DE102009034509B4 - Axle gears for vehicles - Google Patents

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Abstract

Achsgetriebe für Fahrzeuge, umfassend:- eine linke und eine rechte Abtriebswelle (111a, 111b);- eine erste elektrische Antriebsmaschine (105a), welche mit der linken Abtriebswelle (111a) in Wirkverbindung steht;- eine zweite elektrische Antriebsmaschine (105b), welche mit der rechten Abtriebswelle (111b) in Wirkverbindung steht;- wobei die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine (105a, 105b) jeweils als Drehstromgenerator ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass- die elektrischen Antriebsmaschinen (105a, 105b) dazu vorgesehen sind, in einem oder mehreren vorbestimmten Betriebszuständen ein Drehmoment zu erzeugen, welches ein Differenzmoment zwischen der linken und der rechten Abtriebswelle (111a, 111b) erzeugt, so dass die beiden Abtriebswellen (111a, 111b) unterschiedlich große Drehmomente übertragen können, und- die Drehstromgeneratoren als Doppelgeneratoren ausgebildet sind, mit denen in einem Rekuperationsbetrieb die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes vornehmbar ist.Axle drive for vehicles, comprising: - a left and a right output shaft (111a, 111b); - a first electric drive machine (105a), which is in operative connection with the left output shaft (111a); - a second electric drive machine (105b), which is operatively connected to the right-hand output shaft (111b);- the first and the second electric drive machines (105a, 105b) each being designed as a three-phase generator, characterized in that- the electric drive machines (105a, 105b) are provided for this purpose, in a or several predetermined operating states to generate a torque which generates a differential torque between the left and the right output shaft (111a, 111b), so that the two output shafts (111a, 111b) can transmit torques of different magnitudes, and the three-phase generators are designed as double generators , with which the supply of a two-voltage electrical system vornehmb in a recuperation operation are.

Description

Die Erfindung betrifft ein Achsgetriebe für Fahrzeuge. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Achsgetriebe zum Verteilen eines Antriebsmoments auf wenigstens zwei Abtriebswellen einer Hinterachse eines Fahrzeugs.The invention relates to an axle drive for vehicles. The invention particularly relates to an axle drive for distributing a drive torque to at least two output shafts of a rear axle of a vehicle.

Bei Fahrzeugen wird ein von einer Antriebsmaschine erzeugtes Antriebsmoment bedarfsgerecht über ein Getriebe zu den Antriebsrädern geleitet. Zur Leistungsverteilung werden Ausgleichsgetriebe eingesetzt, wobei als Ausgleichsgetriebe sog. Querdifferentiale in Bezug auf die Fahrtrichtung eines Fahrzeugs zur Querverteilung der Antriebsleistung auf die Antriebsräder einer Fahrzeugachse verwendet werden. Für die Quermomentverteilung an der Hinterachse von Fahrzeugen sind verschiedene Arten von Ausgleichsgetrieben bekannt, die auch als sog. Torque-Vectoring-Systeme bezeichnet werden. Hierbei wird zwischen kupplungsbasierten und kupplungslosen Systemen unterschieden. Ein kupplungsloses Torque-Vectoring-System mit einer elektromotorischen Aktuierung ist beispielsweise aus der DE 103 19 684 A1 bekannt. Bei diesem System wird zur Quermomentverteilung ein einziger Elektromotor verwendet.In vehicles, a drive torque generated by a prime mover is transmitted to the drive wheels via a transmission as required. Differential gears are used for power distribution, so-called transverse differentials being used as differential gears in relation to the direction of travel of a vehicle for transverse distribution of the drive power to the drive wheels of a vehicle axle. Various types of differential gears are known for the transverse torque distribution on the rear axle of vehicles, which are also referred to as so-called torque vectoring systems. A distinction is made between clutch-based and clutchless systems. A clutchless torque vectoring system with an electric motor actuation is, for example, from DE 103 19 684 A1 famous. In this system, a single electric motor is used to distribute transverse torque.

Daneben können auch direktmotorische, kupplungslose Systeme (kupplungsloses Momentenverteilungssystem KMV) zu einer Quermomentverteilung an einer Antriebsachse eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Eine schematische Darstellung eines derartigen Systems ist beispielhaft in 2 dargestellt. Bei dem in 2 gezeigten Achsgetriebe wird mit Hilfe zweier elektrischer Antriebsmaschinen 105a, 105b ein Bremsmoment auf einen Planetenträger 107 eines Überlagerungsgetriebes 107, 109 aufgebracht. In einem nicht aktuierten Fall, d.h. bei gleichem Drehmoment an den Abtriebswellen 111 a, 111b, erfolgt ein Antriebsmomentenfluss über ein Ritzel 101 der Antriebswelle 100. Das Antriebsmoment wird über ein Tellerrad 102 und ein Kegelraddifferential 103 auf zwei Abtriebswellen 111a, 111b verteilt. Dies entspricht dem Antriebsfluss eines konventionellen, passiven Achsgetriebes mit offenem Differential. Sofern über eine der elektrischen Antriebsmaschinen 105a, 105b ein Bremsmoment auf die zugeordnete Abtriebswelle 111a, 111b aufgebracht wird, wird über ein Ritzel 106 der Planetenträger 107 des Überlagerungsgetriebes abgebremst. Somit erfolgt ein zusätzlicher Momentenfluss von dem Kegelraddifferential 103 über das Überlagerungsgetriebe 107, 109 auf eine jeweilige Abtriebswelle 111a, 111b.In addition, direct-motor, clutchless systems (clutchless torque distribution system KMV) can also be used for transverse torque distribution on a drive axle of a vehicle. A schematic representation of such a system is shown in 2 shown. At the in 2 Axle drive shown, a braking torque is applied to a planetary carrier 107 of a superposition gear 107, 109 with the aid of two electric drive machines 105a, 105b. In a non-actuated case, ie with the same torque on the output shafts 111a, 111b, a drive torque flow takes place via a pinion 101 of the drive shaft 100. The drive torque is distributed via a ring gear 102 and a bevel gear differential 103 to two output shafts 111a, 111b. This corresponds to the drive flow of a conventional, passive axle drive with an open differential. If a braking torque is applied to the associated output shaft 111a, 111b via one of the electric drive machines 105a, 105b, the planetary carrier 107 of the superposition gear is braked via a pinion 106. Thus, there is an additional flow of torque from the bevel gear differential 103 via the superposition gear 107, 109 to a respective output shaft 111a, 111b.

