KR20230072054A - 차량의 하이브리드 파워트레인 - Google Patents

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shaft
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최영일
양호림
서범주
권혁준
이승욱
김석준
김달철
최월선
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 엔진과 상시 연결되도록 설치된 제1모터; 상기 엔진과 선택적으로 연결될 수 있으며, 상기 제1모터와 동심축을 이루어 배치된 제2모터; 상기 제2모터에 상시 연결되도록 설치된 출력축; 상기 제2모터를 상기 엔진에 선택적으로 연결시킴과 아울러 상기 제1모터를 상기 출력축에 선택적으로 연결시킬 수 있도록 구비된 동기치합기구를 포함하여 구성된다.

Description

차량의 하이브리드 파워트레인{HYBRID POWER TRAIN FOR VEHICLE}
본 발명은 차량의 하이브리드 파워트레인의 구조에 관한 기술이다.
차량의 하이브리드 파워트레인은 내연기관인 엔진과 전기 구동장치인 모터의 동력을 적절히 조합하여 차량의 구동력을 제공할 수 있도록 구성된다.
차량에 탑재되는 엔진과 모터의 크기와 그 연결 및 배치 구조는 차량의 구동 효율 및 운전성에 매우 큰 영향을 준다.
상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 1020150070488 A
본 발명은 시리즈 모드를 구현할 수 있는 장점을 유지하면서도, 습식 클러치를 배제하여, 클러치 드래그를 최소화하고, 2단의 패러렐 모드를 구현하여 보다 넓은 속도 영역에서 패러렐 모드의 활용이 가능하여, 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 하는 차량의 하이브리드 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인은,
엔진과 상시 연결되도록 설치된 제1모터;
상기 엔진과 선택적으로 연결될 수 있으며, 상기 제1모터와 동심축을 이루어 배치된 제2모터;
상기 제2모터에 상시 연결되도록 설치된 출력축;
상기 제2모터를 상기 엔진에 선택적으로 연결시킴과 아울러 상기 제1모터를 상기 출력축에 선택적으로 연결시킬 수 있도록 구비된 동기치합기구;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 출력축은 상기 제1모터의 회전축과 제2모터의 회전축에 평행하게 배치되고;
상기 제1모터의 회전축과 상기 출력축 사이에는 제1외접기어쌍이 설치되며;
상기 제2모터의 회전축과 상기 출력축 사이에는 제2외접기어쌍이 설치되고;
상기 동기치합기구는 상기 제1모터의 회전축을 상기 제1외접기어쌍에 연결하거나, 상기 제1모터의 회전축을 상기 제2모터의 회전축과 연결할 수 있도록 설치될 수 있다.
상기 제1외접기어쌍은 감속 기어비를 형성하며;
상기 제2외접기어쌍은 증속 기어비를 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 제1외접기어쌍의 기어비는 상기 제2외접기어쌍의 기어비보다 크게 설정될 수 있다.
상기 제1외접기어쌍은 상기 제1모터의 회전축에 회전 가능하게 설치된 제1구동기어와, 상기 출력축에 회전이 구속되게 설치된 제1피동기어로 이루어지고;
상기 동기치합기구는 상기 제1구동기어를 상기 제1모터의 회전축에 연결하거나 차단할 수 있도록 설치될 수 있다.
상기 제2외접기어쌍은 상기 제2모터의 회전축에 회전이 구속되게 설치된 제2구동기어와, 상기 출력축에 회전이 구속되게 설치된 제2피동기어로 이루어지고;
상기 동기치합기구는 상기 제1모터의 회전축을 상기 제2구동기어에 연결하거나 차단할 수 있도록 설치될 수 있다.
상기 엔진은 상기 제1모터에 제3외접기어쌍을 통하여 연결될 수 있다.
상기 출력축에는 상기 출력축에 회전이 구속된 출력기어가 구비되고;
상기 출력기어에는 차동장치가 연결될 수 있다.
