[ Article ]

Transactions of The Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 26, No. 1, pp.1-10

ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)

Print publication date 01 Jan 2018

Received 07 Aug 2017 Revised 01 Sep 2017 Accepted 12 Sep 2017

DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2018.26.1.001

플러그인 하이브리드 전기자동차 볼트의 1세대와 2세대 동력전달계 비교 분석에 관한 연구

김정민^*

안동대학교 기계자동차공학과

A Study on the Comparative Analysis of Plug-in Hybrid Electric Vehicle Powertrain for the First and Second Generation Volt

Jeongmin Kim^*

Department of Mechanical & Automotive Engineering, Andong National University, Gyeongbuk 36729, Korea

Correspondence to: ^*E-mail: jmk@anu.ac.kr

* This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.

Abstract

In this paper, the equations pertaining to powertrain speed and torque were derived for the second-generation, plug-in hybrid electric vehicle volt. Based on the above-mentioned equations, full acceleration simulations were performed. Then, simulation results were compared with the first-generation volt. The simulation results showed that both generation volts reflected similar characteristics for the one-motor electric drivetrain. However, the second-generation volt performed better than the first-generation volt for the two-motor electric drivetrain. When the engine is running, the second-generation volt demonstrated lesser motor-generator peak power than the first-generation volt because the second-generation volt uses compound split and fixed gear modes.

Keywords:

Plug-in hybrid electric vehicle, Powertrain, Power split, Compound split, Output split

키워드:

플러그인 하이브리드 전기자동차, 파워트레인, 동력분기, 복합분기, 출력분기

1. 서 론

플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV: Plug -in Hybrid Electric Vehicle)는 엔진을 끄고 전기모터만으로 주행 가능한 거리가 전기자동차보다는 짧지만 하이브리드 전기자동차보다 긴 자동차이다.¹⁾ 미국 지엠은 2010년 12월 세계최초로 양산 플러그인 하이브리드 전기자동차인 볼트(Volt)를 출시하였다.²⁾이 플러그인 하이브리드 전기자동차 볼트를 1세대라고 부르며, Fig. 1은 1세대 볼트의 동력전달계를 도시한 것이다. 1개의 유성기어와 2개의 전기모터(MG: Motor Generator)를 사용하여 엔진의 동력을 전달하는 구조이며, 1개의 Brake와 2개의 Clutch를 이용하여 총 4개의 모드를 구현한다. Table 1은 1세대 볼트에서 구현 가능한 4개의 모드와 이때 작동하는 Clutch와 Brake를 정리한 것이다.

Fig. 1

Powertrain of GM volt generation 1

Table 1

Operation mode for GM volt generation 1

미국 지엠은 2015년 10월 1세대 볼트를 개선한 2세대 볼트를 출시하였다. Fig. 2는 2세대 볼트의 동력전달계를 도시한 것이다.³⁾ 1세대와는 다르게 2개의 유성기어가 사용되었으며, 이 유성기어들과 2개의 전기모터를 사용하여 엔진의 동력을 전달하는 구조이다. 또한, 1세대와 다르게 각각 1개의 One way clutch, Brake 및 Clutch를 이용하여 총 5개의 모드를 구현한다. Table 2는 2세대 볼트에서 구현 가능한 5개 모드와 이때 작동하는 Clutch와 Brake를 정리한 것이다.

Fig. 2

Powertrain of GM volt generation 2

Table 2

Operation mode for GM volt generation 2

1세대 볼트의 동력전달계 특징을 분석하기 위한 연구는 다수 수행된 바 있다.^4-6) 2세대 볼트의 동력 전달계와 관련하여는 특정 주행사이클을 주행함에 있어 모드 변환 및 그 특징에 대한 연구가 수행된 바있다.⁷⁾ 하지만, 2세대 볼트 동력전달계 개별 모드들만의 독립된 특징을 분석하기 위해서는, 각 모드별로 따로 수행하는 해석이 요구된다. 이에 본 연구에서는 2세대 볼트 동력전달계의 각 모드별 단독 주행시 구동될 수 있는 최대 속도 범위에서의 속도, 토크, 파워 등의 특징 해석을 수행하고자 하며, 1세대 볼트와 그 차이점을 분석하고자 한다.