Das Bremsmoment kann durch elektromotorisches Bremsen unter Energiezufuhr aus einem Bordnetz des Fahrzeugs oder durch generatorisches Bremens unter Energiezufuhr aus dem Antriebsstrang erzeugt werden. Ferner ist die zusätzliche Einspeisung eines elektromotorischen Antriebsmoments über eine der beiden elektrischen Antriebsmaschinen 105a, 105b möglich. Hierbei ist insbesondere ein kombinierter Betrieb vorteilhaft, z.B. ein generatorisches Bremsen mit der Antriebsmaschine 105a und Nutzung der rückgespeisten Energie zum Antrieb der Antriebsmaschine 105b. Über die erste elektrische Antriebsmaschine 105a kann aus dem Antriebsstrang eine Leistung gewonnen werden. Diese wird in Kombination mit einem Leistungsanteil, der aus dem Bordnetz bezogen wird, für den Antrieb der zweiten Antriebsmaschine 105b genutzt. Dadurch kann das von der einzelnen Antriebsmaschine zu stellende Moment reduziert werden.The braking torque can be generated by electromotive braking with energy being supplied from an on-board network of the vehicle or by regenerative braking with energy being supplied from the drive train. Furthermore, the additional feeding of an electromotive drive torque via one of the two electric drive machines 105a, 105b is possible. In this case, combined operation is particularly advantageous, e.g. regenerative braking with the drive machine 105a and use of the energy fed back to drive the drive machine 105b. Power can be obtained from the drive train via the first electric drive machine 105a. This is used in combination with a portion of the power drawn from the vehicle electrical system to drive the second drive machine 105b. As a result, the torque to be set by the individual drive machine can be reduced.

Eine entscheidende Rolle zur Gewährleistung der beschriebenen Funktion kommt hierbei den verwendeten elektrischen Antriebsmaschinen zu. Bestehende kupplungslose Torque-Vectoring-Systeme sehen als Antriebsmaschinen permanentmagnetisch erregte, elektrisch kommutierte (EC)-Maschinen vor. Beispielsweise werden permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen oder Transversalflussmaschinen eingesetzt. Der Vorteil dieser Antriebsmaschinen besteht darin, dass diese verschleißfrei arbeiten und gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte aufweisen. Der Einsatz permanentmagnetisch erregter EC-Maschinen in einem Achsgetriebe der beschriebenen Art bringt jedoch folgende Nachteile mit sich.

