KR20110049402A

KR20110049402A - 하이브리드 차량의 파워트레인

Info

Publication number: KR20110049402A
Application number: KR1020090106405A
Authority: KR
Inventors: 김완수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-12
Also published as: KR101558599B1

Abstract

본 발명은 하나의 심슨타입 복합유성기어세트를 사용하는 간단한 구성으로 하이브리드 차량의 기본적인 운전모드인 전기차모드와, 하이브리드모드인 입력분기모드와 복합분기모드의 2모드를 선택적으로 구현할 수 있으며, 모터제너레이터가 선택적으로 동력 보조 또는 발전을 수행하며 엔진의 동력으로 일반 변속기의 변속단처럼 고정된 기어비로 운전되는 다수의 고정기어비모드의 구현이 가능하여, 보다 저렴한 비용으로 차량의 파워트레인을 구성하면서도 차량의 주행상황에 따른 고효율 운전이 가능하여, 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 한다.

심슨타입, 복합유성기어, 고정기어비, 오버드라이브, 언더드라이브

Description

하이브리드 차량의 파워트레인{Power Train for Hybrid Vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량의 파워트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입력분기모드와 복합분기모드를 선택적으로 구현할 수 있고, 다단의 고정기어비 변속단을 구비하는 하이브리드 차량의 파워트레인에 관한 기술이다.

엔진과 모터제너레이터 및 유성기어장치를 조합하여 구성된 하이브리드 변속기를 탑재한 하이브리드 차량은, 주로 출발 및 저속 구간에서 모터에 의해서만 구동하는 전기차 모드 주행을 하고, 이후 차량 속도가 증가하면 변속기를 EVT(Electrically Variable Transmission)로 작용하도록 하여 엔진의 동력과 모터의 동력을 보다 효율적으로 사용하도록 하는 동력분기모드로 주행하도록 할 수 있으며, 차량의 동력 성능을 보다 우수하게 하도록 하기 위하여 기존 변속기처럼 고정단 기어비를 사용하도록 할 수 있다. 이러한 개념을 기반으로 하는 시스템은 아이들 스탑 기능과 회생제동의 극대화 구현 및 차량의 연비, 동력성능을 개선하도록 하고 있다.

또한, 하이브리드 차량은 모터제너레이터만으로 구동되는 동안에는 엔진에 의한 배기가스가 발생할 여지가 없고 엔진을 최적의 연비점에서 구동할 수 있기 때문에 연비 개선과 배기가스 저감의 장점을 가진 친환경적인 자동차 기술로 인정받고 있다.

상기와 같은 하이브리드 차량의 변속기는 보다 간단한 구성으로 다양한 운전모드를 구현할 수 있도록 하여, 차량의 주행 상황에 따라 그 운전모드를 변경하도록 함으로써, 보다 효율적인 운행으로 차량의 연비를 개선하고, 가속성능을 향상시키는 등 차량 주행성능의 향상을 가져오도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 간단한 구성으로 하이브리드 차량의 기본적인 운전모드인 전기차모드와, 하이브리드모드인 입력분기모드와 복합분기모드의 2모드를 선택적으로 구현할 수 있으며, 모터제너레이터가 선택적으로 동력 보조 또는 발전을 수행하며 엔진의 동력으로 일반 변속기의 변속단처럼 고정된 기어비로 운전되는 다수의 고정기어비모드의 구현이 가능하여, 보다 저렴한 비용으로 차량의 파워트레인을 구성하면서도 차량의 주행상황에 따른 고효율 운전이 가능하여, 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.

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

독립적인 회전이 가능한 적어도 4개의 회전요소들을 구비한 유성기어세트와;

상기 회전요소들 중 하나에 연결된 출력요소와;

상기 출력요소가 연결되지 않은 나머지 회전요소들 중 하나에 연결된 제1모터제너레이터와;

상기 출력요소와 제1모터제너레이터가 연결되지 않은 나머지 회전요소들 중 하나에 연결된 엔진과;

상기 출력요소와 제1모터제너레이터 및 엔진과 연결되지 않은 나머지 한 회전요소와 상기 출력요소가 연결된 회전요소 사이에 직렬로 연결된 제1클러치 및 제2클러치와;

상기 제1클러치와 제2클러치 사이의 연결부위에 연결되는 제2모터제너레이터와;

상기 제1모터제너레이터가 연결된 회전요소의 회전을 제한할 수 있도록 구비된 제1브레이크와;

상기 제1클러치와 제2클러치 사이의 연결부위에 연결되는 제2브레이크;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인은