2. 동력전달계 속도 및 토크 관계식

1세대 볼트의 속도 및 토크 관계식은 기존 연구에서 수행되었다.⁶⁾ 본 연구에서는 2세대 볼트의 속도 및 토크 관계식만 유도한다. 속도 및 토크 관계식은 레버 모델을 이용하여 유도하였다.⁸⁾

2.1 2세대 볼트의 One motor/Two motor 모드

2세대 볼트는 One motor와 Two motor 모드 모두 Brake만을 작동하여 구성되는 동일한 동력전달계구조가 사용한다. 두 모드의 차이점은 One motor 모드는 MG2만 토크를 구현하는 반면, Two motor 모드는 MG1과 MG2가 함께 토크를 구현되는 방식이다. 또한, Two motor 모드에서만 MG1이 토크를 구현함에 따라 One way clutch가 작동한다. 이 두 모드의 유성기어 모델을 Fig. 3과 같이 레버모델로 구성할 수 있다.

Fig. 3

Lever model of one motor/two motor mode

Fig. 3(a)의 속도레버 모델을 통하여 다음과 같은 속도 관계식을 유도할 수 있다.

ω M G 1 = 1 + Z r 1 Z s 1 ⋅ ω o u t

(1)

여기서, ω는 회전속도, Z는 기어 잇수이며, 아래첨자 out은 동력전달계 출력축, r은 Ring 기어, s는 Sun 기어, 숫자 1, 2는 두개의 유성기어를 구분하는 숫자를 의미한다.

Fig. 3(b)의 토크레버 모델을 통하여 다음과 같은 토크 관계식을 유도할 수 있다.

T o u t 1 = 1 + Z r 1 Z s 1 ⋅ T M G 1

(2)

여기서, T 는 토크를 의미한다.

Fig. 3(c)의 속도레버 모델을 통하여 다음과 같은 속도 관계식을 유도할 수 있다.

ω M G 2 = 1 + Z r 2 Z s 2 ⋅ ω o u t

(3)

Fig. 3(d)의 토크레버 모델을 통하여 다음과 같은 토크 관계식을 유도할 수 있다.

T o u t 2 = 1 + Z r 2 Z s 2 ⋅ T M G 2

(4)

One motor 모드는 MG1은 구동하지 않고, MG2만 구동되기 때문에, 식 (2)의 T_out₂를 이용하여 다음과 같이 One motor 모드에서의 최종 동력전달계 출력 토크 T_out을 표현할 수 있다.

T o u t = T o u t 2 = 1 + Z r 2 Z s 2 ⋅ T M G 2

(5)

Two motor 모드는 엔진은 작동하지 않으며, MG1과 MG2가 함께 차량을 구동한다. 이 때 1번 유성기어와 2번 유성기어가 서로 독립이기 때문에, 식 (2)와 (4)의 T_out₁과 T_out₂를 이용하여 다음과 같이 Two motor 모드에서의 최종 동력전달계 출력 토크 T_out을 표현할 수 있다.

T o u t = T o u t 1 + T o u t 2 = 1 + Z r 1 Z s 1 ⋅ T M G 1 + 1 + Z r 2 Z s 2 ⋅ T M G 2

(6)

2.2 2세대 볼트의 Input split 모드

Input split 모드는 엔진, MG1, MG2 모두 작동 한다. 이 때 1번 유성기어와 2번 유성기어는 서로 독립적으로 구동된다. 2번 유성기어는 위 2.1절의 Fig. 3(c), (d)의 레버모델과 동일하다. 때문에, 본 절에서는 1번 유성기어의 관계식만 유도하며, 이 1번 유성 기어의 레버모델은 Fig. 4와 같다.

Fig. 4

Lever model of input split mode

Fig. 4(a)의 속도레버 모델을 통하여 다음과 같은 속도 관계식을 유도할 수 있다.

ω M G 1 = 1 + Z r 1 Z s 1 ⋅ ω o u t - Z r 1 Z s 1 ⋅ ω e n g i n e

(7)

Fig. 4(b)의 토크레버 모델을 통하여 다음과 같은 토크 관계식을 유도할 수 있다.

T M G 1 = Z s 1 Z r 1 ⋅ T e n g i n e

(8)

T o u t 1 = T M G 1 + T e n g i n e

(9)

Input split 모드는 1번 유성기어와 2번 유성기어가 서로 독립이기 때문에, 식 (2)와 (9)의 T_out₁과 T_out₂를 이용하여 다음과 같이 Input split 모드에서의 최종 동력전달계 출력 토크 T_out을 표현할 수 있다.