  1. 1. Im inaktiven Betrieb des Achsgetriebes entstehen hohe Schleppverluste. Aufgrund der sich zeitlich bzw. rotatorisch ändernden permanentmagnetisch erregten Luftspaltfelder der EC-Maschinen treten im inaktiven Betriebszustand des Achsgetriebes, d.h. bei einer ungebremsten Geradeausfahrt des Fahrzeugs, magnetische Verluste auf. Da sich die magnetischen Schleppverluste mit mechanischen Schleppverlusten summieren, werden Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen erhöht.
  2. 2. Im Fehlerfall des Achsgetriebes muss ein sofortiger Wechsel des aktuellen Betriebszustands in einen vollständigen Leerlauf erfolgen. Vollständiger Leerlauf bedeutet, dass von den Antriebsmaschinen keinerlei Momente auf die Abtriebswellen aufgebracht werden. Fällt beispielsweise bei dem in 2 beschriebenen Achsgetriebe eine der beiden Antriebsmaschinen 105a, 105b aus, so muss gewährleistet sein, dass die noch arbeitende, zweite Antriebsmaschine unverzüglich in den Leerlauf überführt wird. Ohne diese Funktion besteht die Gefahr, dass das Fahrzeug aufgrund des fehlerhaften, einseitigen Betriebs und des daraus hervorgehenden Giermoments einen sicherheitskritischen Zustand einnehmen kann. Aufgrund der bereits erwähnten magnetischen Schleppverluste ist eine derartige Sicherheitsfunktion mit EC-Maschinen nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar. Der Wechsel des Betriebszustands in den vollständigen Leerlauf kann nur durch eine Regelung realisiert werden, die das Antriebsmoment der jeweiligen Antriebsmaschinen aktiv zu Null regelt. Eine zuverlässige Ausführung der derartigen Sicherheitsfunktion ist nur sehr aufwändig realisierbar.
  3. 3. Ein weiterer Nachteil ist die thermische Belastung der Leistungselektronik im Rekuperationsbetrieb. Die im Rekuperationsbetrieb generierte elektrische Leistung hängt funktionsbedingt von der Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschinen bzw. der Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Die Regelung einer konstanten Ladespannung einer Batterie erfordert, überschüssig generierte elektrische Leistung abzuleiten. Die dabei entstehende Wärme muss durch eine geeignete Kühlung der Leistungselektronik abgeführt werden, welche wiederum zusätzliche Kosten verursacht.
  4. 4. Die elektrischen Antriebsmaschinen derzeitiger Achsgetriebe sind hinsichtlich kostenökonomischer und fertigungstechnischer Aspekte nur bedingt in Serienfahrzeugen einsetzbar, da permanentmagnetisch erregte EC-Maschinen sehr teuer sind.
The electrical drive machines used play a decisive role in ensuring the function described. Existing clutchless torque vectoring systems use permanently magnetically excited, electrically commutated (EC) machines as drive machines. For example, synchronous machines excited by permanent magnets or transverse flux machines are used. The advantage of these drive machines is that they work wear-free and at the same time have a high power density. However, the use of permanent-magnetically excited EC machines in an axle drive of the type described has the following disadvantages.
  1. 1. High drag losses occur when the axle drive is inactive. Due to the permanently magnetically excited air gap fields of the EC machines, which change over time or rotate, magnetic losses occur in the inactive operating state of the axle drive, ie when the vehicle is driving straight ahead without braking. Since the magnetic drag losses add up with the mechanical drag losses, fuel consumption and CO 2 emissions are increased.
  2. 2. In the event of a fault in the axle drive, the current operating status must change immediately to completely idle. Complete idling means that the driving machines do not apply any torque to the output shafts. If, for example, the in 2 If one of the two drive machines 105a, 105b is switched out of the axle drive described, it must be ensured that the second drive machine, which is still working, is immediately switched to idle. Without this function, there is a risk that the vehicle could assume a safety-critical state due to faulty, one-sided operation and the resulting yaw moment. Due to the already mentioned magnetic drag losses such a safety function can only be implemented with EC machines at great expense. The change in the operating state to complete idle can only be implemented by a control system that actively regulates the drive torque of the respective drive machine to zero. Reliable execution of such a safety function can only be implemented with great effort.
  3. 3. Another disadvantage is the thermal load on the power electronics in recuperation mode. The electrical power generated in recuperation mode depends on the function of the speed of the electrical drive units or the vehicle speed. Controlling a constant charging voltage of a battery requires dissipating excess electrical power generated. The resulting heat must be dissipated by suitable cooling of the power electronics, which in turn causes additional costs.
  4. 4. The electric drive machines of current axle drives can only be used to a limited extent in production vehicles with regard to cost-effectiveness and production engineering aspects, since EC machines with permanent magnets are very expensive.

Die DE 697 02 231 T2 offenbart ein Achsgetriebe für ein Fahrzeug, das eine linke und eine rechte Abtriebswelle, eine erste elektrische Antriebsmaschine, welche mit der linken Abtriebswelle in Wirkverbindung steht, und eine zweite elektrische Antriebsmaschine, welche mit der rechten Abtriebswelle in Wirkverbindung steht, umfasst. Hierbei sind die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine jeweils als Drehstromgenerator ausgebildet.the DE 697 02 231 T2 discloses an axle drive for a vehicle that includes left and right output shafts, a first electric prime mover operatively connected to the left output shaft, and a second electric prime mover operatively connected to the right output shaft. Here, the first and the second electric drive machine are each designed as a three-phase generator.

Die WO 2004 / 022 373 A1 offenbart eine Antriebsachse mit variabler Momentenverteilung für ein Kraftfahrzeug.the WO 2004/022 373 A1 discloses a drive axle with variable torque distribution for a motor vehicle.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Achsgetriebe anzugeben, welches die eingangs beschriebene Funktion auf einfachere und kostengünstigere Weise bereitstellt.It is therefore the object of the present invention to specify an axle drive which provides the function described at the outset in a simpler and more cost-effective manner.

Diese Aufgabe wird durch ein Achsgetriebe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.This problem is solved by an axle drive with the features of patent claim 1 . Advantageous configurations result from the dependent patent claims.

Die Erfindung schafft ein Achsgetriebe für Fahrzeuge, das eine linke und eine rechte Abtriebswelle, eine erste elektrische Antriebsmaschine, welche mit der linken Abtriebswelle in Wirkverbindung steht, und eine zweite elektrische Antriebsmaschine, welche mit der rechten Abtriebswelle in Wirkverbindung steht, umfasst. Hierbei sind die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine jeweils als Drehstromgenerator ausgebildet. Die elektrischen Antriebsmaschinen sind erfindungsgemäß dazu vorgesehen, in einem oder mehreren vorbestimmten Betriebszuständen ein Drehmoment zu erzeugen, welches ein Differenzmoment zwischen der linken und der rechten Abtriebswelle erzeugt, so dass die beiden Abtriebswellen unterschiedlich große Drehmomente übertragen können. Weiter sind die Drehstromgeneratoren als Doppelgeneratoren ausgebildet, mit denen in einem Rekuperationsbetrieb die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes vornehmbar ist.The invention provides an axle drive for vehicles, which comprises a left and a right output shaft, a first electric drive machine, which is operatively connected to the left output shaft, and a second electric drive machine, which is operatively connected to the right output shaft. Here, the first and the second electric drive machine are each designed as a three-phase generator. According to the invention, the electric drive machines are intended to generate a torque in one or more predetermined operating states, which generates a differential torque between the left and right output shafts, so that the two output shafts can transmit torques of different magnitudes. Furthermore, the three-phase generators are designed as double generators, with which the supply of a two-voltage vehicle electrical system can be undertaken in a recuperation mode.