선기어를 공유하고 제1캐리어와 제2링기어가 직결된 심슨타입 복합유성기어세트와;

상기 복합유성기어세트의 서로 다른 회전요소에 각각 연결되는 엔진과 제1모터제너레이터 및 출력요소와;

상기 엔진과 제1모터제너레이터 및 출력요소에 연결되지 않은 나머지 회전요소 또는 상기 출력요소와 선택적으로 연결될 수 있도록 구비된 제2모터제너레이터;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명 실시예는 독립적인 회전이 가능한 적어도 4개의 회전요소들을 구비한 유성기어세트(PG)와; 상기 회전요소들 중 하나에 연결된 출력요소(O/P)와; 상기 출력요소가 연결되지 않은 나머지 회전요소들 중 하나에 연결된 제1모터제너레이터(MG1)와; 상기 출력요소와 제1모터제너레이터가 연결되지 않은 나머지 회전요소들 중 하나에 연결된 엔진(E/G)과; 상기 출력요소와 제1모터제너레이터 및 엔진과 연결되지 않은 나머지 한 회전요소와 상기 출력요소가 연결된 회전요소 사이에 직렬로 연결된 제1클러치(CL1) 및 제2클러치(CL2)와; 상기 제1클러치와 제2클러치 사이의 연결부위에 연결되는 제2모터제너레이터(MG2)와; 상기 제1모터제너레이터가 연결된 회전요소의 회전을 제한할 수 있도록 구비된 제1브레이크(BK1)와; 상기 제1클러치와 제2클러치 사이의 연결부위에 연결되는 제2브레이크(BK2)를 포함하여 구성된다.

상기 엔진(E/G)이 연결되는 회전요소와 상기 제1모터제너레이터(MG1)가 연결되는 회전요소 사이에는 상호간의 회전을 단속할 수 있도록 제3클러치(CL3)가 더 구비되고, 상기 엔진(E/G)과 상기 엔진이 연결되는 회전요소 사이에는 제0클러치(CL0)가 더 구비되어 있다.

상기 유성기어세트(PG)는 선기어를 공통으로 하고 제1캐리어(C1)와 제1링기어(R1)를 포함하여 이루어진 제1부유성기어세트(PG1)와 제2캐리어(C2)와 제2링기어(R2)를 포함하여 이루어진 제2부유성기어세트(PG2)로 이루어지고, 상기 제1캐리어(C1)와 제2링기어(R2)는 서로 직결된 구조로서, 실질적으로는 후술하는 바와 같이 하나의 심슨(Simpson)타입 복합유성기어세트를 이룬다.

상기 엔진(E/G)은 상기 제0클러치(CL0)를 경유하여 상기 제1캐리어(C1)와 제2링기어(R2)에 연결되고, 상기 제1모터제너레이터(MG1)는 상기 선기어(S)에 직결되며, 상기 제1클러치(CL1)는 상기 제1링기어(R1)와 상기 제2모터제너레이터(MG2) 사이를 단속하도록 설치되고, 상기 제2클러치(CL2)는 상기 제2캐리어(C2)와 상기 제2모터제너레이터(MG2) 사이를 단속하도록 설치되며, 상기 출력요소(O/P)는 상기 제2캐리어(C2)에 연결되고, 상기 제1브레이크(BK1)는 상기 선기어(S)에 연결된 구조이다.

상기 실시예는 다음과 같이 표현할 수도 있는 바, 도 1의 실시예는 선기어(S)를 공유하고 제1캐리어(C1)와 제2링기어(R2)가 직결된 심슨타입 복합유성기어세트(PG)와; 상기 복합유성기어세트의 서로 다른 회전요소에 각각 연결되는 엔진(E/G)과 제1모터제너레이터(MG1) 및 출력요소(O/P)와; 상기 엔진과 제1모터제너레이터 및 출력요소에 연결되지 않은 나머지 회전요소 또는 상기 출력요소와 선택적으로 연결될 수 있도록 구비된 제2모터제너레이터(MG2)를 포함하여 구성된다.

상기 엔진(E/G)은 상기 서로 직결된 제1캐리어(C1)와 제2링기어(R2)에 제0클러치(CL0)를 통해 연결되고, 상기 제1모터제너레이터(MG1)는 상기 선기어(S)에 직결되며, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 제1클러치(CL1)로 제1링기어(R1)에 연결됨 과 아울러 제2클러치(CL2)로 상기 제2캐리어(C2)에 연결되고, 상기 제1캐리어(C1)와 상기 선기어(S) 사이는 제3클러치(CL3)로 연결되는 것이다.

