DE102006040359B4 - Elektrisch variables Hybridgetriebe - Google Patents

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Abstract

Elektrisch variables Hybridgetriebesystem (10), das umfasst: ein automatisch schaltbares Leistungsgetriebe (18) mit einer Antriebswelle (46) und einer Abtriebswelle (48); ein drehbares Schwungrad (32), das in konzentrischer Beziehung bezüglich der Abtriebswelle (48) angeordnet ist; eine erste (24) und eine zweite (22) elektrische Energieeinheit; eine elektronische Steuerungseinheit (50) in elektrischer Verbindung mit den ersten (24) und zweiten (22) elektrischen Energieeinheiten; wobei die zweite elektrische Energieeinheit (22) durch eine hydrodynamische Antriebseinrichtung (20) selektiv mit der Antriebswelle (46) des automatisch schaltbaren Leistungsgetriebes (18) für eine im Wesentlichen einheitliche Drehung damit gekoppelt ist; einen ersten Planetenradsatz (28) mit einem ersten (60), zweiten (68) und dritten (62) Element, wobei das erste Element (60) dauerhaft mit der ersten elektrischen Energieeinheit (24) verbunden ist und das zweite Element (68) dauerhaft mit der Abtriebswelle (48) des automatisch schaltbaren Leistungsgetriebes (18) verbunden ist; und einen zweiten Planetenradsatz (30) mit einem ersten (70), zweiten (78) und dritten (72) Element, wobei das erste Element (70) dauerhaft mit dem Schwungrad (32) verbunden ist, das zweite Element (78) dauerhaft mit dem dritten Element (62) des ersten Planetenradsatzes (28) verbunden ist und das dritte Element (72) mit Masse verbunden ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft hybride Fahrzeugantriebsstränge.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Das elektrisch variable Hybridgetriebesystem (EVT für electrically variable transmission) wurde für Fahrzeuge vorgeschlagen, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und Emissionen zu verringern. Das EVT-System teilt mechanische Energie zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle eines Getriebes durch differentielle Zahnräder in einen mechanischen Energiepfad und einen elektrischen Energiepfad auf. Der mechanische Energiepfad kann Drehmomentübertragungsmechanismen, wie z. B. Kupplungen und Bremsen, und Zahnräder umfassen. Der elektrische Energiepfad kann zwei elektrische Energieeinheiten verwenden, von denen jede als Motor oder Generator arbeiten kann. Mit einer Energiespeichereinrichtung, wie z. B. einer chemischen Batterie, kann das EVT-System in einen hybriden Fahrzeugantriebsstrang für Hybridfahrzeuge eingebaut werden. Es können zusätzliche Energiespeichereinrichtungen, wie z. B. Schwungradbatterien, eingebaut werden, welche die Trägheit eines sich drehenden Schwungrads zum Speichern von kinetischer Energie verwenden. Durch Verwenden des sich drehenden Schwungrads zum Betreiben eines Generators wird die kinetische Energie anschließend in elektrische Energie umgewandelt. Traditionell ist die Schwungradbatterie von dem EVT-System entfernt angebracht.
  • Die GB 2 405 129 A offenbart ein unbeschränkt variables Getriebe mit einem Planetenradsatz, einer Abtriebswelle, die mit einem Trägerelement des Planetenradsatzes direkt verbunden ist, zwei Motor/Generatoren und einem Hochgeschwindigkeits-Schwungrad, wobei der Rotor des ersten Motor/Generators an der Abtriebswelle montiert ist und der Rotor des zweiten Motors/Generators an einem Hohlrad des Planetenradsatzes montiert ist. Eine Hochgeschwindigkeitswelle ist mit einem Sonnenrad des Planetenradsatzes sowie dem Schwungrad verbunden, so dass dem Schwungrad mit Hilfe des Planetenradsatzes Energie entnommen oder zugeführt werden kann.
  • In der DE 26 41 886 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb und mit einem Schwungrad offenbart, bei dem ein Leistungsverzweigungsgetriebe über einen Nebenabtrieb und ein Untersetzungsgetriebe um ein Schwungrad so erweitert ist, dass mechanische Energie direkt im Schwungrad gespeichert und von dort entnommen werden kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Unterstützung eines Verbrennungsmotors durch einen Motor/Generator beim Erzeugen von mechanischer Leistung zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein elektrisch variables Hybridgetriebesystem nach Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen des Hybridgetriebesystems sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines elektrisch variablen Hybridantriebsstrangs, der die Aspekte der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 2 ist eine grafische Darstellung, welche die Drehzahlen verschiedener Komponenten innerhalb des elektrisch variablen Antriebsstrangs von 1 bezogen auf die Geschwindigkeit des Hybridfahrzeugs zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bezug nehmend auf die Zeichnungen ist in 1 ein elektrisch variabler hybrider Antriebsstrang 10 zu sehen, der einen Motor 12, ein elektrisch variables Hybridgetriebesystem 14 und einen letztendlichen Antrieb 16 umfasst.