Im Vergleich zu einer permanentmagnetisch erregten EC-Maschine sind der Wirkungsgrad sowie die Leistungsdichte geringer. Darüber hinaus sind Drehstromgeneratoren typischerweise größer als die für ein Achsgetriebe vorgeschlagenen EC-Maschinen. Normalerweise wird ein Drehstromgenerator ausschließlich als Generator, z.B. als Lichtmaschine in einem Fahrzeug, eingesetzt. Trotz dieser Nachteile ist die Verwendung von Drehstromgeneratoren in einem, auf einem direktmotorischen, kupplungslosen KMV-System basierenden Achsgetriebe vorteilhaft. Der Vorteil eines Drehstromgenerators in einem erfindungsgemäßen Achsgetriebe besteht darin, dass diese Großserienbauteile darstellen und somit kostengünstig zur Verfügung stehen. Durch den Einsatz von feldorientierten Ansteuerungen ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionswerte realisierbar. Darüber hinaus weist die Verwendung von Drehstromgeneratoren sicherheitstechnische Vorteile im Falle eines Fehlers eines der beiden Antriebsmaschinen auf. Compared to an EC machine excited by permanent magnets, the efficiency and the power density are lower. In addition, alternators are typically larger than the EC machines proposed for an axle drive. Normally, a three-phase generator is only used as a generator, for example as an alternator in a vehicle. Despite these disadvantages, the use of three-phase generators in an axle drive based on a direct motor, clutchless KMV system is advantageous. The advantage of a three-phase generator in an axle drive according to the invention is that these represent high-volume components and are therefore available at low cost. By using field-oriented controls, a reduction in fuel consumption and CO 2 emissions can be achieved. In addition, the use of three-phase generators has safety advantages in the event of a fault in one of the two drive machines.

Die Drehstromgeneratoren des erfindungsgemäßen Achsgetriebes sind als Doppelgeneratoren ausgebildet, mit dem in einem Rekuperationsbetrieb die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes vornehmbar ist. Diese Variante ist auch dann von Vorteil, wenn die Anforderung einer höheren Leistung besteht. Diese genannten Typen von Drehstromgeneratoren werden in einer großen Stückzahl in Kraftfahrzeugen typischerweise als Lichtmaschinen eingesetzt. Aufgrund der großen Stückzahlen können diese einfach und kostengünstig hergestellt werden. Somit werden die Nachteile der hohen Kosten und der unzureichenden Industrialisierbarkeit derzeit verwendeter bzw. angedachter EC-Maschinen umgangen.The three-phase generators of the axle drive according to the invention are designed as double generators, with which the supply of a two-voltage vehicle electrical system can be undertaken in a recuperation mode. This variant is also advantageous when higher performance is required. A large number of these types of three-phase generators are typically used as alternators in motor vehicles. Due to the large quantities, these can be produced easily and inexpensively. In this way, the disadvantages of high costs and insufficient industrializability of currently used or planned EC machines are avoided.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste und zweite elektrische Antriebsmaschine jeweils über ein Planetengetriebe mit dem Achsgetriebe in Wirkverbindung stehen, wobei eine jeweilige Antriebsmaschine eine Drehkomponente, insbesondere ein Ritzel eines Planetenträgers, antreibt.In an expedient embodiment, it is provided that the first and second electric drive machines are each operatively connected to the axle drive via a planetary gear, with each drive machine driving a rotary component, in particular a pinion of a planetary carrier.

Eine wichtige Rolle bei der Aktuierung der elektrischen Antriebsmaschinen des erfindungsgemäßen Achsgetriebes kommt der Gestaltung der Leistungselektronik zu. Da Drehstromgeneratoren im Betrieb nicht nur generatorisch, sondern auch motorisch arbeiten, kann die üblich eingesetzte Leistungselektronik der Lichtmaschinen nicht verwendet werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist jeder der Antriebsmaschinen eine Steuereinheit zur Ansteuerung einer Steuerschaltung zugeordnet, wobei der Steuereinheit als Steuergrößen zumindest ein Soll-Drehmoment und eine Soll-Spannung zuführbar sind. Es wird somit eine Ansteuerung verwendet, wie sie zur Ansteuerung elektronisch kommutierter Maschinen zum Einsatz kommt. Hiermit wird eine feldorientierte Regelung ermöglicht.The design of the power electronics plays an important role in the actuation of the electric drive machines of the axle drive according to the invention. Since three-phase generators not only work as generators but also as motors during operation, the power electronics normally used in alternators cannot be used. According to a further refinement, each of the drive machines is assigned a control unit for activating a control circuit, it being possible for the control unit to be supplied with at least one setpoint torque and one setpoint voltage as control variables. A control such as is used to control electronically commutated machines is therefore used. This enables field-oriented regulation.

Insbesondere ist der Steuereinheit als weitere Steuergröße zumindest eine den Betriebszustand der elektrischen Antriebsmaschine charakterisierende Messgröße, insbesondere ein mechanischer Winkel und eine Winkelgeschwindigkeit, zuführbar.In particular, at least one measured variable characterizing the operating state of the electric drive machine, in particular a mechanical angle and an angular velocity, can be supplied to the control unit as a further control variable.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Steuerschaltung eine pulsweitenmodulierbare B6-Brückenschaltung.According to a further embodiment, the control circuit includes a pulse width modulated B6 bridge circuit.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist durch die Steuereinheit mittels eines Schaltelements, insbesondere ein Halbleiterschaltelement, der Strom durch eine Erregerwicklung der elektrischen Antriebsmaschine einstellbar. Hierdurch wird das feldorientierte Regelungsverfahren ermöglicht, das eine einfache Ansteuerung sowie sicherheitstechnische Vorteile bietet.According to a further embodiment, the current through an exciter winding of the electric drive machine can be adjusted by the control unit by means of a switching element, in particular a semiconductor switching element. This enables the field-oriented control method, which offers simple control and safety-related advantages.

Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das Schaltelement im inaktiven Betrieb des Achsgetriebes geöffnet zu schalten. Der inaktive Betrieb des Achsgetriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass ein gleiches Drehmoment an beiden Abtriebswellen anliegt, d.h. keine positive oder negative Momentenbeaufschlagung durch eine der elektrischen Antriebsmaschinen erfolgt.The control unit is expediently designed to switch the switching element open when the axle drive is inactive. The inactive operation of the axle drive is characterized by the fact that the same torque is applied to both output shafts, i.e. no positive or negative torque is applied by one of the electric drive machines.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Steuereinheit weiter dazu ausgebildet ist, das Schaltelement in einem Störfall geöffnet zu schalten. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Achsgetriebe mit EC-Maschinen ist die Gewährleistung eines vollständigen Leerlaufs in einem Störfall, bei dem von den Antriebsmaschinen keinerlei Drehmomente an die Abtriebswellen abgegeben werden dürfen, nicht oder nur sehr aufwändig realisierbar. Beim Einsatz des Achsgetriebes in einem Torque-Vectoring-System ist die Gewährleistung eines vollständigen Leerlaufs im Störfall jedoch von hoher Relevanz. Durch das erfindungsgemäße Achsgetriebe kann der Leerlauf im Störfall durch einfaches Unterbrechen der Stromzufuhr zu den Erregerwicklungen des betreffenden Drehstromgenerators, durch entsprechende Ansteuerung des Halbleiterschaltelements, realisiert werden.It is also expedient if the control unit is also designed to switch the switching element open in the event of a fault. In the case of the axle drive with EC machines known from the prior art, it is not possible, or only with great effort, to ensure complete idling in the event of a malfunction in which the drive machines are not permitted to deliver any torque to the output shafts. However, when using the axle drive in a torque vectoring system, ensuring complete idling in the event of a fault is of great relevance. With the axle drive according to the invention, idling can be implemented in the event of a fault by simply interrupting the power supply to the excitation windings of the three-phase generator in question, by appropriately controlling the semiconductor switching element.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Steuereinheit derart ausgebildet ist, das Schaltelement im Rekuperationsbetrieb der elektrischen Antriebsmaschine zur Regelung einer Ladespannung anzusteuern. Die Steuereinheit in Verbindung mit der Steuerschaltung erlaubt es, die Rekuperation nach dem Funktionsprinzip einer konventionellen Lichtmaschine vorzunehmen. Da das Erregerfeld des Drehstromgenerators frei variierbar ist, kann eine konstante, von der Drehzahl unabhängige Spannung zur Aufladung der Batterie effizient und einfach realisiert werden. Hierbei wird gegenüber bekannten Systemen im Rekuperationsbetrieb keine überschüssige Energie gewandelt, die anschließend wiederum mit hohem Aufwand in Form von Wärme abgeführt werden muss.It is also advantageous if the control unit is designed in such a way that it controls the switching element in recuperation mode of the electric drive machine to regulate a charging voltage. The control unit in conjunction with the control circuit allows recuperation to be carried out according to the functional principle of a conventional alternator. Since the exciter field of the three-phase generator can be freely varied, a constant voltage that is independent of the speed can be implemented efficiently and easily to charge the battery. In contrast to known systems in recuperation mode, no excess energy is converted here, which then in turn has to be dissipated in the form of heat at great expense.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist zusätzlich eine gemeinsame Ansteuerung für die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Antriebsmaschinen selektiv als Generator oder Motor zu betreiben. Hierdurch kann die zur Aufbringung eines Bremsmoments notwendige Energie nicht nur durch elektromotorisches Bremsen unter Energiezufuhr aus dem Bordnetz oder durch generatorisches Bremsen unter Energiezufuhr aus dem Antriebsstrang erfolgen, sondern auch die Einspeisung von elektrischer Energie aus derjenigen elektrischen Antriebsmaschine, welche nicht zur Aufbringung des Bremsmoments verwendet wird und sich demgemäß im Rekuperationsbetrieb befindet.According to a further expedient refinement, a common control for the first and the second electric drive machine is additionally provided, which is designed to operate the drive machines selectively as a generator or motor. As a result, the energy required to apply a braking torque can be provided not only by electromotive braking with energy supplied from the vehicle electrical system or by regenerative braking with energy supplied from the drive train, but also by feeding in electrical energy from the electrical drive machine that is not used to apply the braking torque and is accordingly in recuperation mode.

Das erfindungsgemäße Achsgetriebe ermöglicht eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionswerte gegenüber dem eingangs beschriebenen System. Dies resultiert daraus, dass bei dem erfindungsgemäßen Achsgetriebe das für die generatorische und motorische Funktion der Antriebsmaschine notwendige Erregerfeld der elektrischen Antriebsmaschinen ohne die Verwendung von Permanentmagneten erzeugt wird. Daher treten im inaktiven Zustand, z.B. bei ungebremster Geradeausfahrt des Fahrzeugs, weder Ummagnetisierungsverluste noch Verluste durch magnetische Induktion auf. Darüber hinaus können die hohen Schleppverluste bekannter, direktmotorischer kupplungsloser Systeme und die daraus resultierenden Erhöhungen von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen deutlich reduziert werden.The axle drive according to the invention enables a reduction in fuel consumption and CO 2 emission values compared to the system described at the outset. This results from the fact that in the axle drive according to the invention, the excitation field of the electric drive machines required for the generator and motor function of the drive machine is generated without the use of permanent magnets. Therefore, in the inactive state, for example when the vehicle is driving straight ahead without braking, neither core losses nor losses due to magnetic induction occur. In addition, the high drag losses of known, direct motor, clutchless systems and the resulting increases in fuel consumption and CO 2 emissions can be significantly reduced.