또한, 상기 선기어(S)에는 선기어의 회전을 구속할 수 있도록 제1브레이크(BK1)가 연결되고, 상기 제2모터제너레이터(MG2)와 상기 제1클러치(CL1) 및 제2클러치(CL2)가 공통으로 연결된 부위에는 제2브레이크(BK2)가 연결된 구조이다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명 실시예의 각 모드별 작동을 도 2 내지 도 8을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 3은 전기차모드인 EV모드를 표현한 것으로서, 상기 제1브레이크(BK1)와 제1클러치(CL1)를 체결하여 구현한다.

상기 제1브레이크에 의해 상기 선기어가 고정되고, 상기 제2모터제너레이터의 구동력은 상기 제1클러치를 통해 제1링기어로 공급되어 감속된 후 상기 제2캐리어와 출력요소를 통해 인출되는 상태이다.

이 상태에서 엔진의 시동이 필요한 경우에는 상기 제0클러치를 체결하여 엔진의 회전수를 상승시키면서 엔진의 시동을 도모하게 된다.

도 4는 동력분기모드인 입력분기모드로서, 상기 제0클러치(CL0)와 제2클러치(CL2)가 체결되어, 상기 엔진의 동력은 상기 제0클러치를 통해 상기 제1캐리 어와 제2링기어로 공급되고, 제1모터제너레이터의 동력은 상기 선기어로 직접 제공되며, 상기 제2모터제너레이터의 동력은 상기 제2클러치를 통해 상기 제2캐리어로 공급된다.

여기서, 상기 제2모터제너레이터는 상기 제2클러치를 통해 상기 제2캐리어에 직결된 출력요소에 직접 연결되므로 입력분기모드를 이루는 것이다.

도 5는 동력분기모드 중 복합분기모드의 상태로서, 상기 제0클러치(CL0)와 제1클러치(CL1)를 체결하여 구현한다.

즉, 상기 제0클러치를 통해 상기 엔진의 동력이 상기 제1캐리어와 제2링기어에 공급되며, 상기 제1모터제너레이터의 동력은 상기 선기어로 직접 제공되고, 상기 제2모터제너레이터로부터의 동력은 상기 제1클러치를 통하여 상기 제1링기어로 공급되는 상태인 것이다.

여기서, 상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 입력요소인 엔진과 직접 연결되거나 출력요소와 직접 연결되지 않으므로 복합분기모드를 구현하는 바, 상기 입력분기모드와 함께 하이브리드 2모드를 이루므로, 각 변속비 영역에서 보다 효율이 높은 모드를 선택하여 사용함으로써, 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.

도 6은 고정기어비모드 중 언더드라이브 모드인 U/D모드로서, 상기 제1브레이크(BK1)와 제0클러치(CL0) 및 제2클러치(CL2)를 체결하여 구현한다.

상기 제1브레이크에 의해 상기 선기어가 고정되고, 상기 엔진의 동력은 상기 제0클러치를 통해 상기 제1캐리어와 제2링기어에 직접 공급되며, 이와 같이 공급된 엔진의 동력은 감속되어 상기 제2캐리어를 통해 출력요소로 인출된다.

이때, 상기 제2모터제너레이터는 제2클러치를 통해 출력요소에 동력을 보조하거나 잉여의 동력으로 발전을 수행할 수 있다.

도 7은 1:1의 고정기어비모드를 도시한 것으로서, 상기 제0클러치(CL0)와 제3클러치(CL3)를 체결하여 구현한다.

즉, 상기 제3클러치를 체결하여, 상기 선기어와 상기 제1캐리어 및 제2링기어를 일체화시킴으로써, 결과적으로 상기 심슨타입 복합유성기어세트 전체를 일체로 회전되도록 한 상태에서, 상기 엔진의 동력을 상기 제0클러치를 통해 전달함으로써, 상기 엔진의 동력이 그대로 상기 출력요소로 인출되도록 한 것이다.

이때, 상기 선기어에 직결되어 있는 상기 제1모터제너레이터는 상기 엔진의 동력을 보조하거나 잉여의 동력으로 발전을 수행할 수 있다.

도 8은 고정기어비모드 중의 오버드라이브 모드인 O/D모드를 도시한 것으로서, 상기 제2브레이크(BK2)와 제0클러치(CL0) 및 제1클러치(CL1)를 체결하여 구현한다.