  • Das elektrisch variable Hybridgetriebesystem 14 umfasst ein automatisch schaltbares Getriebe 18, eine hydrodynamische Antriebseinrichtung 20, ein Paar von elektrischen Energieeinheiten 22 und 24, eine Hauptpumpe 26, einen ersten Planetenradsatz 28, einen zweiten Planetenradsatz 30 und ein Schwungrad 32. Die hydrodynamische Antriebseinrichtung 20 umfasst eine Fluidkopplung, wie z. B. einen Drehmomentwandler 34, und eine Überbrückungskupplung 36. Die Überbrückungskupplung 36 ist vorgesehen, um die Effizienz der hydrodynamischen Antriebseinrichtung 20 durch eine Verminderung der Schlupfverluste in dem Drehmomentwandler 34 zu steigern. Die Überbrückungskupplung 36 ist vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Dämpfungskupplung oder ECCC (ECCC für electronically coupled compliance clutch). Die ECCC lässt das Auftreten eines kleinen Betrags von Schlupf über die Überbrückungskupplung 36 zu, um die Zündimpulse des Motors 12 von dem Rest des elektrisch variablen Hybridantriebsstrangs 10 zu entkoppeln. Ein solches System ist im US Patent Nr. 4,582,185 von Grimes et. al., erteilt am 15. April 1986, und übertragen an den Anmelder der vorliegenden Erfindung, offenbart, welches durch Bezugnahme hierin vollständig umfasst ist. Der Drehmomentwandler 34 weist einen Pumpenabschnitt 38, einen Statorabschnitt 40 und einen Turbinenabschnitt 42 auf. Eine Abtriebswelle 44 des Motors 12 ist dauerhaft mit dem Pumpenabschnitt 38, der elektrischen Energieeinheit 22 und der Hauptpumpe 26 für eine einheitliche Drehung damit verbunden. Eine Antriebswelle 46 des automatischen Getriebes 18 ist dauerhaft mit dem Turbinenabschnitt 42 des Drehmomentwandlers 34 verbunden.
  • Wenn der Motor 12 die Abtriebswelle 44 antreibt, wird der Pumpenabschnitt 38 des Drehmomentwandlers 34 Fluid in den Turbinenabschnitt 42 zwingen und dadurch eine Drehung des Turbinenabschnitts 42 und der damit verbundenen Antriebswelle 46 verursachen. Durch Lenken von Fluid von dem Turbinenabschnitt 42 in den Pumpenabschnitt 38 schafft der Stator 40 eine Drehmomentvervielfachung. Der Motor 12 ist vorzugsweise ein Verbrennungsmotor, z. B. ein funkengezündeter oder kompressionsgezündeter Motor. Die Überbrückungskupplung 36 ist eingerückt, um die Abtriebswelle 44 des Motors 12 mit der Antriebswelle 46 des Getriebes 18 für eine im Wesentlichen einheitliche Drehung zu koppeln, wenn die relative Drehgeschwindigkeit zwischen dem Pumpenabschnitt 38 und dem Turbinenabschnitt 42 im Wesentlichen ähnlich sind. Die Hauptpumpe 26 dient dazu, unter Druck stehendes Fluid zur Verfügung zu stellen, um das Einrücken von Drehmomentübertragungsmechanismen (nicht dargestellt), die in dem automatischen Getriebe 18 enthalten sind, zu bewirken. Zusätzlich versorgt die Hauptpumpe 26 das Automatikgetriebe 18 mit einer Schmierung.
  • Das Automatikgetriebe 18 weist mehrere selektiv einstellbare Getriebeübersetzungen zwischen dem Motor 12 und dem letztendlichen Antrieb 16 auf. Diese Übersetzungen werden im Wesentlichen durch hydraulisch betriebene Drehmomentübertragungsmechanismen (nicht dargestellt), wie z. B. Kupplungen und Bremsen, eingestellt. Das Einrücken und Ausrücken dieser Drehmomentübertragungsmechanismen wird von Ventilmechanismen (nicht dargestellt) gesteuert, die hydraulisches Fluid an die und von den Arbeitskolben der Einrichtungen leiten. Eine Abtriebswelle 48 des Automatikgetriebes 18 dient dazu, ein Antriebsdrehmoment für den letztendlichen Antrieb 16 bereitzustellen.
