DE102009047007A1 - Elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, bei welcher mindestens zwei, beidseitig zu einer angetriebenen Achse angeordnete Antriebsräder (11a, 11b) unabhängig voneinander elektromotorisch angetrieben sind. Um die ungefederte Masse des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges zu verringern, ist eine die beiden Antriebsräder (11a, 11b) unabhängig voneinander antreibende Elektromotoreinheit (1) in einem Gehäuse (2) angeordnet und insbesondere achsmittig positioniert.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, bei welcher mindestens zwei, beidseitig zu einer angetriebenen Achse angeordnete Antriebsräder unabhängig voneinander elektromotorisch angetrieben sind.
  • Es sind elektrische Antriebseinheiten von Kraftfahrzeugen bekannt, bei welchen die an einer anzutreibenden Fahrzeugachse, zu beiden Seiten der Fahrzeugsachse befestigten Antriebsräder jeweils von einem Elektromotor angetrieben werden. Der Elektromotor ist dabei an der Radnabe befestigt, um das jeweilige Antriebsrad direkt antreiben zu können. Durch diese Verbindung von Antriebsrad und Elektromotor erhöht sich die ungefederte Masse des Kraftfahrzeuges, wodurch das Fahrverhalten und der Fahrkomfort des Kraftfahrzeuges negativ beeinträchtigt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass durch die Verringerung der ungefederten Masse des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges der Fahrkomfort des Kraftfahrzeuges wesentlich verbessert wird, da dadurch das Dämpfungs- und Federsystem des Kraftfahrzeuges wesentlich differenzierter ausgelegt und die Federung sehr fein eingestellt werden kann. Die Fahrwerksqualität wird durch die Reduzierung der ungefederten Massen verbessert. Dadurch, dass eine die beiden Räder unabhängig voneinander antreibende Elektromotoreinheit in einem Gehäuse angeordnet ist und achsmittig positioniert ist, sind die für den Antrieb der beiden Räder notwendigen Elektromotoren wesentlich preisgünstiger herstellbar, da nur ein Gehäuseteil notwendig ist. Es entfällt auch das konventionelle Achs-Differential des Standardantriebs, da an dieser Stelle der Achse die Elektromotoreinheit angeordnet ist, die gleichzeitig die Aufgaben des Achs-Differentials übernimmt. Der Wegfall von Gehäusemasse sowie die insbesondere mittige Anordnung der Elektromotoreinheit auf der Achse tragen wesentlich zur Reduzierung der ungefederten Massen des Kraftfahrzeuges bei. Die insbesondere mittige Anordnung der Elektromotoreinheit ermöglicht außerdem eine einfache Montage im Antriebsstrang.
  • Vorteilhafterweise ist die Elektromotoreinheit als Doppelrotorantriebseinheit ausgebildet. Mittels der Doppelrotorantriebseinheit werden die beiden Antriebsräder mit nur einem Gehäusebauteil radindividuell angetrieben. Diese Anordnung reduziert nicht nur die ungefederten Massen des Kraftfahrzeuges, sondern ist auf Grund der kompakten Bauweise der Doppelrotorantriebseinheit auch platzsparend. Dadurch ist die Doppelrotorantriebseinheit kostengünstig herstellbar.
  • In einer Ausgestaltung ist jeder der beiden Rotoren der Doppelrotorantriebseinheit von einem Stator umgeben und bildet einen Elektromotorteilantrieb. Dadurch wird durch die Kombination jedes Rotors mit seinem eigenen Stator die Erzeugung zweier unabhängiger Drehfelder realisiert. Im Gegensatz zu zwei getrennten Elektromotoren, die als Einzelantrieb wirken, sind Einsparungen beim Statorgehäuse und der Lagerung der Doppelrotorantriebseinheit möglich. Mechanische Komponenten zur Kühlung und Schmierung der Doppelrotorantriebseinheit können gegenüber Einzelantrieben gemeinsam genutzt werden. Ein Invertermodul, auch Pulswechselrichter genannt, regelt die Frequenz, die Phase und die Motorströme der Doppelrotorantriebseinheit. Dieses Invertermodul muss nicht in allen Teilen gedoppelt werden, sondern nur die Komponenten, die zur individuellen Ansteuerung der radselektiven Statorwicklungen zwingend notwendig sind, wie beispielsweise das Leistungsschaltermodul. Eine Busanbindung und ein DC/DC-Wandler können für die beiden Elektromotoren, die in der Doppelrotorabtriebseinheit ausgebildet sind, gemeinsam genutzt werden.
