DE10057096B4

DE10057096B4 - Starter-Generator-Vorrichtung

Info

Publication number: DE10057096B4
Application number: DE2000157096
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing.(FH) Meixner; Mario Dipl.-Ing. Schenker
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2020-11-18
Also published as: DE10057096A1

Abstract

Starter-Generator-Vorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor, die im Kraftfluss zwischen einer Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine und der Antriebswelle eines Geschwindigkeits-Wechselgetriebes angeordnet ist, wobei der Rotor mit einem Planetengetriebe zusammenwirkt und eine Kupplung zum Deaktivieren des Planetengetriebes vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei benachbarte und separat ansteuerbare Statoren (20, 22) und Rotoren (24, 26) als elektrische Maschinen (16, 18) vorgesehen sind,
dass der erste Rotor (24) über das Außenrad (30) des Planetengetriebes (28) mit der Abtriebswelle (10) der Brennkraftmaschine verbunden ist,
dass der zweite Rotor (26) mit dem Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) verbunden ist,
dass die Antriebswelle (12) mit dem Sonnenrad (32) des Planetengetriebes (28) verbunden ist,
und dass über die Kupplung (38) das Sonnenrad (32) und der Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) überbrückbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Starter-Generator-Vorrichtung für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Starter-Generator-Vorrichtung.

Eine gattungsgemäße Starter-Generator-Vorrichtung beschreibt beispielsweise die DE 41 12 215 C1 . Die im Kraftfluss der Brennkraftmaschine und einem anschließenden Geschwindigkeits-Wechselgetriebe angeordnete elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor kann unter Zwischenschaltung eines Planetengetriebes mit einem Sonnenrad, mit an einem Planetenradträger gelagerten Planetenrädern und einem kuppelbaren Außenrad beim Startvorgang die Brennkraftmaschine antreiben oder über eine zweite fliehkraftgesteuerte Kupplung (Freilauf) als Generator geschaltet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Starter-Generator-Vorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die durch Nutzung eines Planetengetriebes zur Synchronisation eines Schaltgetriebes bei baulich günstiger Anordnung vermehrt getriebetechnische Freiheitsgrade ermöglicht. Ferner wird ein hinsichtlich des Wirkungsgrads vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der Starter-Generator-Vorrichtung vorgeschlagen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Starter-Generator-Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist den Merkmalen des Patentanspruchs 7 entnehmbar, demzufolge die beiden elektrischen Maschinen und die Kupplung mittels eines elektronischen Steuergeräts abhängig von Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs und von Drehzahl- und Gangsignalen separat und mit unterschiedlichen Stromstärken beaufschlagbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Durch die vorgeschlagene Ausbildung der Starter-Generator-Vorrichtung mit zwei elektrischen Maschinen, wobei die beiden Statoren als eine Baueinheit mit zwei separaten Feldwicklungen ausgeführt sein können, und die getriebetechnische Anbindung des Planetengetriebes (mit einem einfachen Planetennadsatz) können folgende Freiheitsgrade bzw. Antriebszustände dargestellt werden:

– Durch Bestromen beider elektrischer Maschinen bei geschlossener Überbrückungskupplung kann die Brennkraftmaschine gestartet werden, die Antriebswelle des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes dreht dabei mit;
– bei antreibender Brennkraftmaschine können beide elektrischen Maschinen als Generatoren geschaltet werden;
– bei antreibender Brennkraftmaschine kann die eine elektrische Maschine als Generator geschaltet werden, die zweite elektrische Maschine läuft leer bzw. ist nur gering bestromt, so dass sich an dem angeschlossenen Planetenradträger des Planetengetriebes eine Differenzdrehzahl einstellt, die einem Stillstand des Sonnenrads des Planetengetriebes bzw. einem Auskuppeln der mit dem Sonnenrad verbundenen Getriebe-Antriebswelle entspricht;
– durch stärkeres Bestromen dieser zweiten elektrischen Maschine wird der zweite Rotor und der Planetenradträger des Planetenradgetriebes beschleunigt, bis die Antriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine und die Drehzahl der Getriebe-Antriebswelle synchron sind – dies entspricht bei eingelegtem Getriebegang einem gezielten Anfahren des Kraftfahrzeugs;
– beim Erreichen der Synchrondrehzahl (diese kann auch bei weiteren Schaltvorgängen entsprechend eingeregelt werden) kann die Überbrückungskupplung geschlossen werden und das Planetengetriebe wirkt als in sich starres Übertragungsmittel.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels entnehmbar.