본 발명은 시리즈 모드를 구현할 수 있는 장점을 유지하면서도, 습식 클러치를 배제하여, 클러치 드래그를 최소화하고, 2단의 패러렐 모드를 구현하여 보다 넓은 속도 영역에서 패러렐 모드의 활용이 가능하여, 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 파워트레인의 구성도,
도 2는 도 1의 파워트레인의 작동모드표;
도 3은 도 1의 파워트레인이 EV모드를 구현하는 것을 설명한 도면,
도 4는 도 1의 파워트레인이 시리즈모드를 구현하는 것을 설명한 도면,
도 5는 도 1의 파워트레인이 제1패러렐모드를 구현하는 것을 설명한 도면,
도 6은 도 1의 파워트레인이 제2패러렐모드를 구현하는 것을 설명한 도면이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인의 실시예는, 엔진(E)과 상시 연결되도록 설치된 제1모터(MG1); 상기 엔진(E)과 선택적으로 연결될 수 있으며, 상기 제1모터(MG1)와 동심축을 이루어 배치된 제2모터(MG2); 상기 제2모터(MG2)에 상시 연결되도록 설치된 출력축(OUT); 상기 제2모터(MG2)를 상기 엔진(E)에 선택적으로 연결시킴과 아울러 상기 제1모터(MG1)를 상기 출력축(OUT)에 선택적으로 연결시킬 수 있도록 구비된 동기치합기구(SC)를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명은 상기 제1모터(MG1)는 엔진(E)과 상시 연결되어 발전기능을 수행함에 의해 시리즈 모드를 구현할 수 있도록 배치되고, 상기 제2모터(MG2)는 상기 엔진(E)과는 선택적으로 연결되고 상기 출력축(OUT)에 상시 연결되어, 상기 엔진(E)과 분리된 상태에서 EV모드의 구현이 가능하도록 구성되어 있으며, 이러한 모드 전환이 상기 동기치합기구(SC)에 의해 가능하도록 구성된 것이다.
상기 출력축(OUT)은 상기 제1모터(MG1)의 회전축과 제2모터(MG2)의 회전축에 평행하게 배치되고; 상기 제1모터(MG1)의 회전축과 상기 출력축(OUT) 사이에는 제1외접기어쌍(FG1)이 설치되며; 상기 제2모터(MG2)의 회전축과 상기 출력축(OUT) 사이에는 제2외접기어쌍(FG2)이 설치되고; 상기 동기치합기구(SC)는 상기 제1모터(MG1)의 회전축을 상기 제1외접기어쌍(FG1)에 연결하거나, 상기 제1모터(MG1)의 회전축을 상기 제2모터(MG2)의 회전축과 연결할 수 있도록 설치된다.
즉, 상기 제1모터(MG1)의 동력은 상기 동기치합기구(SC)가 상기 제1모터(MG1)의 회전축을 상기 제1외접기어쌍(FG1)에 연결하면, 상기 출력축(OUT)으로 전달될 수 있게 되며, 상기 동기치합기구(SC)가 상기 제1모터(MG1)의 회전축을 상기 제2모터(MG2)의 회전축에 연결하면, 상기 제2모터(MG2)의 동력에 상기 엔진(E) 및 제1모터(MG1)의 동력을 합하여 상기 출력축(OUT)으로 전달할 수 있도록 구성된 것이다.
본 실시예에서, 상기 제1외접기어쌍(FG1)은 감속 기어비를 형성하며, 상기 제2외접기어쌍(FG2)은 증속 기어비를 형성하도록 구성된다.
즉, 상기 제1외접기어쌍(FG1)의 기어비는 상기 제2외접기어쌍(FG2)의 기어비보다 크게 설정되는 것이다.
따라서, 상기 엔진(E) 및 제1모터(MG1)의 동력을 상기 제1외접기어쌍(FG1)을 통해 상기 출력축(OUT)으로 전달하여 구현되는 제1패러렐모드는 상대적으로 차량의 저속 구간에 적합하고, 상기 엔진(E) 및 제1모터(MG1)의 동력을 상기 제2모터(MG2)의 동력과 함께 상기 제2외접기어쌍(FG2)을 통해 상기 출력축(OUT)으로 전달하여 구현되는 제2패러렐모드는 상대적으로 차량의 고속 구간에 적합하여, 차량의 저속구간과 고속구간의 비교적 넓은 속도 범위에서 각각의 속도 범위에 보다 적합한 기어비로 각각 패러렐모드를 구현함으로써, 궁극적으로 차량의 연비를 향상시킬 수 있게 된다.
상기 제1외접기어쌍(FG1)은 상기 제1모터(MG1)의 회전축에 회전 가능하게 설치된 제1구동기어(DG1)와, 상기 출력축(OUT)에 회전이 구속되게 설치된 제1피동기어(PG1)로 이루어지고; 상기 동기치합기구(SC)는 상기 제1구동기어(DG1)를 상기 제1모터(MG1)의 회전축에 연결하거나 차단할 수 있도록 설치된다.