  • In einer Weiterbildung weist der Elektromotorteilantrieb eine jeweils nur einen Rotor tragende Rotorwelle auf, die über ein Getriebe mit dem anzutreibenden Antriebsrad verbunden ist. Die Kopplung eines Rotors mit dem Getriebe vereinfacht die notwendige Drehzahlanpassung. Das Antriebsrad kann dabei jederzeit von dem Elektromotorteilantrieb abgekoppelt werden. Infolge der Bereitstellung von einem Getriebe für jeweils einen Elektromotorteilantrieb wird ein breiter Fahrgeschwindigkeitsbereich für jedes anzutreibende Antriebsrad abgedeckt.
  • In einer Variante ist das Getriebe ein- oder mehrstufig ausgebildet. Dadurch können für jedes Antriebsrad unabhängig voneinander verschiedene Gangstufen eingelegt werden.
  • Vorteilhafterweise ist jedes Antriebsrad über eine Seitenwelle mit dem zugehörigen Getriebe verbunden. Da die Getriebe nahe der insbesondere achsmittig positionierten Doppelrotorantriebseinheit angeordnet sind, wird die ungefederte Masse des Kraftfahrzeuges weiter verringert.
  • In einer Ausgestaltung sind die Rotorwellen der beiden Elektromotorteilantriebe starr miteinander verbunden, z. B. beim Fahren im schwierigen Gelände, wie es mit Offroad-Fahrzeugen der Fall ist. Bei einer solchen starren Verbindung drehen sich beide Seitenwellen gleich schnell und das Antriebsmoment wird auf das Rad mit der höchsten Haftreibung übertragen. Darüber hinaus hat die starre Verbindung den Vorteil, unter Inkaufnahme einer gewissen Verspannung bei Kurvenfahrten, dass bei einem Ausfall eines Elektromotorteilantriebes der zweite Elektromotorteilantrieb beide Antriebsräder allein antreiben kann, wodurch eine Fortbewegung des Kraftfahrzeuges garantiert wird.
  • In einer Weiterbildung sind die Rotorwellen der beiden Elektromotorteilantriebe über eine Kupplung miteinander verbunden. Der Einsatz einer solchen Kupplung ist insbesondere bei Offroadfahrzeugen von Vorteil, wo durch die Verbindung beider Rotoren über die Kupplung bei schwierigen Fahrsituationen das Antriebmoment beider Elektromotorteilantriebe auf ein Rad vereint werden kann. Eine solche schwierige Fahrsituation tritt beispielsweise bei einer Verschränkung der Achsen des Kraftfahrzeuges auf, wenn ein Antriebsrad nur geringen Bodenkontakt bzw. wenig Radaufstandskraft aufweist. Vorteilhafterweise wird dies aber nur auf den Traktionsfall im Anfahrbereich beschränkt, um die fahrdynamischen Vorteile des radindividuellen Antriebs außerhalb des Anfahrbereiches nicht negativ zu beeinflussen.
  • In einer Ausgestaltung sind die Kupplung und/oder die beiden Elektromotorteilantriebe mit einem den Antrieb eines oder beider Antriebsräder steuernden Steuereinheit verbunden. Die Steuereinheit bestimmt in Abhängigkeit der durch Fahrzeugsensoren angezeigten Fahrsituation des Kraftfahrzeuges unabhängig vom Fahrer, ob die beiden Antriebsräder unabhängig voneinander bei geöffneter Kupplung oder bei geschlossener Kupplung mit einem starren Durchtrieb angetrieben werden.
  • Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
  • Es zeigt:
  • 1: Prinzipdarstellung der Doppelrotorantriebseinheit
  • 2: ein Beispiel für die elektrische Verschaltung der Doppelrotorantriebseinheit
  • Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In 1 ist eine Doppelrotorantriebseinheit 1 dargestellt, die im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einer elektrisch angetriebenen Hinterachse verbaut ist. Dies soll jedoch keine Einschränkung darstellen, da auch ein Einsatz der Doppelrotorantriebseinheit 1 an einer angetriebenen Vorderachse möglich ist. Die Doppelrotorantriebseinheit 1 ist dabei annähernd achsmittig angeordnet und befindet sich an der Position, wo normalerweise ein konventionelles Achs-Differential eingebaut ist, welches bei der vorliegenden Erfindung durch die Doppelrotorantriebseinheit 1 ersetzt wird.
  • Die Doppelrotorantriebseinheit 1 ist in einem Gehäuse 2 angeordnet und besteht aus zwei Elektromotorteilantrieben 3 und 4. Jeder Elektromotorteilantrieb 3 und 4 weist dabei eine Statorwicklung 5a bzw. 5b auf, die einen Rotor 6a bzw. 6b umgibt. Der Rotor 6a bzw. 6b ist jeweils auf einer Rotorwelle 7a, 7b angeordnet, wobei die beiden Rotorwellen 7a und 7b über eine zwischen beiden Rotorwellen 7a, 7b positionierten Kupplung 8 verbindbar sind. Die Rotorwelle 7a, 7b führt an ein Getriebe 9a, 9b, welches jeweils ein vorgegebenes Übersetzungsverhältnis zur notwendigen Drehzahlanpassung aufweist. Das Getriebe 9a, 9b wiederum ist mit einer Seitenwelle 10a, 10b verbunden, die an das Antriebsrad 11a, 11b führt. Außerdem steht jede Seitenwelle 10a, 10b in einer Wirkverbindung mit der Radaufhängung bzw. einem Dämpferbein 12a, 12b eines Stoßdämpfers des Kraftfahrzeugs.
  • Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, ist der Antriebstrang ausgehend von der Doppelrotorantriebseinheit 1 in Richtung des angetriebenen Rades 11a, 11b symmetrisch aufgebaut. Die Getriebe 9a, 9b sind zur Verbesserung der Massenverteilung des Kraftfahrzeuges in der Nähe der annähernd in der Mitte der Achse angeordneten Doppelrotorantriebseinheit 1 angeordnet und können je nach Bedarf die Verbindung des Elektromotorteilantriebes 3 bzw. 4 mit dem Antriebsrad 11a bzw. 11b herstellen oder diese unterbrechen.
  • Die elektrische Verschaltung der Doppelrotorantriebseinheit 1 soll anhand von 2 näher erläutert werden. Jeder Elektromotorteilantrieb 3 bzw. 4 ist mit einem Leistungshalbleitermodul 13a bzw. 13b verbunden, mittels welchem ein Drehstrom zum Antrieb der Elektromotorteilantriebe 3, 4 erzeugt wird. Beide Leistungshalbleitermodule 13a, 13b führen auf einen Inverter 14, der auch als Pulswechselrichter bezeichnet wird und welcher eine von einer Hochvoltbatterie 15 gelieferte Gleichspannung von ungefähr 230 V in eine Wechselspannung umwandelt, die von den beiden Leistungshalbleitermodulen 13a, 13b weiter verarbeitet werden. Der Vollständigkeit halber soll noch erwähnt werden, dass, wenn die Elektromotorteilantriebe 3, 4 in einem Generatorbetrieb arbeiten, in welchem die vom Fahrzeug aufgebrachte mechanische Energie durch die Elektromotorteilantriebe 3, 4 in elektrische Energie umgewandelt wird, der Pulswechselrichter 14 diese von den Elektromotorteilantrieben 3, 4 aufgebrachte Wechselspannung in umgekehrter Richtung in eine Gleichspannung umwandelt, mittels welcher die Hochvoltbatterie 15 aufgeladen wird.