Die schematische Zeichnung dazu zeigt die Abtriebswelle einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, die Antriebswelle eines nachgeschalteten Geschwindigkeits-Wechselgetriebes, und dazwischenliegend eine Starter-Generator-Vorrichtung mit zwei elektrischen Maschinen und einem Planetengetriebe mit einer Überbrückungskupplung.

Als Abtriebswelle 10 ist schematisch die Kurbelwelle einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug dargestellt, die die Antriebswelle 12 eines nicht dargestellten Geschwindigkeits-Wechselgetriebes, bsp. eines automatisierten Schaltgetriebes, antreibt.
Dazwischen geschaltet ist eine Starter-Generator-Vorrichtung 14 mit folgenden Bauteilen:

– zwei elektrischen Maschinen 16, 18, mit je einem Stator 20, 22 und je einem Rotor 24, 26;
– ein Planetengetriebe 28 als einfacher Planetenradsatz mit einem innenverzahnten Außenrad 30 als erstem Getriebeelement, einem außenverzahnten Sonnenrad 32 als zweitem Getriebeelement und einem Planetenradträger 34 mit mehreren an diesem drehbar gelagerten Planetenrädern 36 als drittem Getriebeelement;
– einer Überbrückungskupplung 38, die als formschlüssig wirkende Klauenkupplung mit einem außenverzahnten Kupplungskörper 40 und einer innenverzahnten Schiebemuffe 42 ausgebildet ist.

