DE102010007941B4 - Hybridfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Kraftfahrzeug (1), insbesondere ein Personenkraftwagen,- mit einer antreibbaren ersten Achse (2) und zweiten Achse (3) und einem Verbrennungsmotor (4), der über eine erste Kupplung (6) und ein Getriebe (7) mit der zweiten Achse (3) und über eine Antriebswelle (8) mit der ersten Achse (2) antriebsverbindbar ist, oder umgekehrt,- wobei zwischen der zweiten Achse (3) und der ersten Achse (2) mindestens ein Elektromotor (5) mechanisch und/oder elektrisch in den Kraftfluss eingebunden ist,- wobei zwischen dem Elektromotor (5) und der zweiten Achse (3) eine zweite Kupplung (9) und zwischen dem Elektromotor (5) und der ersten Achse (2) eine dritte Kupplung (10,10',10'',10''') angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elektromotor (5) und der dritten Kupplung (10) ein weiteres Getriebe (13) angeordnet ist, das als Schaltgetriebe ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.
  • Hybridantriebe, das heißt ein alternativer oder kombinierter Antrieb eines Kraftfahrzeuges durch einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, stehen zunehmend im Interesse von Verbrauchern, da hierdurch nicht nur Kraftstoff gespart, sondern zugleich auch die Umweltbelastung reduziert werden kann. Aus diesem Grund bieten bereits viele Kraftfahrzeughersteller Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb an, wobei die Integration des Elektromotors in den Antriebsstrang oftmals Probleme bereitet.
  • Aus der DE 103 19 108 A1 ist ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer antreibbaren ersten und zweiten Achse und einem Verbrennungsmotor bekannt, der über eine erste Kupplung und ein Getriebe mit der zweiten Achse und über eine Antriebswelle mit der ersten Achse antriebsverbindbar ist, wobei zwischen der zweiten Achse und der ersten Achse ein Elektromotor mechanisch und elektrisch in den Kraftfluss eingebunden ist, und wobei zwischen dem Elektromotor und der zweiten Achse eine zweite Kupplung und zwischen dem Elektromotor und der ersten Achse eine dritte Kupplung angeordnet ist.
  • Aus der US 7 497 285 B1 , der DE 601 31 038 T2 , der US 2008 / 0 024 035 A1 und der JP 2006 - 62 571 A sind weitere Kraftfahrzeuge bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Kraftfahrzeug eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, welche sich durch eine geschickte Anbindung eines Elektromotors in einen Antriebsstrang eines verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs auszeichnet.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Elektromotor eines Hybridfahrzeugs direkt im Bereich zwischen einer ersten Achse, beispielsweise einer Vorderachse, und einer zweiten Achse, beispielsweise einer Hinterachse, in den Kraftfluss, insbesondere in eine Antriebswelle, einzukoppeln. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist dabei mit einem Allradantrieb ausgestattet und weist demgemäß eine antreibbare erste Achse sowie eine ebenfalls antreibbare zweite Achse auf, die beide bei Bedarf von einem Verbrennungsmotor angetrieben sind. Der Verbrennungsmotor ist dabei über eine erste Kupplung und ein Getriebe mit der zweiten Achse und über oben erwähnte Antriebswelle mit der ersten Achse antriebsverbindbar, wobei wahlweise lediglich die zweite Achse oder beide Achsen vom Verbrennungsmotor angetrieben werden können. Zwischen dem Elektromotor und der zweiten Achse ist darüber hinaus eine zweite Kupplung angeordnet, wogegen zwischen dem Elektromotor und der ersten Achse eine dritte Kupplung vorgesehen ist, wodurch eine besonders hohe Flexibilität hinsichtlich eines zu verwirklichenden Antriebskonzepts erzielt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist ein konventioneller, das heißt verbrennungsmotorischer, Antrieb im Allradbetrieb möglich, ebenso wie ein lediglich verbrennungsmotorischer Antrieb der zweiten