KR101126803B1

KR101126803B1 - 하이브리드 차량의 파워트레인

Info

Publication number: KR101126803B1
Application number: KR1020090064531A
Authority: KR
Inventors: 서강수; 양호림
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2012-03-23
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: KR20110006907A

Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인은, 싱글피니언 유성기어세트 2조와 클러치 2개 및 브레이크 2개 만을 이용하여 입력분기모드와 복합분기모드의 하이브리드모드를 구현할 수 있고, 더불어 상기 고정기어비모드를 2단에 걸쳐 구현할 수 있게 구성됨으로써, 컴팩트한 구성으로 차량의 공간확보에 유리하고 원가 절감에 기여할 수 있게 되며, 연속적인 변속비 구현이 가능하고, 상기 다양한 모드를 차량의 주행조건에 따라 적절히 전환함으로써, 차량의 연비를 개선할 수 있다.

유성기어세트, 변속, 연비, 고정기어비

Description

하이브리드 차량의 파워트레인{Power Train for Hybrid Vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량의 파워트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동륜에 구동력을 제공하는 동력원으로서 내연기관인 엔진과, 전기에 의해 구동되는 모터제너레이터를 사용하는 하이브리드 차량의 파워트레인 구조에 관한 기술이다.

엔진과 모터제너레이터를 사용하는 하이브리드 차량은, 저속에서는 상대적으로 저속토크특성이 우수한 모터제너레이터로부터의 동력을 구동력으로 이용하도록 하고, 고속에서는 상대적으로 고속토크특성이 우수한 엔진으로부터의 동력으로 차량이 구동되도록 하는 개념을 기반으로 하여 차량의 연비를 개선하도록 하고 있다.

또한, 하이브리드 차량은 모터제너레이터만으로 구동되는 동안에는 엔진에 의한 배기가스가 발생할 여지가 없어서, 연비 개선과 배기가스 저감의 장점을 가진 친환경적인 자동차 기술로 인정받고 있다.

상기와 같은 하이브리드 차량의 동력전달장치는 차량의 전 운전 영역에서 충 분한 구동력을 확보할 수 있도록 해야 함은 물론, 효율적인 운전으로 연비를 충분히 높게 확보할 수 있어야 할 필요가 있다.

본 발명은 동력분기방식에 의한 다중모드의 구현은 물론, 일반 변속기의 변속단처럼 고정된 기어비를 복수 개 제공하여, 차량의 주행상황에 따라 이들 다양한 주행모드에 의한 다중모드 운행이 가능하도록 함으로써, 차량의 전체 운전 영역에서 충분한 구동력을 확보함과 아울러 차량의 연비를 높게 확보할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.

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

입력축에 선택적으로 연결되는 회전요소와 출력요소에 연결되는 회전요소를 구비한 제1유성기어세트와;

상기 입력축과 상기 출력요소에 각각 연결되는 회전요소들을 구비한 제2유성기어세트와;

상기 입력축에 선택적으로 연결되는 상기 제1유성기어세트의 회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제1브레이크와;

상기 제1유성기어세트와 제2유성기어세트에 구동력을 제공할 수 있도록 연결되는 적어도 2개 이상의 동력원;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 다른 하이브리드 차량의 파워트레인은

엔진으로부터 동력을 입력 받는 입력축과;

동력을 인출하는 출력요소와;

동축상으로 배치된 제1유성기어세트 및 제2유성기어세트와;

상기 입력축과 연결되는 상기 제2유성기어세트의 회전요소와 상기 제1유성기어세트의 한 회전요소를 선택적으로 연결하는 제1클러치와;

상기 제2유성기어세트의 두 회전요소 사이를 선택적으로 연결하는 제2클러치;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인은 싱글피니언 유성기어세트 2조와 클러치 2개 및 브레이크 2개 만을 이용하여 입력분기모드와 복합분기모드의 하이브리드모드를 구현할 수 있고, 더불어 상기 고정기어비모드를 2단에 걸쳐 구현할 수 있게 구성됨으로써, 컴팩트한 구성으로 차량의 공간확보에 유리하고 원가 절감에 기여할 수 있게 되며, 연속적인 변속비 구현이 가능하고, 상기 다양한 모드를 차량의 주행조건에 따라 적절히 전환함으로써, 차량의 연비를 개선할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같은 시스템의 성능 향상에 따라 동일조건 대비 모터제너레이터에서 요구되는 성능을 낮출 수 있어서, 차량의 원가 절감에 기여할 수 있게 된다.

