를 설명한 도면,

도 6은 도 1의 구동장치의 고정2단모드를 설명한 도면,

도 7은 도 1의 구동장치의 고정3단모드를 설명한 도면,

도 8은 도 1의 구동장치의 고정4단모드를 설명한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1; 유성기어장치 3; 제1모터제너레이터

5; 제2모터제너레이터 7; 엔진

9; 고정부재 11; 제1브레이크

13; 제2브레이크 15; 출력축

17; 제1클러치 19; 제2클러치

21; 배터리

Claims

적어도 4개의 회전요소(S1, S2, C, R1)를 구비한 유성기어장치(1)와;

상기 유성기어장치(1)의 서로 다른 두 회전요소(S1, R1)에 각각 연결된 제1모터제너레이터(3) 및 제2모터제너레이터(5)와;

상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(5)가 연결된 회전요소들(S1, R1) 이외의 두 회전요소(S2, C)에 각각 독립적으로 회전구속상태가 가변될 수 있도록 연결된 엔진(7)과;

상기 엔진(7)에 연결되는 상기 유성기어장치(1)의 회전요소들(S1, S2, C, R1) 중 한 회전요소(C)의 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제1브레이크(11)와;

상기 제1모터제너레이터(3)에 연결된 상기 유성기어장치(1)의 회전요소(S1)의 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제2브레이크(13)와;

상기 제2모터제너레이터(5)에 연결된 상기 유성기어장치(1)의 회전요소(R1)에 연결되는 출력축(15)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 유성기어장치(1)는 래비뉴타입 유성기어장치이고;

상기 엔진(7)은 상기 유성기어장치(1)의 제2선기어(S2)에 제1클러치(17)를 통해 연결되며;

상기 유성기어장치(1)의 캐리어(C)는 상기 엔진(7)에 제2클러치(19)를 통해 연결되고;

상기 제1브레이크(11)는 상기 유성기어장치(1)의 캐리어(C)에 연결된 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
청구항 2에 있어서,

상기 제1모터제너레이터(3)는 상기 유성기어장치(1)의 제1선기어(S1)에 연결되고;

상기 제2모터제너레이터(5)는 상기 유성기어장치(1)의 제1링기어(R1)에 연결되며;

상기 제1링기어(R1)는 출력축(15)에 연결된 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
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