  • Zwischen dem Pulswechselrichter 14 und der Hochvoltbatterie 15 ist ein DC/DC-Wandler 16 angeordnet, welcher eine Niedervoltbatterie 17 mit Spannung versorgt. Die Niedervoltbatterie 17 liegt auf einem Spannungsniveau von ungefähr 14 V, wobei der DC/DC-Wandler die an der Hochvoltbatterie 15 anliegende Spannung von 230 V in 14 V umwandelt. Mittels dieser Spannung von 14 Volt versorgt die Niedervoltbatterie 17 alle Steuergeräte des Kraftfahrzeuges mit Energie.
  • Die elektronische Ansteuerung der Elektromotorteilantriebe 3 und 4 erfolgt durch ein Steuergerät 18, welches über ein fahrzeugspezifisches Kommunikationsnetz 18, vorzugsweise einem CAN-Bus mit anderen, nicht weiter dargestellten Steuergeräten des Kraftfahrzeuges verbunden ist und von diesen Informationen über die aktuelle Fahrsituation des Kraftfahrzeuges erhält. In Auswertung dieser Informationen steuert das Steuergerät 18 die beiden Elektromotorteilantriebe 3, 4 getrennt voneinander oder gemeinsam an, wobei die im normalen Betriebsfall geöffnete Kupplung 7 durch ein Signal des Steuergerätes 18 geschlossen wird, wenn im Zustand des Anfahrens das von beiden Elektromotorteilantrieben 3, 4 erzeugte Drehmoment auf nur ein Antriebsrad 11a, 11b umgeleitet werden soll.

Claims (9)

  1. Elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, bei welcher mindestens zwei, beidseitig zu einer angetriebenen Achse angeordnete Antriebsräder (11a, 11b) unabhängig voneinander elektromotorisch angetrieben sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine die beiden Antriebsräder (11a, 11b) unabhängig voneinander antreibende Elektromotoreinheit (1) in einem Gehäuse (2) angeordnet ist und insbesondere achsmittig positioniert ist.
  2. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoreinheit (1) als Doppelrotorantriebseinheit ausgebildet ist.
  3. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Rotoren (6a, 6b) der Doppelrotorantriebseinheit (1) von einem Stator (5a, 5b) umgeben ist und einen Elektromotorteilantrieb (3, 4) bildet.
  4. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotorteilantrieb (3, 4) eine jeweils nur einen Rotor (6a, 6b) tragende Rotorwelle (7a, 7b) aufweist, die über ein Getriebe (9a, 9b) mit dem anzutreibenden Antriebsrad (11a, 11b) verbunden ist.
  5. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (9a, 9b) ein- oder mehrstufig ausgebildet ist.
  6. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass jedes Antriebsrad (11a, 11b) über eine Seitenwelle (10a, 10b) mit dem zugehörigen Getriebe (9a, 9b) verbunden ist.
  7. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwellen (7a, 7b) der beiden Elektromotorteilantriebe (3, 4) für Offroad-Anwendungen starr miteinander verbunden sind.
  8. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwellen (7a, 7b) der beiden Elektromotorteilantriebe (3, 4) über eine Kupplung (8) miteinander verbunden sind.
  9. Elektrische Antriebseinheit nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (8) und/oder die beiden Elektromotorteilantriebe (3, 4) mit einer den Antrieb eines oder beider Antriebsräder (11a, 11b) steuernden Steuereinheit (18) verbunden sind.
DE102009047007A 2009-11-23 2009-11-23 Elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug Pending DE102009047007A1 (de)

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