Die in einem erfindungsgemäßen Achsgetriebe einsetzbaren Drehstromgeneratoren werden in großen Stückzahlen als Lichtmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Diese können daher kostengünstig produziert werden. Damit kann die Verwendung teurer Spezialmotoren, wie z.B. permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen, bürstenlose Gleichstrommaschinen oder Transversalflussmaschinen, welche in bekannten Achsgetrieben vorgeschlagen wurden, vermieden werden.The three-phase generators that can be used in an axle drive according to the invention are used in large numbers as alternators in motor vehicles. These can therefore cost be produced cheaply. In this way, the use of expensive special motors, such as synchronous machines excited by permanent magnets, brushless DC machines or transverse flux machines, which have been proposed in known axle drives, can be avoided.

Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ansteuerung eines in einem erfindungsgemäßen Achsgetriebe eingesetzten Drehstromgenerators, und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Achsgetriebes, das als direktmotorisches, kupplungsloses Torque-Vectoring-System ausgebildet ist.
The invention is described in more detail below with reference to the figures. Show it:
  • 1 a schematic representation of an inventive control of a three-phase generator used in an axle drive according to the invention, and
  • 2 a schematic representation of an axle drive, which is designed as a direct motor, clutchless torque vectoring system.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Achsgetriebes wurde eingangs bereits im Zusammenhang mit 2 beschrieben. Das erfindungsgemäße Achsgetriebe basiert somit auf einem aus dem Stand der Technik bekannten Achsgetriebe, nämlich einem direktmotorischen, kupplungslosen Torque-Vectoring-System, bei dem die bislang verwendeten permanentmagnetisch erregten EC-Maschinen durch Drehstromgeneratoren ersetzt sind. Im Falle der Anforderung einer hohen Leistung oder der Notwendigkeit, dass im Rekuperationsbetrieb die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes möglich ist, können die elektrischen Antriebsmaschinen auch als Doppelgeneratoren realisiert sein. Die genannten Typen von Drehstromgeneratoren werden typischerweise in Kraftfahrzeugen als Lichtmaschinen eingesetzt. Sie stehen deshalb in großer Stückzahl kostengünstig zur Verfügung.The structure of the axle drive according to the invention was already initially in connection with 2 described. The axle drive according to the invention is thus based on an axle drive known from the prior art, namely a direct-motor, clutchless torque vectoring system, in which the previously used permanently magnetically excited EC machines are replaced by three-phase generators. If high power is required or it is necessary to be able to supply a two-voltage vehicle electrical system in recuperation mode, the electric drive machines can also be implemented as double generators. The types of three-phase generators mentioned are typically used in motor vehicles as alternators. They are therefore available in large numbers at low cost.

Eine wichtige Rolle bei der Aktuierung der Drehstromgeneratoren kommt hierbei der Gestaltung der Ansteuerung der Drehstromgeneratoren zu. Da die Drehstromgeneratoren im Betrieb nicht nur generatorisch, sondern auch motorisch arbeiten, kann die üblich eingesetzte Ansteuerung, wie diese für Lichtmaschinen vorgesehen ist, nicht verwendet werden. Die Erfindung schlägt deshalb die Verwendung einer Ansteuerung vor, wie diese zur Ansteuerung elektronisch kommutierter elektrischer Antriebsmaschinen verwendet wird. Eine mögliche Ausführung der Ansteuerung eines Drehstromgenerators in einem Achsgetriebe gemäß 2 ist in 1 dargestellt.The design of the control of the three-phase generators plays an important role in the actuation of the three-phase generators. Since the three-phase generators not only work as generators during operation, but also as motors, the usual control system, as provided for alternators, cannot be used. The invention therefore proposes the use of a control such as is used to control electronically commutated electric drive machines. A possible embodiment of the control of a three-phase generator in an axle drive according to 2 is in 1 shown.

Mit dem Bezugszeichen 1 sind Ankerwicklungen des Drehstromgenerators bezeichnet. Eine Erregerwicklung ist mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Die Ankerwicklungen 1 werden über einen Wechselrichter 2, der als B6-Brückenschaltung ausgebildet ist, gespeist. Der Wechselrichter 2 umfasst zu diesem Zweck sechs Halbleiterschaltelemente 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, 2-6, welchen jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist. Jeweils zwei der Schaltelemente 2-1 bis 2-6 sind seriell zu einer Halbbrücke miteinander verschaltet. Die drei Halbbrücken sind parallel zueinander verschaltet. Die Erregerwicklung 3 wird über einen seriell zu diesem verschalteten Schaltelement 4 aus einer Batterie 5 gespeist, welche ebenfalls zur Versorgung der B6-Brückenschaltung dient und dieser parallel geschaltet ist. Das Schaltelement 4 ist bevorzugt als Halbleiterschaltelement, z.B. als MOS-FET, ausgebildet. Der Batterie 5 ist ferner ein Kondensator 10 parallel geschaltet.The reference numeral 1 designates armature windings of the alternator. An excitation winding is identified by reference number 3 . The armature windings 1 are fed via an inverter 2, which is designed as a B6 bridge circuit. For this purpose, the inverter 2 comprises six semiconductor switching elements 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, 2-6, each of which has a freewheeling diode connected in parallel with it. In each case two of the switching elements 2-1 to 2-6 are connected to one another in series to form a half-bridge. The three half-bridges are connected in parallel to one another. The field winding 3 is fed from a battery 5 via a switching element 4 connected in series with it, which is also used to supply the B6 bridge circuit and is connected in parallel with it. The switching element 4 is preferably designed as a semiconductor switching element, e.g. as a MOS-FET. A capacitor 10 is also connected in parallel with the battery 5 .