Achse. Der im Bereich der Antriebswelle einkoppelbare Elektromotor kann dabei insbesondere eine Boost-Funktion übernehmen, die auf alle Räder oder aber je nach geschlossener Kupplung lediglich auf die Vorderachse oder auf die Hinterachse wirkt. Der Elektromotor ist über eine Motorsteuereinrichtung mit einer Fahrzeugbatterie verbunden, wobei eine Rekuperation der Fahrzeugbatterie wahlweise durch eine der beiden Achsen oder aber durch beide Achsen gleichzeitig möglich ist. Ein rein elektromotorisches Fahren ist dabei durch einen wahlweisen Antrieb der Hinterachse oder der Vorderachse ebenso wie durch einen Allradantrieb möglich. Die einzelnen Fahrstufen können geschaltet werden, wobei auch eine Bereichsumschaltung zum Direktantrieb der Vorderachse möglich ist. Durch die zweite und dritte Kupplung ist eine zumindest teilweise antriebstechnische Entkopplung des Elektromotors möglich, wobei durch ein Schließen der ersten und zweiten Kupplung zugleich ein Starten des Verbrennungsmotors mittels des Elektromotors möglich ist. Mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist es auch möglich, den Elektromotor zur Einsparung der Leerlaufbestromung komplett abzukoppeln und durch diese Abkoppelbarkeit eine bessere Abstimmung des Elektromotors für einen bestimmten Betriebsbereich, beispielsweise für den Betrieb bei den niedrigen Geschwindigkeiten (Berst-Drehzahl), zu ermöglichen. Ebenfalls ist durch das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug die Einsparung eines Anlassers möglich, wodurch das Gewicht und die Kosten für das Kraftfahrzeug reduziert werden können. Der Entfall des Anlassers ist insbesondere bei einem als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildeten Getriebe möglich.
  • Erfindungsgemäß ist zwischen dem Elektromotor und der dritten Kupplung ein weiteres Getriebe angeordnet. Dieses weitere Getriebe ist schaltbar und weist insbesondere ein anderes Übersetzungsverhältnis auf als das mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte Getriebe. Mit dem weiteren Getriebe ist somit auch ein rein elektromotorischer Antrieb, das heißt ein Antrieb ohne Verbrennungsmotor, denkbar, und zwar in einem deutlich verbreiterten Geschwindigkeitsbereich.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch,
    • 1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit entsprechendem Antriebskonzept,
    • 2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Überlagerungsgetriebe,
    • 2a eine Detaildarstellung des elektrischen Überlagerungsgetriebes,
    • 3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugs mit einem Überlagerungsgetriebe mit Kupplungsfunktion,
    • 3a-3c jeweils eine Detaildarstellung des Überlagerungsgetriebes mit Kupplungsfunktion.
  • Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 eine antreibbare erste Achse 2 sowie eine ebenfalls antreibbare zweite Achse 3 auf. Ein Antrieb des Kraftfahrzeuges 1 ist dabei wahlweise oder kumulativ möglich durch einen Verbrennungsmotor 4 und/oder einen Elektromotor 5. Der Verbrennungsmotor 4 ist dabei über eine erste Kupplung 6 und ein Getriebe 7, welches beispielsweise als Schaltgetriebe oder als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet sein kann, mit der zweiten Achse 3 und über eine Antriebswelle 8 mit der ersten Achse 2 antriebsverbindbar. Im Bereich zwischen der zweiten Achse 3 und der ersten Achse 2 ist dabei der Elektromotor 5 in den Kraftfluss, das heißt insbesondere in die Antriebswelle 8, welche beispielsweise als Kardanwelle ausgebildet sein kann, eingebunden. Zwischen dem Elektromotor 5 und der zweiten Achse 3 ist darüber hinaus eine zweite Kupplung 9 angeordnet, wogegen zwischen dem Elektromotor 5 und der Vorderachse 2 eine dritte Kupplung 10 vorgesehen ist. Die dritte Kupplung 10 kann beispielsweise als Hochleistungskupplung, insbesondere als regelbare Hochleistungskupplung, ausgebildet sein.
