Recently produced power-split hybrid electric vehicles (PS-HEV), such as Toyota Prius 3rd/4th generation and the GM Volt 2nd generation, employ a speed reduction gear (SRG) to enhance their acceleration performance (AP). The impact and full potentials of this additional gear on AP and FE, however, have not yet been demonstrated due to a vast design space. The design space of the PS-HEV is vast when planetary gear configurations and the design parameters, such as a planetary gear ratio, an SRG ratio, and a final drive ratio, are considered. In this paper, a systematic design methodology of input- and output-split HEVs with an SRG is proposed for selecting an optimal configuration. First, a simplified-lever is used to eliminate the redundancy completely in a physical design space and solve the existing the design space problem. Fuel economy (FE) and AP for the entire design space of input- and output-split HEVs with an SRG are evaluated using the simplified-lever. The simplified-lever, however, cannot be directly implemented, and thus, a model inversion from simplified-lever to physical design space is also proposed to realize the optimal configurations found from the simplified-lever design space. The simulation result shows that adding an SRG for the input- and output-split HEVs can improve FE and AP. An additional SRG for the EM of ‘i1 (Prius 2nd generation configuration)’ enhances the potential FE and AP. Toyota has already been using an SRG in front of the EM. Among all the input and output-split HEVs, ‘o6 (split hybrid mode of the Volt 1st generation configuration with switched two electric machines) + SRG’ shows the best FE and AP. Furthermore, the model inversion is applied to realize the optimal configuration of ‘o6 + SRG’ as an example.
최근 하이브리드 자동차 시장에 발매된 토요타 사의 프리우스 3세대/4세대와 제너럴 모터스 사의 볼트 2세대와 같은 대부분의 동력분기형 하이브리드 전기차들은 가속성능을 향상시키기 위해 감속기어를 파워트레인에 사용하고 있다. 그러나 동력분기형 하이브리드 전기차는 (다양한 구조배열 경우의 수, 유성기어 비와 종감속기어 비와 같은 설계 변수 고려 시) 방대한 설계 공간으로 인해 감속기어가 연비와 가속성능에 미치는 영향을 밝히는 것은 상당히 어렵다. 본 논문에서는 감속기어가 고려된 입력 및 출력분기형 하이브리드 전기 자동차의 구조배열 선정을 위한 최적 설계 방법론을 제안한다. 방대한 물리적 설계 공간에서 중복되는 설계를 배제하기 위해 감속기어로 사용되는 유성기어를 단순 기어비로 모델링하였다. 가상의 단순화된 레버를 사용하여 감속기어가 고려된 입력 및 출력분기형 하이브리드 전기차의 전체 설계 공간에 대한 연비와 가속성능을 평가한다. 이를 통해 감속기어가 입력 및 출력분기형 하이브리드 전기차의 연비와 가속성능에 미치는 영향을 분석하고 최적의 설계를 찾는다. 그러나 단순화된 레버 평면 상의 결과를 곧바로 물리적 구현을 할 수 없기 때문에 단순화된 레버 설계 공간에서 물리적인 설계 공간으로 모델 도치를 제안한다. 시뮬레이션 결과 ‘i6’의 모터에 감속기어를 부착하면 연비와 가속성능이 모두 향상된다. 프리우스 2세대의 구조배열인 ‘i1’에 감속기어를 추가적으로 고려하면 연비와 가속성능을 향상시킬 수 있다. 실제로 도요타에서는 모터에 감속기어를 추가하여 사용하고 있다. 감속기어를 고려한 모든 입력 및 출력분기형 중에서 ‘o6+감속기어’가 최고의 연비와 가속성능을 보였다. 더 나아가서, 모델 도치의 예로 단순화된 레버 공간에서 우수한 성능의‘o6+감속기어’구조배열을 물리적인 설계 공간으로 변환하였다. 본 연구를 통해서 입력 및 출력분기형 하이브리드 자동차에 감속기어를 추가하여 연비와 가속성능가 향상된 구조배열을 찾고 물리적인 설계를 제시할 수 있다.