Die beiden elektrischen Maschinen 16, 18 können bekannter Bauart sein, bsp. Drehstrommaschinen, die in bekannter Weise als Antriebsmaschinen zum elektrischen Antrieb (Starten) der Brennkraftmaschine und/oder zum Antrieb des Kraftfahrzeuges dienen und die zur Stromerzeugung und Energierückgewinnung beim Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs als Generatoren geschaltet werden können.
Die elektrischen Maschinen 16, 18 sind dabei über ein elektronisches Steuergerät 44 nach Maßgabe fahrzeugspezifischer Parameter (bsp. Lastzustand α der Brennkraftmaschine, Gangsignale i des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes, Kupplungssignale k bei Gangwechseln) und durch Auswertung von Drehzahlsignalen n-1, n-2 von entsprechenden Drehzahlsensoren 46, 48 an der Kurbelwelle 10 und an der Antriebswelle 12 separat zur Steuerung der Antriebs- oder Generatorleistung (= Bremsleistung) ansteuerbar.
Die beiden Statoren 20, 22 der elektrischen Maschinen 16, 18 können in baulich günstiger Weise wie schematisch dargestellt als eine Baueinheit ringförmig um die beiden Rotoren 24, 26 herum ausgeführt sein. Die separate Ansteuerung der beiden Statoren 20, 22 bzw. der Rotoren 24, 26 muss jedoch gewährleistet sein.
Der ringförmige Rotor 24 der ersten elektrischen Maschine 16 sitzt ringförmig auf einer Schwungscheibe 50, die mit der Kurbelwelle 10 fest verbunden ist. Die Schwungscheibe 50 trägt ferner das Außenrad 30 des Planetengetriebes 28, wobei es mit den Planetenrädern 36 kämmend im Eingriff ist.
Der ringförmige Rotor 26 der zweiten elektrischen Maschine 18 ist mit dem Planetenradträger 34 des Planetengetriebes 18 fest verbunden. Zudem ist an dem Planetenradträger 34 ein außenverzahnter Kupplungsring 52 ausgebildet, der mit der Schiebemuffe 42 und dem Kupplungskörper 40 die Überbrückungskupplung 38 bildet.
Das ebenfalls mit den Planetenrädern 36 kämmende Sonnenrad 32 schließlich sitzt fest auf der Antriebswelle 12 des nicht dargestellten Geschwindigkeits-Wechselgetriebes, auf dem unter Zwischenschaltung eines Drehschwingungsdämpfers 54 auch der Kupplungskörper 40 aufgenommen ist.
Der nur schematisch angedeutete Drehschwingungsdämpfer 54 kann wie bei Zweimassenschwungrädern an Brennkraftmaschinen bekannt ausgeführt sein. Er ist wirksam, wenn die Überbrückungskupplung 38 geschlossen ist, wobei dann im wesentlichen die Bauteile 50, 24 und 30 als Primärmasse und die Bauteile 40, 42, 34 und 26 als Sekundärmasse zueinander begrenzt drehschwingungsentkoppelt wirken.
Wie ersichtlich ist, sind die beiden elektrischen Maschinen 16, 18 unmittelbar einander benachbart angeordnet, wobei das Planetengetriebe 28 baulich günstig radial innerhalb der beiden ringförmigen Rotoren 24, 26 positioniert ist; die Überbrückungskupplung 38 auf der Antriebswelle 12 ist dem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe unmittelbar benachbart und kann ggf. von der Getriebehydraulik oder Getriebeelektrik (nicht dargestellt) gesteuert über das Steuergerät 44 durch entsprechendes Verschieben der Schiebemuffe 42 geöffnet oder geschlossen werden.
Die beschriebene Starter-Generator-Vorrichtung 14 kann vorteilhaft über das elektronische Steuergerät 44 wie folgt betrieben werden:
– Starten der Brennkraftmaschine:
Die Kupplung 38 ist geöffnet und dadurch der Drehschwingungsdämpfer 54 vor Resonanzschwingungen beim Anlassen geschützt; beide elektrische Maschinen 16, 18 werden angesteuert und wirken gemeinsam als Antriebmaschine. Dabei wird die Antriebswelle 12 des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes durch einen eingelegten Gang festgehalten.
Theoretisch wäre auch ein Startvorgang durchführbar, bei dem die Überbrückungskupplung 38 geschlossen ist und beide Rotoren 24, 26 mit gleicher Drehzahl drehen. Die Antriebswelle 12 dreht dann frei mit, das Planetengetriebe 28 ist ohne Funktion.
– Leerlauf der Brennkraftmaschine:
Im Leerlauf der Brennkraftmaschine wird der erste Rotor 24 als Generator geschaltet und erzeugt Strom.
Der zweite Rotor 26 ist stromlos oder nur zum Ausgleich der Verlustleistung des Planetengetriebes 28 gering bestromt und läuft mit einer über das Steuergerät 44 eingeregelten Differenzdrehzahl um, die einen Stillstand des Sonnenrads 32 bzw. der Antriebswelle 12 bewirkt. Dadurch kann bsp. der Anfahrgang bei dem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe eingeschaltet werden.
– Anfahren des Kraftfahrzeugs:
Ist im Geschwindigkeits-Wechselgetriebe bsp. der erste Gang eingelegt, so kann abhängig von bsp. der Leistungsanforderung bzw. vom Lastzustand α der Brennkraftmaschine das Anfahren gesteuert werden, in dem der zweite Rotor 26 durch entsprechende Strombeaufschlagung beschleunigt wird, bis zwischen der Abtriebswelle 10 der Brennkraftmaschine und der Antriebswelle 12 des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes Drehzahlgleichheit vorliegt. Dann wird über das Steuergerät 44 die Kupplung 38 geschlossen und anschließend kann bei Bedarf die zweite elektrische Maschine 18 ebenfalls als Generator zur Stromerzeugung geschaltet werden.
– Übersetzungs- bzw. Gangwechsel im Geschwindigkeits-Wechselgetriebe:
Bei einem Gangwechsel im Geschwindigkeits-Wechselgetriebe zur Änderung der Übersetzung kann ggf. durch Verzögern oder Beschleunigen des Planetenradträgers 34 als freies Getriebeelement mittels des zweiten Rotors 26 eine Synchrondrehzahl der Antriebswelle 12 gesteuert werden, so dass Synchronisierungsmittel inner halb des Schaltgetriebes entfallen können. Die Kupplung 38 ist selbstverständlich beim Gangwechsel geöffnet.
– Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs:
Im Schubbetrieb (bsp. Bergabfahrt) kann die Brennkraftmaschine abgestellt sein, die Kupplung 38 ist dann geöffnet. Die Bremsleistung und Energierückgewinnung erfolgt über die als Generator geschaltete zweite elektrische Maschine 18, während der Rotor 24 der ersten elektrischen Maschine 16 mit der Kurbelwelle 10 der Brennkraftmaschine stillsteht.
Reicht die so eingesteuerte Bremsleistung nicht aus, so wird ggf. auch die Brennkraftmaschine mit angetrieben und es kann auch die erste elektrische Maschine 16 zusätzlich als Generator geschaltet werden.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So können die Eingangs- und Ausgangs-Getriebeelemente des Planetengetriebes 28 auch in einer anderen Anordnung mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine, der Antriebswelle des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes und mit den beiden Rotoren 24, 26 verbunden sein. Anstelle der formschlüssigen Kupplung 38 kann auch eine reibschlüssige nass oder trocken laufende Kupplung verwendet sein. Sofern im Kraftfluss vor der Schwungscheibe 50 eine weitere steuerbare Kupplung vorgesehen ist, können die elektrischen Maschinen 16, 18 auch das Kraftfahrzeug ohne die Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine (Boosten) antreiben.