T o u t = T o u t 1 + T o u t 2 = T M G 1 + T e n g i n e + 1 + Z r 2 Z s 2 ⋅ T M G 2

(10)

Input split 모드에서는 엔진의 구동과 함께 배터리의 충전 및 방전이 가능하다. 본 연구에서는 엔진을 사용하는 모드의 경우, 엔진의 동력이 전달되는 특징만을 분석하기 위하여 배터리의 파워를 0으로 가정하고자 한다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

T M G 1 ⋅ ω M G 1 + T M G 2 ⋅ ω M G 2 = 0

(11)

2.3 2세대 볼트의 Compound split 모드

Compound split 모드는 엔진, MG1, MG2 모두 작동 한다. 이 때 1번 유성기어와 2번 유성기어는 서로 연결되어 함께 구동된다. 이 유성기어 레버모델을 Fig. 5에 도시하였다.

Fig. 5

Lever model of compound split mode

Fig. 5(a)의 속도레버 모델을 통하여 다음과 같은 속도 관계식을 유도할 수 있다.

ω M G 1 = 1 + Z r 1 Z s 1 ⋅ ω o u t - Z r 1 Z s 1 ⋅ ω e n g i n e

(12)

ω M G 2 = 1 - Z r 1 Z r 2 Z s 1 Z s 2 ⋅ ω o u t + Z r 1 Z r 2 Z s 1 Z s 2 ⋅ ω e n g i n e

(13)

Fig. 5(b)의 토크레버 모델을 통하여 다음과 같은 토크 관계식을 유도할 수 있다.

T M G 1 = Z s 1 Z r 1 ⋅ T e n g i n e + Z r 2 Z s 2 ⋅ T M G 2

(14)

T o u t = T M G 1 + T e n g i n e + T M G 2

(15)

Compound split 모드에서도 엔진의 구동과 함께 배터리의 충전 및 방전이 가능하다. Compound split 모드에서도, 엔진의 동력이 전달되는 특징만을 분석하기 위하여 식 (11)과 같이 배터리의 파워를 0으로 가정하였다.

2.4 2세대 볼트의 Fixed gear 모드

Fixed gear 모드는 Brake를 통하여 MG1의 작동이 정지되고, MG1의 속도는 0이 된다. 이 때 1번 유성기어와 2번 유성기어는 서로 연결되어 함께 구동되며, Sun1 기어와 Ring2 기어에 구현되는 Brake 토크에 따라 2개의 유성기어는 고정 기어비를 갖는 기어처럼 작동한다. 이때 유성기어의 레버모델을 Fig. 6에 도시하였다.

Fig. 6

Lever model of fixed gear mode

Fig. 6(a)의 속도레버 모델을 통하여 다음과 같은 속도 관계식을 유도할 수 있다.

ω e n g i n e = 1 + Z s 1 Z r 1 ⋅ ω o u t

(16)

ω M G 2 = 1 + Z r 2 Z s 2 ⋅ ω o u t

(17)

Fig. 6(b)의 토크레버 모델을 통하여 다음과 같은 토크 관계식을 유도할 수 있다.

T o u t = 1 + Z s 1 Z r 1 ⋅ T e n g i n e + 1 + Z r 2 Z s 2 ⋅ T M G 2

(18)

3. 동력전달계 해석

본 연구의 목적은 1세대 및 2세대 볼트 동력전달계 각 개별 모드별로 독립된 특징을 비교 분석 하는 것이다. 최고출력 해석을 수행하였을 경우 각 모드별로 작동되어 지는 모든 속도, 토크, 파워 구간에서의 특징을 분석할 수 있다. 이에 본 장에서는 1세대 및 2세대 플러그인 하이브리드 전기자동차 볼트에 대하여, 각 모드 별로 최고 출력으로 주행 시 속도, 토크 및 파워 특성 해석을 수행하였다.

