A study of clutchless parallel hybrid powertrain mechanism

Abstract

하이브리드 파워트레인의 구조는 하이브리드 전기 자동차 (HEV)의 성능에 큰 영향을 미친다. 다양한 하이브리드 파워트레인 중에서 병렬형 하이브리드 파워트레인은 기존의 변속기를 활용함으로써 최소의 설계 변경이 가능하여 널리 사용되고 있다. 하지만, 클러치나 토크 컨버터를 이용함으로 인한 동력 단절과 출력축과 엔진축의 기계적 연결에 의한 제한된 엔진 효율과 같은 한계가 존재한다. 또한, 클러치 작동을 위한 유압 유닛의 사용과 마찰에 의한 에너지 손실은 추가적인 동력 손실로 작용한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 연구에서는 클러치가 없는 병렬형 하이브리드 파워트레인인 Clutchless geared smart transmission (CGST)을 제안하고 이에 대한 설계와 성능 검증을 진행한다. CGST는 구성요소의 (엔진, 전기 모터, 이중 입력 기어 박스, 유성기어) 연결 방식에 따라 다양한 구조적 설계가 가능하다. 제안한 설계법에 기반하여, 동력 병합형의 CGST를 제안하고, 본 설계안이 가지는 4가지의 주요 주행 모드를 (병렬형 하이브리드 모드, 동력 병합 모드, 엔진 주행 모드, 모터 주행 모드) 도출하였다. 설계된 CGST는 유성기어와 전기 모터를 이용하여 기어 박스로 연결되는 입력 축 기어의 동력을 변환시킬 수 있다. 따라서 동력 단절이 없이 기어 축간의 동력을 변환함으로써 기어 변속을 수행하고 이를 통해 끊김이 없는 동력 전달이 가능하다. 이러한 독특한 기어 변속 메커니즘과 이를 통해 얻어지는 강점을 동역학 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 동역학 시뮬레이션 결과, 속도 동기화 과정과 토크 동기화 과정을 거친 기어 변속 프로세스로 부드럽고 빠른 기어 변속이 가능하였다. 또한, 테스트 베드를 이용한 실험을 통해서 본 기어 변속 메커니즘을 검증하였다. 테스트 베드는 엔진, 전기 모터, CGST, 플라이휠, 변속기 제어 유닛으로 구성된다. 마이크로 프로세서를 통해서 구현된 변속기 제어 유닛은 외란 관측기에 (DOB) 기반하여 강건한 모터 속도 제어를 수행한다. 이러한 하드웨어와 제어기에 기반한 실험에서 CGST는 클러치에 기반한 변속 시스템에 비해 작은 동력 감소와 작은 진동으로 우수한 변속 성능을 보였다. 마지막으로, 최적의 CGST 설계안을 도출하기 위해 체계적인 하이브리드 파워트레인 설계 최적화 기법을 제안하였다. 두 가지 유효성 검사를 (가속 성능 유효성 검사, 효율 구동 유효성 검사) 통해서 설계 대상을 줄이고, 축소된 설계안들에 대해서 연비 최적화 및 최적 설계안을 찾아냄으로써 연산 시간을 획기적으로 줄일 수 있다. 가속 성능 유효성 검사는 순간 최적화 방법에 기반하여 일정 속도에 도달하기 위해 소요되는 시간을 계산하여 유효성을 평가하는 방법이다. 이러한 가속 성능 데이터는 각 설계안의 최적 효율과 합산되어 최적의 CGST 설계안을 찾는데 활용된다. 본 연구에서 선택된 CGST 최종 설계안은 우수한 동력 전달 효율과 추가적인 주행 모드를 가짐으로써 기존의 습식 클러치에 기반한 병렬형 하이브리드 파워트레인보다 우수한 연비 및 가속 성능을 보임을 확인하였다.