Claims

Starter-Generator-Vorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor, die im Kraftfluss zwischen einer Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine und der Antriebswelle eines Geschwindigkeits-Wechselgetriebes angeordnet ist, wobei der Rotor mit einem Planetengetriebe zusammenwirkt und eine Kupplung zum Deaktivieren des Planetengetriebes vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte und separat ansteuerbare Statoren (20, 22) und Rotoren (24, 26) als elektrische Maschinen (16, 18) vorgesehen sind, dass der erste Rotor (24) über das Außenrad (30) des Planetengetriebes (28) mit der Abtriebswelle (10) der Brennkraftmaschine verbunden ist, dass der zweite Rotor (26) mit dem Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) verbunden ist, dass die Antriebswelle (12) mit dem Sonnenrad (32) des Planetengetriebes (28) verbunden ist, und dass über die Kupplung (38) das Sonnenrad (32) und der Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) überbrückbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rotoren (24, 26) axial nebeneinander angeordnet sind, und dass das Planetengetriebe (28) radial innerhalb der beiden Rotoren (24, 26) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (38) auf der dem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe zugewandten Seite angeordnet ist und im geschlossenen Zustand das Sonnenrad (32) des Planetengetriebes (28) mit dem Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) kuppelt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (38) eine formschlüssige Klauenkupplung ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftfluss zwischen der Kupplung (38) und der Antriebswelle (12) des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes ein Drehschwingungsdämpfer (54) eingeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Statoren (20, 22) als Baueinheit ausgeführt sind.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrischen Maschinen (16, 18) und die Kupplung (38) mittels eines elektronischen Steuergerätes (44) abhängig von Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs und von Drehzahl- und Gangsignalen separat ansteuerbar sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten der Brennkraftmaschine beide Statoren (20, 22) mit Strom beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anhalten des Kraftfahrzeugs und/oder zum Schalten eines Gangs und/oder zum Herstellen eines Synchronzustands im Geschwindigkeits-Wechselgetriebe bei geöffneter Kupplung (38) der mit dem Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) verbundene zweite Rotor (26) so drehzahlgesteuert wird, dass bei stehendem Kraftfahrzeug ein Stillstand der Antriebswelle (12) oder bei Schaltvorgängen eine definierte Synchrondrehzahl erreicht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren des Kraftfahrzeugs aus dem Stillstand bei geöffneter Kupplung (38) der zweite Rotor (26) bis zum Gleichlauf zwischen Abtriebswelle (10) und Antriebswelle (12) beschleunigt und danach die Kupplung (38) geschlossen wird.