3.1 동력전달계 제원

Table 3에 연구대상 차량에 적용된 엔진과 2개의 MG 제원을 정리하였다. 1세대 볼트 대비 2세대 볼트는 12 kW 정도 최대 출력이 더 큰 엔진을 사용하였다. 그럼에도 불구하고, 2세대 볼트의 MG1 및 MG2 최대 출력은 각각 48 kW 및 87 kW로, 1세대 볼트의 55 kW, 111 kW 보다 작은 것을 볼 수 있다. 이는 2세대 볼트가 동력전달계의 설계 수정을 통하여 보다 최대 출력이 더 작은 MG를 사용할 수 있었기 때문이다. 같은 동력 성능을 유지한 상태에서, 보다 작은 최대 출력의 MG를 사용할 경우 동력전달계의 효율 향상 및 가격 경쟁력 확보가 가능하다.

Table 3

Engine, motors and battery parameters

Fig. 7은 본 연구에서 사용한 엔진과 2개의 MG의 최대 토크선도를 도시한 것이다. 회전속도가 결정되면, 엔진과 MG가 구현할 수 있는 최대 토크를 이 선도를 통하여 알 수 있다. Fig. 7(a)에서 2세대 볼트의 엔진 최대 토크가 1세대 볼트보다 더 큰 것을 볼 수 있다. Fig. 7(b)에서 1세대 볼트의 MG1은 엔진과 직결되어 있기 때문에, 최대회전속도가 엔진의 최대회전속도인 6,000 RPM과 같다. 반면, 2세대 볼트의 MG1은 엔진과 독립적으로 구동되어, 최대회전 속도가 10,000 RPM 인 것을 볼 수 있다. Fig. 7(c)에서 1세대 볼트와 2세대 볼트 모두 MG2의 최대회전 속도가 10,000 RPM 인 것을 볼 수 있다. 또한, 1세대 볼트의 MG2 최대 토크가 2세대 볼트보다 더 큰 것을 볼 수 있다.

Fig. 7

Maximum torque curve of engine and two motors

Table 4에 연구대상 차량에 적용된 동력전달계의 기어비와 타이어 제원을 정리하였다. 1세대 볼트의 동력전달계는 1개의 유성기어를 사용하며, Ring 기어와 Sun 기어 잇수비는 2.24 이다. 2세대 볼트의 동력전달계는 2개의 유성기어를 사용하며, Ring1 기어와 Sun1 기어 잇수비는 1.87, Ring2 기어와 Sun2 기어 잇수비는 2.007이다. 최종 감속비는 1세대 볼트는 2.16, 2세대 볼트는 2.64 이다. 연구 대상 차량에 사용된 타이어 제원을 통하여, 휠 반경은 0.334 m임을 알 수 있다.

Table 4

Transmission and tire parameters

3.2 One motor 모드에서의 특성 분석

Fig. 8(a)는 One motor 모드로 주행 시 MG1, MG2 및 출력축(OUT) 속도를 도시한 것이다. 1세대 및 2세대 볼트 모두 차량 속도가 증가함에 따라 MG2의 속도와 OUT의 속도는 식 (3)과 같이 일정한 비율을 가지면서 증가하는 것을 볼 수 있다. 1세대 볼트의 경우 One motor 모드에서 MG1이 구동축과 분리되어있어 MG1의 속도가 0 이지만, 2세대 볼트의 경우 One motor 모드에도 MG1이 식 (1)과 같은 관계를 가지게 되어 차량 속도가 증가함에 따라 일정한 비율을 가지면서 증가하는 것을 볼 수 있다.

Fig. 8

Analysis results of one motor mode

Fig. 8(b)는 One motor 모드로 주행 시 MG1, MG2 및 출력축(OUT) 토크를 도시한 것이다. One motor 모드에서는 1세대 및 2세대 볼트 모두 MG2 토크는 차량의 속도가 증가함에 따라 Fig. 7(c)의 MG2 최대 토크선도의 특징에 따라 토크가 구현된다. 이 MG2 토크는 식 (4)에 의하여 일정한 비율로 증배되어 출력(OUT)토크로 구현된다. 1세대 볼트의 MG2 토크가 2세대에 비하여 큰 이유는, 1세대 볼트가 2세대 볼트에 비하여 최대출력이 크기 때문이다. 또한, 1세대 및 2세대 볼트 모두 MG1이 사용되지 않으므로, MG1의 토크가 0 인 것을 볼 수 있다. 이때, 1세대 볼트의 경우 MG1의 속도와 토크가 모두 0이지만, 2세대 볼트의 경우 MG1의 속도는 0이 아니다. 이것은 2세대 볼트가 One motor 모드에서 1세대 볼트와는 다르게 MG1이 무동력상태에서 회전하는 것을 의미한다.