즉, 상기 동기치합기구(SC)의 허브(HB)는 상기 제1모터(MG1)의 회전축에 마련되고, 상기 제1구동기어(DG1)에는 클러치기어(CG)가 구비되어, 상기 허브(HB) 상에서 축방향을 따라 직선 슬라이딩하는 슬리브(SB)에 의해 상기 허브(HB)와 상기 제1구동기어(DG1)의 클러치기어(CG)가 연결되면, 상기 제1모터(MG1)의 회전축은, 상기 허브(HB)와 슬리브(SB) 및 제1구동기어(DG1)의 클러치기어(CG)를 통해 상기 제1구동기어(DG1)에 연결되는 것이다.
상기 제2외접기어쌍(FG2)은 상기 제2모터(MG2)의 회전축에 회전이 구속되게 설치된 제2구동기어(DG2)와, 상기 출력축(OUT)에 회전이 구속되게 설치된 제2피동기어(PG2)로 이루어지고; 상기 동기치합기구(SC)는 상기 제1모터(MG1)의 회전축을 상기 제2구동기어(DG2)에 연결하거나 차단할 수 있도록 설치된다.
즉, 상기 제2구동기어(DG2)에도 상기 제1모터(MG1)의 회전축에 설치된 허브(HB) 상에서 직선 슬라이딩하는 상기 슬리브(SB)에 결합되는 클러치기어(CG)가 구비되어, 상기 슬리브(SB)가 상기 제2구동기어(DG2)의 클러치기어(CG)에 치합되면, 상기 제1모터(MG1)축과 제2모터(MG2)축이 서로 연결되게 되는 것이다.
따라서, 상기 동기치합기구(SC)는 상기한 바와 같이 상기 제1모터(MG1)축에 설치된 허브(HB) 상에서 좌우로 직선슬라이딩 가능한 슬리브(SB)가 도면상 좌측으로 이동되면, 상기 제1모터(MG1)축을 상기 제1외접기어쌍(FG1)에 연결시키고, 도면상 우측으로 이동되면, 상기 제1모터(MG1)축을 상기 제2외접기어쌍(FG2)에 연결시키도록 구성된 것이다.
물론, 상기 슬리브(SB)의 직선 슬라이딩 운동은 쉬프트포크 등을 통해 연결된 별도의 액츄에이터에 의해 이루어지게 된다.
한편, 상기 엔진(E)은 상기 제1모터(MG1)에 제3외접기어쌍(FG3)을 통하여 연결된다. 상기 제3외접기어쌍(FG3)은, 상기 엔진(E)의 속도와 토크 용량 등을 고려하여 적절한 기어비를 가지도록 설치될 수 있을 것이다.
또한, 상기 출력축(OUT)에는 상기 출력축(OUT)에 회전이 구속된 출력기어(OG)가 구비되고; 상기 출력기어(OG)에는 차동장치(DF)가 연결된다.
따라서, 상기 제1외접기어쌍(FG1) 또는 제2외접기어쌍(FG2)을 통해 상기 출력축(OUT)으로 전달된 동력은 상기 출력기어(OG)를 통해 상기 차동장치(DF)로 공급되고, 상기 차동장치(DF)는 양쪽의 구동륜으로 동력을 배분할 수 있도록 하는 것이다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인은 도 2에 도시된 것과 같은 다양한 주행모드를 구현할 수 있다.
도 3은 도 1의 파워트레인이 도 2의 EV모드를 구현하는 상태를 설명한 것으로서, 상기 동기치합장치는 중립 상태를 유지하고, 상기 제2모터(MG2)만 구동되어, 상기 제2모터(MG2)의 동력이 상기 제2외접기어쌍(FG2)을 통해 상기 출력축(OUT)으로 인출되는 상태이다.
도 4는 도 1의 파워트레인이 도 2에 표시된 시리즈모드를 구현하는 상태를 설명한 것으로서, 엔진(E)은 상시 연결된 제1모터(MG1)를 구동하여, 상기 제1모터(MG1)에서 발전을 수행한다.
상기 제1모터(MG1)에서 발전된 전력은 상기 제2모터(MG2)를 구동하도록 공급되거나 배터리에 저장될 수 있다.