도 1을 참조하면, 본 발명 실시예는 입력축(IN)에 선택적으로 연결되는 회전요소와 출력요소(OUT)에 연결되는 회전요소를 구비한 제1유성기어세트(PG1)와; 상기 입력축(IN)과 상기 출력요소(OUT)에 각각 연결되는 회전요소들을 구비한 제2유성기어세트(PG2)와; 상기 입력축(IN)에 선택적으로 연결되는 상기 제1유성기어세트(PG1)의 회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제1브레이크(BK1)와; 상기 제1유성기어세트(PG1)와 제2유성기어세트(PG2)에 구동력을 제공할 수 있도록 연결되는 적어도 2개 이상의 동력원을 포함하여 구성된다.

상기 제1유성기어세트(PG1)와 제2유성기어세트(PG2)는 동심축을 이루어 배치되고 각각 3개의 회전요소를 구비한 싱글피니언 유성기어세트로 이루어져 있다.

상기 제1유성기어세트(PG1)에 연결되는 상기 동력원은 상기 제1유성기어세트(PG1)의 회전요소들 중 상기 입력축(IN)과 출력요소(OUT)에 연결되지 않은 회전요소에 연결되고, 상기 제2유성기어세트(PG2)에 연결되는 동력원은 상기 제2유성기 어세트(PG2)의 회전요소들 중 상기 입력축(IN)과 출력요소(OUT)에 연결되지 않은 회전요소에 연결된다.

본 실시예에서, 상기 동력원은 상기 입력축(IN)에 연결되는 엔진(ENG)과, 상기 제1유성기어세트(PG1)의 회전요소에 연결되는 제1모터제너레이터(MG1)와, 상기 제2유성기어세트(PG2)의 회전요소들에 연결되는 제2모터제너레이터(MG2)로 구성된다.

상기 출력요소(OUT)는 종감속기어 등에 연결되어 차량의 구동륜으로 연결됨으로써, 상기 엔진(ENG)과 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)로부터 상기 제1유성기어세트(PG1) 및 제2유성기어세트(PG2)를 통해 변속된 동력을 구동륜으로 전달할 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)에는 인버터를 통해 고전압배터리가 연결됨으로써, 회생제동시에는 전기를 고전압배터리로 충전할 수 있고, 구동시에는 상기 고전압배터리로부터의 전기를 이용하여 각각 구동력을 발생시킬 수 있도록 되어 있다.

상기 제1유성기어세트(PG1)의 회전요소들 중 상기 입력축(IN)에 연결되는 회전요소는 제1클러치(CL1)에 의해 상기 엔진(ENG)에 단속적으로 연결되고, 상기 제2유성기어세트(PG2)의 회전요소들 중 상기 출력요소(OUT)에 연결되는 회전요소는 상기 출력요소(OUT)에 직결되며, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 상기 제2유성기어세트(PG2)의 회전요소들 중 상기 입력축(IN)과 상기 출력요소(OUT)에 연결되지 않은 회전요소에 직결된 구조이다.

또한, 상기 제2모터제너레이터(MG2)가 직결된 상기 제2유성기어세트(PG2)의 회전요소와 상기 입력축(IN)에 연결되는 상기 제2유성기어세트(PG2)의 회전요소 사이를 단속적으로 연결할 수 있도록 제2클러치(CL2)를 구비하고, 상기 제2모터제너레이터(MG2)가 직결된 상기 제2유성기어세트(PG2)의 회전요소의 회전을 구속할 수 있도록 제2브레이크(BK2)를 구비하고 있다.

즉, 상기 제1유성기어세트(PG1)는 제1선기어(S1)가 상기 제1모터제너레이터(MG1)에 연결되고, 제1캐리어(C1)가 상기 입력축(IN)을 통해 단속적으로 엔진(ENG)에 연결됨과 아울러 상기 제1브레이크(BK1)에 연결되며, 제1링기어(R1)가 상기 출력요소(OUT)에 연결되고; 상기 제2유성기어세트(PG2)는 제2선기어(S2)가 상기 입력축(IN)에 연결됨과 동시에 상기 제2클러치(CL2)를 통해 제2링기어(R2)에 연결되고, 제2캐리어(C2)가 상기 출력요소(OUT)에 연결되며, 제2링기어(R2)가 상기 제2모터제너레이터(MG2) 및 상기 제2브레이크(BK2)에 연결되는 구조인 것이다.