  • Eine elektronische Steuereinheit 50 stellt eine Steuerung für die elektrischen Energieeinheiten 22 und 24 bereit. Die elektronische Steuereinheit 50 steht mit der elektrischen Energieeinheit 22 durch ein Paar von elektrischen Leitern 52 und 54 und mit der elektrischen Energieeinheit 24 durch ein Paar von elektrischen Leitern 56 und 58 in elektrischer Verbindung. Die elektrischen Energieeinheiten 22 und 24 sind vorzugsweise Motor/Generator-Einheiten, die entweder als Energielieferant (Motor) oder als Energieerzeuger arbeiten können. Wenn beide als Motor oder Energielieferant arbeiten, werden die elektrischen Energieeinheiten 22 und 24 dem Automatikgetriebe 18 Energie liefern. Wenn beide als Generator arbeiten, werden die elektrischen Energieeinheiten 22 und 24 elektrische Energie aus dem Automatikgetriebe 18 entnehmen. Die elektronische Steuereinheit 50 empfängt eine Anzahl von Eingängen von dem Fahrzeug, dem Motor 12 und dem Automatikgetriebe 18. Diese Eingänge können die Motordrehzahl, die Fahrzeuggeschwindigkeit und den Ansaugkrümmerluftdruck umfassen, um nur einige zu nennen. Diese Eingänge werden als Eingangssignale für einen digitalen Computer programmierbarer Art verwendet, der in die elektronische Steuereinheit 50 eingebettet ist. Die elektronische Steuereinheit 50 bewirkt dann eine Verteilung von Steuersignalen, um dem elektrisch variablen Hybridgetriebesystem 14 den Betrieb auf eine gesteuerte Weise zu ermöglichen.
  • Der Planetenradsatz 28 umfasst ein Sonnenradelement 60, ein Hohlradelement 62 und ein Planetenträgerbaugruppenelement 64. Das Planetenträgerbaugruppenelement 64 umfasst mehrere Planetenradelemente 66, die an einem Planetenträger 68 drehbar befestigt sind und in einer kämmenden Beziehung mit dem Sonnenradelement 60 und dem Hohlradelement 62 angeordnet sind.
  • Der Planetenradsatz 30 umfasst ein Sonnenradelement 70, ein Hohlradelement 72 und ein Planetenträgerbaugruppenelement 74. Das Planetenträgerbaugruppenelement 74 umfasst mehrere Planetenradelemente 76, die drehbar an einem Planetenträger 78 befestigt sind und in einer kämmenden Beziehung mit dem Sonnenradelement 70 und dem Hohlradelement 72 angeordnet sind.
  • Die elektrische Energieeinheit 24 ist mit dem Sonnenradelement 60 für eine einheitliche Drehung damit wirksam verbunden. Der Planetenträger 68 ist mit der Abtriebswelle 48 für eine einheitliche Drehung damit wirksam verbunden. Das Hohlrad 62 ist mit dem Planetenträger 78 für eine einheitliche Drehung damit wirksam verbunden. Das Sonnenrad 70 ist mit dem Schwungrad 32 für eine einheitliche Drehung damit wirksam verbunden. Das Hohlrad 72 ist mit Masse verbunden oder stationär gehalten. Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe erste, zweite und dritte Elemente der Planetenradsätze bei Verwendung in den Ansprüchen sich nicht notwendigerweise auf ein Element eines speziellen Typs beziehen; darum kann beispielsweise ein erstes Element ein Hohlradelement und/oder ein Sonnenradelement und/oder ein Planetenträger sein. Auf ähnliche Weise können die jeweiligen ersten, zweiten oder dritten Elemente von zwei oder mehr Zahnradsätzen, wie sie in den Ansprüchen verwendet werden, vom gleichen Elementtyp sein oder auch nicht.
  • 2 ist eine grafische Darstellung der Drehzahl (RPM) von Komponenten in dem elektrisch variablen Antriebsstrang 10 gegenüber der Fahrzeuggeschwindigkeit (MPH) des Hybridfahrzeugs. Nun auf 1 und 2 Bezug nehmend ist die Drehzahl des Motors 12 und daraus folgend die Drehzahl der elektrischen Energieeinheit 22 durch eine Kurve 80 dargestellt, die Drehzahl des Schwungrads 32 ist durch eine Kurve 82 dargestellt, die Drehzahl der elektrischen Energieeinheit 24 ist durch eine Kurve 84 dargestellt, und die Drehzahl der Abtriebswelle 48 des Automatikgetriebes 18 ist durch eine Kurve 86 dargestellt. Die Drehrichtung des Motors 12 wird als vorwärts oder positiv angesehen, während die Drehrichtung entgegen dem Motor 12 als rückwärts oder negativ angesehen wird. Die in 2 gezeigten Kurven gelten für einen maximalen Energiefluss durch das Fahrzeug. Das bedeutet, dass der Motor 12 in seinem Maximallastzustand betrieben wird und jede der elektrischen Energieeinheiten 22 und 24 in ihrem maximalen elektrischen Erzeugungszustand und/oder Energieausgabezustand arbeitet.