Die Ansteuerung der Schaltelemente 2-1 bis 2-6 des Wechselrichters 2 sowie des Schaltelements 4 erfolgt durch eine Steuereinheit 8. Die Steuereinheit 8 ist dazu ausgebildet, ein vorgegebenes Soll-Drehmoment MSoll und eine vorgegebene Soll-Ladespannung USoll zu regeln. Optional kann zusätzlich eine Regelung eines vorgegebenen mechanischen Soll-Winkels γSoll und einer vorgegebenen Soll-Winkelgeschwindigkeit ωSoll erfolgen. Zu diesem Zweck werden der Steuereinheit 8 eine gemessene Spannung U sowie gemessene Ströme I1, I2, I3 und I4 zugeführt. Die Spannung U wird durch einen Spannungsmesser 6 gemessen, der der Batterie 5 parallel geschaltet ist. Die Ströme I1, I2 und I3 stellen die Ströme durch die Ankerwicklungen 1 dar, welche durch entsprechende Messvorrichtungen an den Ankerwicklungen erfasst werden. Der Strom I4 ist ein durch die Erregerwicklung fließender Strom, der an dieser erfasst wird. Darüber hinaus wird der Steuereinheit 8 ein durch einen Winkelsensor 7 gemessener Drehwinkel γ zugeführt. Aus diesen gemessenen und vorgegebenen Größen generiert die Steuereinheit Signale für die Schaltelemente 2-1 bis 2-6 des Wechselrichters 2 sowie für das Schaltelement 4.The switching elements 2-1 to 2-6 of the inverter 2 and the switching element 4 are controlled by a control unit 8. The control unit 8 is designed to regulate a predefined setpoint torque M setpoint and a predefined setpoint charging voltage U setpoint . Optionally, a predefined mechanical setpoint angle γ setpoint and a predefined setpoint angular velocity ω setpoint can also be regulated. For this purpose, the control unit 8 is supplied with a measured voltage U and measured currents I 1 , I 2 , I 3 and I 4 . The voltage U is measured by a voltmeter 6, which is connected to the battery 5 in parallel. The currents I 1 , I 2 and I 3 represent the currents through the armature windings 1, which are detected by corresponding measuring devices on the armature windings. The current I 4 is a current flowing through the excitation winding, which is detected at this. In addition, an angle of rotation γ measured by an angle sensor 7 is fed to the control unit 8 . From these measured and specified variables, the control unit generates signals for the switching elements 2-1 to 2-6 of the inverter 2 and for the switching element 4.

Durch entsprechende Taktung des Schaltelements 4 wird in der Erregerwicklung 3 ein Strom eingestellt. Dieser erzeugt ein mit dem Strom variierbares, magnetisches Erregerfeld, welches die Ankerwicklungen 1 des Drehstromgenerators durchflutet. Wird das Schaltelement 4 geöffnet, so liegt kein Erregerfeld an. Eine generatorische oder motorische Wirkung des Aktuators bleibt dann vollständig aus. Somit kann das Schaltelement 4 im inaktiven Betrieb des Achsgetriebes geöffnet bleiben, wodurch magnetische Schleppmomente vollständig vermieden werden. In einem Störfall kann andererseits der Wechsel in den vollständigen Leerlauf unverzüglich herbeigeführt werden. Hierzu ist lediglich das Öffnen des Schaltelements 4 erforderlich. Im Rekuperationsbetrieb kann dagegen mittels des Schaltelements 4 eine einfache Regelung der Ladespannung realisiert werden, womit eine konstante und von der Drehzahl unabhängige Ladespannung gewährleistet werden kann.A current is set in the field winding 3 by appropriate clocking of the switching element 4 . This generates a magnetic exciter field that can be varied with the current and flows through the armature windings 1 of the three-phase generator. If the switching element 4 is opened, then there is no excitation field. A generator or motor effect of the actuator is then completely absent. Thus, the switching element 4 can remain open in the inactive operation of the axle drive, whereby magnetic drag torques are completely avoided. On the other hand, in the event of an accident, the switch to full idle can be brought about immediately. All that is required for this is to open the switching element 4 . In recuperation mode, on the other hand, the switching element 4 can be used to regulate the charging voltage in a simple manner, with the result that a constant charging voltage that is independent of the speed can be guaranteed.

Durch die Verwendung eines Drehstromgenerators in einem direktmotorischen, kupplungslosen Achsgetriebe und die beschriebene feldorientierte Regelung bzw. Ansteuerung kann eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionswerte in einem Fahrzeug erzielt werden. Darüber hinaus ergeben sich sicherheitstechnische Vorteile, da ein sofortiger Wechsel in einen vollständigen Leerlauf der Antriebsmaschine möglich ist. Im Rekuperationsbetrieb wird keine überschüssige Energie gewandelt, wodurch sich wiederum energetische Vorteile ergeben. Die eingesetzten Komponenten sind mit geringen Stückkosten verfügbar, da diese bereits in hoher Stückzahl im Automobilbereich eingesetzt werden.By using a three-phase generator in a direct-motor, clutchless axle drive and the described field-oriented control or activation, a reduction in fuel consumption and CO 2 emission values in a vehicle can be achieved. In addition, there are safety advantages, since an immediate change to a complete idling of the drive engine is possible. In recuperation mode, no excess energy is converted, which in turn results in energetic advantages. The components used are available with low unit costs, as they are already used in large numbers in the automotive sector.