Fig. 8(c)는 One motor 모드로 주행 시 MG1, MG2 및 출력축(OUT) 파워를 도시한 것이다. One motor 모드로 주행 시에서는 1세대와 2세대 볼트 모두 MG1이 사용되지 않으므로, MG1의 파워가 0 인 것을 볼 수 있다. 또한, 1세대와 2세대 볼트 모두 MG2에 의해서만 차량이 구동되므로, MG2 파워와 출력(OUT)파워가 같은 것을 볼 수 있다.

3.3 Two motor 모드에서의 특성 분석

Fig. 9(a)는 Two motor 모드로 주행 시 MG1, MG2 및 출력축(OUT) 속도를 도시한 것이다. 1세대 볼트는 차량 속도가 증가함에 따라 OUT 속도가 증가하면서 MG1과 MG2가 유성기어 관계에 따른 회전속도를 갖는다. 반면, 2세대 볼트는 차량 속도가 증가함에 따라 MG1, MG2 및 OUT의 속도는 식 (1) 및 (3)과 같이 일정한 비율을 가지면서 증가하는 것을 볼 수 있다.

Fig. 9

Analysis results of two motor mode

Fig. 9(b)는 Two motor 모드로 주행 시 MG1, MG2 및 출력축(OUT) 토크를 도시한 것이다. 1세대 볼트는 유성기어 관계에 따라 MG1, MG2 및 OUT 토크가 거의 일정한 것을 볼 수 있다. 반면, 2세대 볼트의 MG1과 MG2 토크는 차량의 속도가 증가함에 따라 Fig. 7(b) 및 (c)의 MG1 및 MG2 최대 토크선도의 특징에 따라 토크가 구현된다. 이 MG1 및 MG2 토크는 식 (2) 및 (4)에 의하여 일정한 비율로 증배되어 출력(OUT)토크로 구현된다.

Fig. 9(c)는 Two motor 모드로 주행 시 MG1, MG2 및 출력축(OUT) 파워를 도시한 것이다. 1세대 볼트의 경우 MG1이 발전(Generating)을 하고 MG2가 구동(Motoring)을 하는 것을 볼 수 있다. 이는 두 개의 MG가 동력을 전달하는 관계인 것을 의미한다. 반면, 2세대 볼트는 두 개의 MG가 모두 구동을 하는 것을 볼 수 있다. 이를 통하여 2세대 볼트가 1세대 볼트에 비하여 두 개의 MG의 최대 출력이 더 작음에도 불구하고, 더 큰 출력(OUT)파워를 얻을 수 있다.

3.4 엔진을 사용하는 모드들에서의 특성 분석

1세대와 2세대 볼트 모두 엔진을 사용하지 않을 경우 동일하게 One motor 모드 및 Two motor 모드를 사용한다. 하지만 엔진을 사용할 경우, 1세대 및 2세대 볼트는 서로 다른 모드들을 사용한다. 때문에, 1세대 및 2세대 볼트에서 엔진을 사용하는 경우 각각 동일한 모드끼리 비교할 수는 없다. 때문에, 1세대 볼트와 2세대 볼트는 엔진을 사용할 경우 1세대 및 2세대 볼트에서 사용되는 모드들을 한 번에 비교하고자 한다.

Fig. 10(a)는 1세대 볼트의 Series 모드 및 Output split 모드 주행 시 MG1, MG2, 엔진 및 출력축(OUT) 속도를 도시한 것이다. 두 모드 모두 엔진과 MG1이 연결되어 있어, 엔진과 MG1이 같은 속도를 보이는 것을 볼 수 있다. 그리고 OUT속도에 따라 유성기어 관계에 의하여 MG1, MG2 및 엔진 속도가 결정된다.

Fig. 10

Analysis results of engine on modes for Gen.1 volt

Fig. 10(b)는 1세대 볼트의 Series 모드 및 Output split 모드 주행 시 MG1, MG2, 엔진 및 출력축(OUT) 토크를 도시한 것이다. Output split 모드의 경우 OUT 토크가 최대 400 Nm 정도로, Series 모드의 최대 1200 Nm에 비하여 매우 작은 것을 볼 수 있다. Output split 모드의 경우 엔진, MG1, MG2 가 유성기어 관계에 따라 토크가 결정되는 반면, Series 모드는 엔진토크와 크기는 같고 부호가 반대인 토크를 MG1이 발생하며, MG1이 발생한 전기동력을 MG2가 사용하여 MG2 토크를 발생한다.