  • Wenn das Fahrzeug rückwärts betrieben wird, d. h. bei negativen Fahrzeuggeschwindigkeiten, steigt die Drehzahl des Motors 12 und der elektrischen Energieeinheit 22, wie durch die Kurve 80 gezeigt ist, von einem Leerlaufpunkt aus an. In der Rückwärtsbetriebsart wird sich die Abtriebswelle 48 in eine negative Richtung drehen und das Fahrzeug dazu veranlassen, sich rückwärts zu bewegen. Die elektrische Energieeinheit 24 wird als Generator arbeiten, um die elektrische Energieeinheit 22, die als Motor arbeitet, mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • Wenn das Fahrzeug in der Vorwärtsbereichbetriebsart betrieben wird, wird die Drehzahl des Motors 12 und der elektrischen Energieeinheit 22, wie durch die Kurve 80 gezeigt ist, von einem Leerlaufdrehzahlzustand aus ansteigen. Die stufenförmige Natur der Kurve 80 ist ein Ergebnis des Einrückens der Überbrückungskupplung 36 bei verschiedenen Getriebeübersetzungen des Automatikgetriebes 18. Die Drehzahl der Abtriebswelle 48 wird ansteigen, wie durch die Kurve 86 dargestellt ist, und das Fahrzeug vorwärts vorantreiben. Die Drehzahl des Schwungrads 32 wird, wie durch die Kurve 82 dargestellt ist, abnehmen, so dass die kinetische Rotationsenergie durch die Planetenradsätze 28 und 30 an die elektrische Energieeinheit 24 übertragen wird. Die elektrische Energieeinheit 24, die als Generator arbeitet, versorgt die elektrische Energieeinheit 22, die als Motor arbeitet, über die elektronische Steuereinheit 50 mit elektrischer Energie. Wenn das Fahrzeug bei Geschwindigkeiten, die in 2 durch den Punkt 88 dargestellt sind, betrieben wird, schaltet die elektrische Energieeinheit 24 von einem Betrieb als Generator um und beginnt als Generator zu arbeiten. Gleichzeitig schaltet die elektrische Energieeinheit 22 von einem Betrieb als Motor um, um als Generator zu arbeiten. Das Schwungrad 32 wird den elektrisch variablen Antriebsstrang 10 bis zu einem Punkt 90, der in 2 gezeigt ist, weiterhin mit Energie versorgen. Bei Punkt 90 arbeiten die elektrischen Energieeinheiten 22 und 24 als Generatoren.

Claims (3)

  1. Elektrisch variables Hybridgetriebesystem (10), das umfasst: ein automatisch schaltbares Leistungsgetriebe (18) mit einer Antriebswelle (46) und einer Abtriebswelle (48); ein drehbares Schwungrad (32), das in konzentrischer Beziehung bezüglich der Abtriebswelle (48) angeordnet ist; eine erste (24) und eine zweite (22) elektrische Energieeinheit; eine elektronische Steuerungseinheit (50) in elektrischer Verbindung mit den ersten (24) und zweiten (22) elektrischen Energieeinheiten; wobei die zweite elektrische Energieeinheit (22) durch eine hydrodynamische Antriebseinrichtung (20) selektiv mit der Antriebswelle (46) des automatisch schaltbaren Leistungsgetriebes (18) für eine im Wesentlichen einheitliche Drehung damit gekoppelt ist; einen ersten Planetenradsatz (28) mit einem ersten (60), zweiten (68) und dritten (62) Element, wobei das erste Element (60) dauerhaft mit der ersten elektrischen Energieeinheit (24) verbunden ist und das zweite Element (68) dauerhaft mit der Abtriebswelle (48) des automatisch schaltbaren Leistungsgetriebes (18) verbunden ist; und einen zweiten Planetenradsatz (30) mit einem ersten (70), zweiten (78) und dritten (72) Element, wobei das erste Element (70) dauerhaft mit dem Schwungrad (32) verbunden ist, das zweite Element (78) dauerhaft mit dem dritten Element (62) des ersten Planetenradsatzes (28) verbunden ist und das dritte Element (72) mit Masse verbunden ist.
  2. Elektrisch variables Hybridgetriebesystem (10) nach Anspruch 1, wobei die ersten (24) und zweiten (22) elektrischen Energieeinheiten Motor/Generator-Einheiten sind.
  3. Elektrisch variables Hybridgetriebesystem (10) nach Anspruch 1, wobei das erste Element (60, 70) des ersten (28) und zweiten (30) Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist, das zweite Element (68, 78) des ersten (28) und zweiten (30) Planetenradsatzes ein Planetenträgerelement ist, und das dritte Element (62, 72) des ersten (28) und zweiten (30) Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist.
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