상기 제2모터(MG2)의 동력은 상기 제2외접기어쌍(FG2)을 통해 상기 출력축(OUT)으로 전달되어, 최종적으로는 상기 차동장치(DF)를 통해 양쪽의 구동륜으로 전달되게 된다.
도 5는 도 1의 파워트레인이 도 2에 표시된 제1패러렐모드를 구현하는 상태를 설명한 것으로서, 엔진(E)과 제1모터(MG1)의 동력 및 제2모터(MG2)의 동력이 모두 상기 출력축(OUT)을 통해 구동륜으로 전달되는 상태이다.
여기서, 상기 동기치합기구(SC)는 상기 제1모터(MG1)축을 상기 제1외접기어쌍(FG1)에 연결시키고 있어서, 상기 엔진(E) 및 제1모터(MG1)의 동력은 상기 제1외접기어쌍(FG1)을 통해 상기 출력축(OUT)으로 전달되고, 상기 제2모터(MG2)의 동력은 상기 제2외접기어쌍(FG2)을 통해 상기 출력축(OUT)으로 전달되는 상태이다.
도 6은 도 1의 파워트레인이 도 2에 표시된 제2패러렐모드를 구현하는 상태를 설명한 것으로서, 엔진(E)과 제1모터(MG1)의 동력 및 제2모터(MG2)의 동력이 모두 상기 제2외접기어쌍(FG2)을 통해 상기 출력축(OUT)으로 전달되는 상태이다.
즉, 상기 동기치합기구(SC)가 상기 제1모터(MG1)축을 상기 제2외접기어쌍(FG2)으로 연결함에 따라, 상기 엔진(E) 및 제1모터(MG1)의 동력이 상기 제2모터(MG2)의 동력과 함께 상기 제2외접기어쌍(FG2)을 통해 상기 출력축(OUT)으로 전달되게 되는 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
E; 엔진
MG1; 제1모터
MG2; 제2모터
OUT; 출력축
SC; 동기치합기구
FG1; 제1외접기어쌍
FG2; 제2외접기어쌍
FG3; 제3외접기어쌍
DG1; 제1구동기어
PG1; 제1피동기어
HB; 허브
CG; 클러치기어
SB; 슬리브
DG2; 제2구동기어
PG2; 제2피동기어
OG; 출력기어
DF; 차동장치

Claims (8)

  1. 엔진과 상시 연결되도록 설치된 제1모터;
    상기 엔진과 선택적으로 연결될 수 있으며, 상기 제1모터와 동심축을 이루어 배치된 제2모터;
    상기 제2모터에 상시 연결되도록 설치된 출력축;
    상기 제2모터를 상기 엔진에 선택적으로 연결시킴과 아울러 상기 제1모터를 상기 출력축에 선택적으로 연결시킬 수 있도록 구비된 동기치합기구;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 출력축은 상기 제1모터의 회전축과 제2모터의 회전축에 평행하게 배치되고;
    상기 제1모터의 회전축과 상기 출력축 사이에는 제1외접기어쌍이 설치되며;
    상기 제2모터의 회전축과 상기 출력축 사이에는 제2외접기어쌍이 설치되고;
    상기 동기치합기구는 상기 제1모터의 회전축을 상기 제1외접기어쌍에 연결하거나, 상기 제1모터의 회전축을 상기 제2모터의 회전축과 연결할 수 있도록 설치된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1외접기어쌍은 감속 기어비를 형성하며;
    상기 제2외접기어쌍은 증속 기어비를 형성하는 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1외접기어쌍의 기어비는 상기 제2외접기어쌍의 기어비보다 크게 설정되는 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1외접기어쌍은 상기 제1모터의 회전축에 회전 가능하게 설치된 제1구동기어와, 상기 출력축에 회전이 구속되게 설치된 제1피동기어로 이루어지고;
    상기 동기치합기구는 상기 제1구동기어를 상기 제1모터의 회전축에 연결하거나 차단할 수 있도록 설치된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2외접기어쌍은 상기 제2모터의 회전축에 회전이 구속되게 설치된 제2구동기어와, 상기 출력축에 회전이 구속되게 설치된 제2피동기어로 이루어지고;
    상기 동기치합기구는 상기 제1모터의 회전축을 상기 제2구동기어에 연결하거나 차단할 수 있도록 설치된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 엔진은 상기 제1모터에 제3외접기어쌍을 통하여 연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 출력축에는 상기 출력축에 회전이 구속된 출력기어가 구비되고;
    상기 출력기어에는 차동장치가 연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.


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