Fig. 10(c)는 1세대 볼트의 Series 모드 및 Output split 모드 주행 시 MG1, MG2 및 출력축(OUT) 파워를 도시한 것이다. 두 모드 모두 엔진에서 발생되는 동력을 이용하여 MG1이 발전 또는 구동을 하면 MG2가 구동 또는 발전을 하는 것을 볼 수 있다. 이는 두 개의 MG이 동력을 전달하는 관계인 것을 의미한다. 다만, Output split 모드는 차량 속도가 증가함에 따라 두 개의 MG에 전달되는 파워가 감소하는 반면, Series 모드는 거의 모든 차량 속도 구간에서 일정한 것을 볼 수 있다.

Fig. 11(a)는 2세대 볼트의 Input split 모드 및 Compound split 모드 주행 시 MG1, MG2, 엔진 및 출력축(OUT) 속도를 도시한 것이다. 두 모드 모두 그리고 OUT속도에 따라 유성기어 관계에 의하여 MG1, MG2 및 엔진 속도가 결정된다.

Fig. 11

Analysis results of engine on modes for Gen.2 volt

Fig. 11(b)는 2세대 볼트의 Input split 모드 및 Compound split 모드 주행 시 MG1, MG2, 엔진 및 출력축(OUT) 토크를 도시한 것이다. Input split 모드의 경우 OUT 토크가 최대 1000 Nm 정도로, Compound split 모드의 최대 300 Nm에 비하여 더 큰 것을 볼 수 있다. 두 모드 모두 유성기어 관계에 따라 엔진, MG1, MG2 및 OUT 토크가 결정된다.

Fig. 11(c)는 2세대 볼트의 Input split 모드 및 Compound split 모드 주행 시 MG1, MG2 및 출력축(OUT) 파워를 도시한 것이다. 두 모드 모두 엔진에서 발생되는 동력을 이용하여 MG1이 발전 또는 구동을 하면 MG2가 구동 또는 발전을 하는 것을 볼 수 있다. 이는 두 개의 MG가 동력을 전달하는 관계인 것을 의미한다. 다만, Compound split 모드의 두 MG 파워가 Input split 모드에 비하여 매우 작은 것을 볼 수 있다. 이는 1세대 볼트의 Output split 모드와 Series 모드에 비해서도 매우 작은 수치이다. 2세대 볼트는 Compound split 모드를 사용함으로써 MG의 최대 출력의 크기를 작게 설계 할 수 있었다. 같은 동력 성능을 유지한 상태에서 MG의 최대 출력을 작게 설계 할 수 있을 경우, 플러그인 하이브리드 동력 전달계의 효율 향상과 가격 경쟁력 확보가 가능한 장점이 있다. 또한 기존 연구에 따르면, 최고 출력으로 주행 시 약 50 km/h 이상 속도에서는 Compound split 모드가 사용되는 것을 확인 할 수 있었으며, Compound split 모드가 다른 모드들에 비하여 비교적 고속 영역에서 큰 출력을 낼 수 있음을 확인할 수 있다.⁷⁾

2세대 볼트는 Fixed gear 모드를 추가함으로써 더 적극적으로 MG의 최대 출력을 작게 설계할 수 있었다. Fig. 12(a)는 2세대 볼트의 Fixed gear 모드로 주행 시 MG1, MG2, 엔진 및 출력축(OUT) 속도를 도시한 것이다. MG1은 Brake에 의하여 고정되어 속도가 0이며, MG2와 엔진은 차량 속도 증가에 따라 OUT 속도에 비례한 것을 볼 수 있다. MG2는 항상 회전하고 있기 때문에, 엔진으로만 주행하다(Engine only) 운전자가 급한 가속을 요구할 경우 MG2가 함께 구동되는(Motor assist) 운전이 가능해 진다.