한편, 도 3에는 본 발명의 다른 실시예로서, 다른 것은 본 실시예와 동일하지만, 상기 제2클러치(CL2)와 제2브레이크(BK2)가 구비되지 않은 점만 다른 실시예가 개시되어 있다.

도 1에 도시된 본 실시예는 도 2에 도시된 바와 같은 작동모드의 구현이 가능하고, 상기 도 3에 도시된 실시예는 도 2의 작동모드들 중 상기 제2클러치(CL2)와 제2브레이크(BK2)가 개입되는 고정기어비1단과 고정기어비2단을 제외한 입력분기모드와 복합분기모드의 구현이 가능하다.

먼저, 입력분기모드를 살펴보면, 제1브레이크(BK1)만을 체결하고 나머지 요소들인 제2브레이크(BK2)와 제1클러치(CL1) 및 제2클러치(CL2)는 개방되어 구현된다.

즉, 상기 제1브레이크(BK1)가 결합되면, 상기 제1모터제너레이터(MG1)로부터의 동력은 상기 제1유성기어세트(PG1)를 통해 단순 감속되어 상기 제1링기어(R1)로 전달되므로, 상기 제1모터제너레이터(MG1)가 결국 상기 출력요소(OUT)에 바로 연결된 것과 마찬가지의 구조가 되어 입력분기모드를 구현하게 되는 것이다.

이 입력분기모드는 고변속비, 저속에서 사용할 수 있는 동력 분기 구조이다.

복합분기모드는 상기 제1브레이크(BK1)는 해제하고, 상기 제1클러치(CL1)만 체결하여 구현된다. 상기 제1클러치(CL1)만 체결된 상태를 단순화 하면, 도 5와 같은 상태가 되는데, 이때 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)는 모두 엔진(ENG)이 연결된 입력축(IN)이나 출력요소(OUT)에 직접 연결되지 않은 구조이므로 복합분기모드를 형성함을 알 수 있다.

상기와 같은 복합분기모드는 고변속비, 고속에서 사용할 수 있는 동력 분기 구조이다.

고정기어비 1단모드는 상기 제1브레이크(BK1)와 제2브레이크(BK2)만을 체결하고 상기 제1클러치(CL1)와 제2클러치(CL2)는 해제된 상태로서, 상기 제1유성기어세트(PG1)와 제2유성기어세트(PG2)는 상기 출력요소(OUT)가 연결된 제1링기어(R1) 및 제2캐리어(C2)가 엔진(ENG)이 연결된 제2선기어(S2)와 항상 일정한 변속비를 가지고 회전하게 구속되므로, 상기 제2선기어(S2)로 입력되는 엔진(ENG)의 동력이 상기 제2유성기어세트(PG2)의 감속비에 따라 감속되어 상기 제2캐리어(C2)를 통해 출력요소(OUT)로 인출되는 고정기어비 상태를 구현하게 되며, 변속비는 1보다 큰 감속상태가 구현된다.

고정기어비 2단모드는 상기 제1브레이크(BK1)와 제2브레이크(BK2)는 해제하고, 상기 제1클러치(CL1)와 제2클러치(CL2)만 체결한 상태로서, 상기 제2클러치(CL2)가 체결되면, 상기 제2유성기어세트(PG2)는 일체로 잠기게 되고, 상기 제1클러치(CL1)가 체결되면, 상기 제1유성기어세트(PG1)도 상기 제2 유성기어세트(PG2)와 함께 잠기게 되어, 결국 상기 제1유성기어세트(PG1) 및 제2유성기어세트(PG2) 전체가 일체로 회전되므로, 상기 엔진(ENG)으로부터의 입력은 그대로 변속비 1:1로 상기 출력요소(OUT)로 인출되는 고정 기어비 상태가 된다.