  • Wie der 1 weiter zu entnehmen ist, ist der Elektromotor 5 über eine Motorsteuerung 11 (ECU) mit einer Fahrzeugbatterie 12 elektrisch kommunizierend verbunden, so dass der Elektromotor 5 von der Fahrzeugbatterie 12 elektrische Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeuges 1 erhalten kann oder aber die Fahrzeugbatterie 12 während eines Rekuperationsbetriebes aufladen kann. Zwischen dem Elektromotor 5 und der dritten Kupplung 10 ist darüber hinaus ein weiteres Getriebe 13 angeordnet, welches als Schaltgetriebe ausgebildet ist. Die Antriebswelle 8 ist im Bereich des Getriebes 7 als Getriebeeingangswelle ausgebildet, so dass bei geschlossener erster Kupplung 6 und gleichzeitig geschlossener zweiter Kupplung 9 ein Starten des Verbrennungsmotors 4 mittels des Elektromotors 5 möglich ist. In diesem Fall könnte ein üblicher Weise im Bereich des Verbrennungsmotors 4 vorgesehener Anlasser 14 eingespart werden.
  • Gemäß der 2 ist ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt mit einem rein elektrischen Überlagerungsgetriebe 19'. Dieses kann einen integralen Bestandteil des Elektromotors 5 bilden. Wie der 2a zu entnehmen ist, besitzt dabei das elektrische Überlagerungsgetriebe 19' einen Stator 16 sowie einen ersten Rotor 15 und einen zweiten Rotor 15', wobei der Stator 15 mit einer Einrichtung 17 zur Kontrolle und zu Steuerung der Leistungselektronik verbunden ist. Bei dem dargestellten elektrischen Überlagerungsgetriebe 19' bilden der erste Rotor 15 und der Stator 16 die zweite Kupplung 9 und der zweite Rotor 15' und der Stator 16 die dritte Kupplung 10' bilden. Das elektrische Übertragungsgetriebe 19' kann dabei fremd erregt oder permanent erregt sein. Auch kann das elektrische Übertragungsgetriebe 19' synchron oder asynchron ausgebildet sein, wobei bei einer asynchronen Ausbildung der Stator 16 zumindest temporär kurzgeschlossen ist. Der große Vorteil des in 2a dargestellten elektrischen Überlagerungsgetriebes 19' ist der Wegfall eines zusätzlichen mechanischen Getriebes sowie der Wegfall eines Pulswechselrichters. Wird beispielsweise der erste Rotor 15 erregt, erzeugt dieser im kurzgeschlossenen Stator 16 ein zugehöriges Magnetfeld, welches wiederum auf den zweiten Rotor 15' übertragen wird. Durch die Steuerung der Erregung des ersten Rotors 15 und/oder des zweiten Rotors 15' lässt sich eine Drehmomentenübertragung einfach und insbesondere ohne zusätzliches mechanisches Getriebe steuern. Die Steuerung kann beispielsweise über die Einrichtung 17 erfolgen. Das Überlagerungsgetriebe 19 ist dabei selbstverständlich bei entsprechender Bestromung auch als elektromotorischer Antrieb nutzbar.
  • Gemäß der 3 ist ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt mit einer dritten Kupplung (10"), die als Überlagerungsgetriebe 19 mit Kupplungsfunktion ausgebildet ist. In 3a ist dabei die dritte Kupplung 10" in einer Detaildarstellung gezeigt, mit einer Bremse 18 und dem Überlagerungsgetriebe 19, welches einen Träger/Planet 20, ein Hohlrad 21 und ein Sonnenrad 22 aufweisen kann. Hierbei handelt es sich also um ein rein mechanisches Übertragungsgetriebe 19.