상기 제2브레이크와 상기 제1클러치가 체결되므로 상기 제1링기어가 고정되고, 상기 제0클러치를 통해 상기 제1캐리어와 제2링기어로 공급된 엔진의 동력은 증속되어 상기 제2캐리어를 통해 상기 출력요소로 인출되는 상태이다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인을 도시한 도면,

도 2는 도 1의 파워트레인의 작동모드를 도시한 작동모드표,

도 3은 도 1의 파워트레인의 EV모드를 설명한 도면,

도 4는 도 1의 파워트레인의 입력분기모드를 설명한 도면,

도 5는 도 1의 파워트레인의 복합분기모드를 설명한 도면,

도 6은 도 1의 파워트레인의 U/D모드를 설명한 도면,

도 7은 도 1의 파워트레인의 1:1 고정기어비모드를 설명한 도면,

도 8은 도 1의 파워트레인의 O/D모드를 설명한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

PG; 심슨타입 복합유성기어세트

MG1; 제1모터제너레이터 MG2; 제2모터제너레이터

E/G; 엔진 O/P; 출력요소

CL0; 제0클러치 CL1; 제1클러치

CL2; 제2클러치 CL3; 제3클러치

BK1; 제1브레이크 BK2; 제2브레이크

Claims

독립적인 회전이 가능한 적어도 4개의 회전요소들을 구비한 유성기어세트와;

상기 회전요소들 중 하나에 연결된 출력요소와;

상기 출력요소가 연결되지 않은 나머지 회전요소들 중 하나에 연결된 제1모터제너레이터와;

상기 출력요소와 제1모터제너레이터가 연결되지 않은 나머지 회전요소들 중 하나에 연결된 엔진과;

상기 출력요소와 제1모터제너레이터 및 엔진과 연결되지 않은 나머지 한 회전요소와 상기 출력요소가 연결된 회전요소 사이에 직렬로 연결된 제1클러치 및 제2클러치와;

상기 제1클러치와 제2클러치 사이의 연결부위에 연결되는 제2모터제너레이터와;

상기 제1모터제너레이터가 연결된 회전요소의 회전을 제한할 수 있도록 구비된 제1브레이크와;

상기 제1클러치와 제2클러치 사이의 연결부위에 연결되는 제2브레이크;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
청구항 1에 있어서,

상기 엔진이 연결되는 회전요소와 상기 제1모터제너레이터가 연결되는 회전요소 사이에는 상호간의 회전을 단속할 수 있도록 제3클러치가 더 구비되고;

상기 엔진과 상기 엔진이 연결되는 회전요소 사이에는 제0클러치가 더 구비된 것

을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
청구항 2에 있어서,

상기 유성기어세트는 선기어를 공통으로 하고 제1캐리어와 제1링기어를 포함하여 이루어진 제1부유성기어세트와 제2캐리어와 제2링기어를 포함하여 이루어진 제2부유성기어세트로 이루어지고;

상기 제1캐리어와 제2링기어는 서로 직결된 것

을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
청구항 3에 있어서,

상기 엔진은 상기 제0클러치를 경유하여 상기 제1캐리어와 제2링기어에 연결되고;

상기 제1모터제너레이터는 상기 선기어에 직결되며;

상기 제1클러치는 상기 제1링기어와 상기 제2모터제너레이터 사이를 단속하도록 설치되고;

상기 제2클러치는 상기 제2캐리어와 상기 제2모터네저레이터 사이를 단속하 도록 설치되며;

상기 출력요소는 상기 제2캐리어에 연결되고;

상기 제1브레이크는 상기 선기어에 연결된 것

을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
선기어를 공유하고 제1캐리어와 제2링기어가 직결된 심슨타입 복합유성기어세트와;

상기 복합유성기어세트의 서로 다른 회전요소에 각각 연결되는 엔진과 제1모터제너레이터 및 출력요소와;

상기 엔진과 제1모터제너레이터 및 출력요소에 연결되지 않은 나머지 회전요소 또는 상기 출력요소와 선택적으로 연결될 수 있도록 구비된 제2모터제너레이터;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
청구항 5에 있어서,

상기 엔진은 상기 서로 직결된 제1캐리어와 제2링기어에 제0클러치를 통해 연결되고;

상기 제1모터제너레이터는 상기 선기어에 직결되며;

상기 제2모터제너레이터는 제1클러치로 제1링기어에 연결됨과 아울러 제2클 러치로 상기 제2캐리어에 연결되고;

상기 제1캐리어와 상기 선기어 사이는 제3클러치로 연결되는 것

을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
청구항 6에 있어서,

상기 선기어에는 선기어의 회전을 구속할 수 있도록 제1브레이크가 연결되고;

상기 제2모터제너레이터와 상기 제1클러치 및 제2클러치가 공통으로 연결된 부위에는 제2브레이크가 연결된 것

을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.