본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인은 상기한 바와 같이, 싱글피니언 유성기어세트 2조와 클러치 2개 및 브레이크 2개 만을 이용하여 입력분기모드와 복합분기모드의 하이브리드모드를 구현할 수 있고, 더불어 상기 고정기어비모드를 2단에 걸쳐 구현할 수 있게 구성됨으로써, 컴팩트한 구성으로 차량의 공간확보에 유리하고 원가 절감에 기여할 수 있게 되며, 연속적인 변속비 구현이 가능하고, 상기 다양한 모드를 차량의 주행조건에 따라 적절히 전환함으로써, 차량의 연비를 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 구성도,

도 2는 도 1의 파워트레인의 각 운전모드의 작동모드표,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 다른 실시예를 도시한 도면,

도 4는 도 1의 파워트레인을 간략화 한 레버다이어그램,

도 5는 도 1의 파워트레인의 복합분기모드 상태를 간략화한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

IN; 입력축 OUT; 출력요소

PG1; 제1유성기어세트 PG2; 제2유성기어세트

BK1; 제1브레이크 ENG; 엔진

MG1; 제1모터제너레이터 MG2; 제2모터제너레이터

CL1; 제1클러치 CL2; 제2클러치

BK2; 제2브레이크 S1; 제1선기어

C1; 제1캐리어 R1; 제1링기어

S2; 제2선기어 R2; 제2링기어

C2; 제2캐리어

Claims

입력축에 선택적으로 연결되는 제1 캐리어와 출력요소에 연결되는 제1 링기어를 구비한 제1유성기어세트와;

상기 입력축과 상기 출력요소에 각각 연결되는 제2 선기어와 제2 캐리어를 구비한 제2유성기어세트와;

상기 제1캐리어의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제1브레이크와;

상기 제1유성기어세트에 구동력을 제공할 수 있도록 연결되는 제1모터제너레이터와;

상기 제2유성기어세트에 구동력을 제공할 수 있도록 연결되는 제2모터제너레이터와;

상기 입력축에 연결되는 엔진;

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

상기 제1유성기어세트에 연결되는 상기 제1모터제너레이터는 제1 유성기어세트의 제1 선기어에 연결되고;

상기 제2유성기어세트에 연결되는 제2모터제너레이터는 상기 제2유성기어세트의 제2 링기어에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
삭제
청구항 2에 있어서,

상기 제1유성기어세트의 회전요소들 중 제1 캐리어는 제1클러치에 의해 상기 엔진에 단속적으로 연결되고;

상기 제2유성기어세트의 회전요소들 중 제2 캐리어는 상기 출력요소에 직결되며;

상기 제2모터제너레이터는 제2유성기어세트의 제2 링기어에 직결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
청구항 4에 있어서,

상기 제1캐리어가 상기 입력축을 통해 단속적으로 엔진에 연결됨과 아울러 상기 제1브레이크에 연결되며, 제1링기어가 상기 출력요소에 연결되고;

상기 제2링기어가 상기 제2모터제너레이터에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
청구항 4에 있어서,

상기 제2모터제너레이터가 직결된 상기 제2 링기어와 상기 입력축에 연결되는 상기 제2 선기어 사이를 단속적으로 연결할 수 있도록 제2클러치를 더 구비하고;

상기 제2모터제너레이터가 직결된 상기 제2 링기어의 회전을 구속할 수 있도록 제2브레이크를 더 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
청구항 6에 있어서,

상기 제1캐리어가 상기 입력축을 통해 단속적으로 엔진에 연결됨과 아울러 상기 제1브레이크에 연결되며,

상기 제2선기어가 상기 제2클러치를 통해 제2링기어에 연결되고, 상기 제2링기어가 상기 제2모터제너레이터 및 상기 제2브레이크에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
엔진으로부터 동력을 입력받는 입력축과;

동력을 인출하는 출력요소와;

동축상으로 배치된 제1유성기어세트 및 제2유성기어세트와;

상기 입력축과 연결되는 상기 제2유성기어세트의 제2 선기어와 상기 제1유성기어세트의 제1 캐리어를 선택적으로 연결하는 제1클러치와;

상기 제2유성기어세트의 제2 링기어와 제2 선기어 사이를 선택적으로 연결하는 제2 클러치;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
청구항 8에 있어서,

상기 출력요소는 상기 제1유성기어세트의 제1링기어 및 제2유성기어세트의 제2캐리어에 연결되며;

제1모터제너레이터가 상기 제1유성기어세트의 제1선기어에 연결되고;

제2모터제너레이터가 상기 제2유성기어세트의 제2링기어에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
삭제
청구항 9에 있어서,

상기 제1유성기어세트의 제1캐리어의 회전을 구속하는 제1브레이크와;

상기 제2유성기어세트의 제2링기어의 회전을 구속하는 제2브레이크가 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.