Fig. 12

Analysis results of fixed gear mode for Gen.2 volt

Fig. 12(b)는 2세대 볼트의 Fixed gear 모드로 모드 주행 시 MG1, MG2, 엔진 및 출력축(OUT) 토크를 도시한 것이다. MG1은 Brake에 의하여 고정되어 토크가 0이다. 식 (18)과 같이 엔진으로만 주행 시(Engine only) OUT 토크는 엔진토크에 비례하며, 엔진과 MG2가 함께 구동 시(Motor assist) OUT 토크는 엔진과 MG2 토크에 비례한 것을 볼 수 있다. 이와 같은 특징은 병렬형 하이브리드 구조의 특징과 유사하다.

Fig. 12(c)는 2세대 볼트의 Fixed gear 모드로 모드 주행 시 MG1, MG2 및 출력축(OUT) 파워를 도시한 것이다. MG1은 Brake에 의하여 고정되어 파워가 0이다. 엔진으로만 주행 시(Engine only) 위에서 설명한 Series 모드, Output split 모드, Input split 모드, Compound split 모드와는 다르게 MG1과 MG2가 꼭 구동될 필요가 없다. 이러한 특징은 두 개의 MG2 최대 출력 사양을 설계할 때 좀 더 작은 최대 출력으로 설정할 수 있다. 이는 병렬형 하이브리드 구조의 특징이다. 또한, 주행 중 운전자가 급한 가속을 요구할 경우 MG2가 함께 구동되는(Motor assist) 운전이 가능하여, 엔진 파워와 MG2 파워가 더해진 OUT 파워를 볼 수 있다. 실제로 기존 연구에 따르면, 최고 출력으로 주행 시 약 50 km/h 이하 속도에서는 Fixed gear 모드가 사용되는 것을 확인 할 수 있었으며, Fixed gear 모드가 다른 모드들에 비하여 비교적 저속 영역에서 큰 출력을 낼 수 있음을 확인할 수 있다.⁷⁾

4. 결 론

본 연구에서는 플러그인 하이브리드 전기자동차인 2세대 볼트의 5개 모드에 대하여 동력전달계 속도 및 토크 관계식을 유도하고, 1세대 볼트와 2세대 볼트에 대하여 최고 출력으로 가속 시 속도, 토크, 파워 등의 특징 해석 결과를 비교 고찰하였다. 한 개의 모터로만 차량이 구동되는 경우 1세대와 2세대 볼트 모두 유사한 특징을 보였으나, 두 개의 모터로만 차량이 구동되는 경우 2세대 볼트가 1세대 볼트에 비하여 2개의 MG(Motor generator) 최대 출력이 더 작음에도 불구하고 보다 큰 최대 구동 출력을 보였다. 이는 2세대 볼트의 동력전달계가 1세대 볼트의 동력전달계 보다 2개의 MG 출력이 보다 쉽게 합쳐 질 수 있도록 설계되었기 때문이다. 또한 엔진을 사용하는 구동 모드에서는 2세대 볼트가 Compound split 모드와 Fixed gear 모드를 추가함으로써 1세대 볼트에 비하여 2개의 MG 최대 출력을 보다 작게 설계할 수 있었음을 확인하였다.

본 연구에서 해석한 결과를 바탕으로 기존의 플러그인 하이브리드 전기자동차 동력전달계가 어떠한 방식으로 설계 개선을 수행하였는지 확인할 수 있었으며, 향후 보다 우수한 동력전달 특징을 보이는 플러그인 하이브리드 전기자동차의 동력전달계 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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Engine	Gen. 1	Gen. 2
Max. Power	63 kW	75 kW
MG1	Gen. 1	Gen. 2
Max. Power	55 kW	48 kW
Max. Torque	186 Nm	118 Nm
Max. RPM	6,000	10,000
MG2	Gen. 1	Gen. 2
Max. Power	111 kW	87 kW
Max. Torque	370 Nm	280 Nm
Max. RPM	10,000	10,000

Transmission of Gen. 1
Planetary gear ratio (Z_r /Z_s )	2.24
Final gear ratio	2.16
Transmission of Gen. 2
Planetary gear ratios (Z_r₁/Z_s₁ & Z_r₂/Z_s₂ )	1.87 & 2.007
Final gear ratio	2.64
Tire
Tyre Size	215/55R17

Mode	Brake	One way clutch	Clutch
One motor	O
Two motor	O	O
Input split	O
Compound split			O
Fixed gear	O		O