Claims (10)

Achsgetriebe für Fahrzeuge, umfassend: - eine linke und eine rechte Abtriebswelle (111a, 111b); - eine erste elektrische Antriebsmaschine (105a), welche mit der linken Abtriebswelle (111a) in Wirkverbindung steht; - eine zweite elektrische Antriebsmaschine (105b), welche mit der rechten Abtriebswelle (111b) in Wirkverbindung steht; - wobei die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine (105a, 105b) jeweils als Drehstromgenerator ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass - die elektrischen Antriebsmaschinen (105a, 105b) dazu vorgesehen sind, in einem oder mehreren vorbestimmten Betriebszuständen ein Drehmoment zu erzeugen, welches ein Differenzmoment zwischen der linken und der rechten Abtriebswelle (111a, 111b) erzeugt, so dass die beiden Abtriebswellen (111a, 111b) unterschiedlich große Drehmomente übertragen können, und - die Drehstromgeneratoren als Doppelgeneratoren ausgebildet sind, mit denen in einem Rekuperationsbetrieb die Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes vornehmbar ist.Axle drive for vehicles, comprising: - a left and a right output shaft (111a, 111b); - A first electric drive machine (105a), which is operatively connected to the left output shaft (111a); - A second electric drive machine (105b), which is operatively connected to the right output shaft (111b); - Wherein the first and the second electric drive machine (105a, 105b) are each designed as a three-phase generator, characterized in that - the electric drive machines (105a, 105b) are provided to generate a torque in one or more predetermined operating states, which a differential torque is generated between the left and right output shafts (111a, 111b), so that the two output shafts (111a, 111b) can transmit torques of different magnitudes, and - the three-phase generators are designed as double generators, with which a two-voltage vehicle electrical system can be supplied in recuperation mode is. Achsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine (105a, 105b) jeweils über ein Planetengetriebe mit dem Achsgetriebe in Wirkverbindung stehen, wobei eine jeweilige Antriebsmaschine (105a, 105b) eine Drehkomponente, insbesondere ein Ritzel eines Planetenträgers, antreibt.Axle drive according to one of the preceding claims, in which the first and the second electric drive machine (105a, 105b) are each operatively connected to the axle drive via a planetary gear, with a respective drive machine (105a, 105b) having a rotating component, in particular a pinion of a planet carrier, drives. Achsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder der Antriebsmaschinen (105a, 105b) eine Steuereinheit (8) zur Ansteuerung einer Steuerschaltung (9) zugeordnet ist, wobei der Steuereinheit (8) als Steuergrößen zumindest ein Soll-Drehmoment (MSoll) und eine Soll-Spannung (USoll) zuführbar sind.Axle drive according to one of the preceding claims, in which each of the drive machines (105a, 105b) is assigned a control unit (8) for activating a control circuit (9), the control unit (8) receiving at least one setpoint torque (M setpoint ) and a target voltage (U target ) can be supplied. Achsgetriebe nach Anspruch 3, bei dem der Steuereinheit (8) als weitere Steuergröße zumindest eine den Betriebszustand der elektrischen Antriebsmaschine (105a, 105b) charakterisierende Messgröße, insbesondere ein mechanischer Winkel (γSoll) und eine Winkelgeschwindigkeit (ωSoll), zuführbar ist.axle drive after claim 3 , in which at least one measured variable characterizing the operating state of the electric drive machine (105a, 105b), in particular a mechanical angle (γ setpoint ) and an angular velocity (ω setpoint ), can be supplied to the control unit (8) as a further control variable. Achsgetriebe nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Steuerschaltung (9) eine pulsweitenmodulierbare B6-Brückenschaltung umfasst.axle drive after claim 3 or 4 , wherein the control circuit (9) comprises a pulse width modulated B6 bridge circuit. Achsgetriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem durch die Steuereinheit (8) mittels eines Schaltelements (4), insbesondere ein Halbleiterschaltelement, der Strom durch eine Erregerwicklung (3) der elektrischen Antriebsmaschine (105a, 105b) einstellbar ist.Axle gear according to one of claims 3 until 5 , in which the current through an excitation winding (3) of the electric drive machine (105a, 105b) can be adjusted by the control unit (8) by means of a switching element (4), in particular a semiconductor switching element. Achsgetriebe nach Anspruch 6, bei dem die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, das Schaltelement (4) im inaktiven Betrieb des Achsgetriebes geöffnet zu schalten.axle drive after claim 6 , in which the control unit (8) is designed to switch the switching element (4) open when the axle drive is inactive. Achsgetriebe nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, das Schaltelement (4) in einem Störfall geöffnet zu schalten.axle drive after claim 6 or 7 , in which the control unit (8) is designed to switch the switching element (4) open in the event of a fault. Achsgetriebe nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei dem die Steuereinheit (8) derart ausgebildet ist, das Schaltelement (4) im Rekuperationsbetrieb der elektrischen Antriebsmaschine (105a, 105b) zur Regelung einer Ladespannung anzusteuern.axle drive after claim 6 , 7 or 8th , in which the control unit (8) is designed in such a way that the switching element (4) is activated in the recuperation mode of the electric drive machine (105a, 105b) in order to regulate a charging voltage. Achsgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich eine gemeinsame Ansteuerung für die erste und die zweite elektrische Antriebsmaschine (105a, 105b) vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, die Antriebsmaschinen selektiv als Generator oder Motor zu betreiben.Axle drive according to one of the preceding claims, in which a common control for the first and the second electric drive machine (105a, 105b) is additionally provided, which is designed to operate the drive machines selectively as a generator or motor.
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