  • In 3b hingegen, ist im Vergleich zur 3a die Bremse 18 an anderer Stelle, insbesondere ausgangsseitig, eingekoppelt. Zugleich wirkt gemäß der 3b die Bremse 18 sowohl auf die Abtriebswelle als auch auf das Hohlrad 21, wohingegen die Bremse 18 in 3a lediglich das Hohlrad 21 bremst und dadurch nur indirekt auf die Abtriebswelle wirkt.
  • In 3c ist der eine Kombination eines mechanischen Übertragungsgetriebes 19 mit einer elektrischen Bremse 18' gezeigt, wobei letztere auf das Hohlrad 21 des mechanischen Übersetzungsgetriebes 19 wirkt. Über die Einrichtung 17 wird eine Bremswirkung zwischen dem Stator 16 und dem ersten und einzigen Rotor 15 der elektrischen Bremse 18' gesteuert, wobei zusätzlich getriebeeingangsseitig eine Bremse 18 auf die Antriebswelle 8 einwirkt. Das Überlagerungsgetriebe 19 weist auch hier einen Träger 20, ein Hohlrad 21 und ein Sonnenrad 22 aufweist. Der Rotor 15 ist dabei mit dem Hohlrad 21 wirkungsverbunden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 1 ist ein Start des Verbrennungsmotors 4 im Stand somit alternativ durch den Elektromotor 5 oder den optionalen Anlasser 14 denkbar. Ein Start des Verbrennungsmotors 4 während der Fahrt kann beispielsweise mittels des Elektromotors 5 und geschlossener Kupplungen 9 und 6 erfolgen. Darüber hinaus ist eine Lastpunktverschiebung über die Antriebswelle 8 sowie die geschlossene Kupplung 9 und dem Elektromotor 5 oder aber über eine Fahrbahn denkbar.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 1 kann ein konventioneller Allradantrieb mit einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad realisiert werden, wobei ein Betriebsbereich des Elektromotors 5 wahlweise auf die erste Achse 2 bzw. auf die zweite Achse 3 oder auf beide Achsen 2, 3 ausdehnbar ist. Der Elektromotor 5 kann insbesondere in einem Boost-Betrieb auch auf beide Achsen 2, 3 oder aber auch nur auf die Vorderachse 2 einwirken, je nach eingestelltem Kupplungsmoment an den Kupplungen 9 und 10. Ein Rekuperieren, das heißt ein Aufladen der Fahrzeugbatterie 12 ist ebenfalls wahlweise durch eine der beiden Achsen 2, 3 oder aber durch beide Achsen 2, 3 gemeinsam möglich. Ein elektrisches Fahren kann durch ein Schließen der zweiten Kupplung 9 erfolgen, so dass der elektromotorische Antrieb auf die zweite Achse 3 wirkt, wobei selbstverständlich auch ein Schließen der dritten Kupplung 10 denkbar ist, wodurch ein elektromotorischer Allradantrieb realisierbar ist. Zur Einsparung einer Leerlaufbestromung kann der Elektromotor 5 durch Öffnen der zweiten Kupplung 9 und der dritten Kupplung 10, auch komplett antriebsstrangentkoppelt werden. Durch die Entkoppelbarkeit ist eine bessere Abstimmung des Elektromotors 5 für einen bestimmten Betriebsbereich möglich, beispielsweise für den Betrieb bei niedrigeren Geschwindigkeiten (Berst-Drehzahl). Gleichzeitig kann bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 1 der Anlasser 14 entfallen, insbesondere sofern das Getriebe 7 als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet ist, da der Elektromotor 5 generell stets in der Lage ist, den Verbrennungsmotor 4 zu starten. Durch den Entfall des Anlassers 14 kann das Kraftfahrzeug 1 nicht nur leichter, sondern zudem auch kostengünstiger hergestellt werden.
  • Bei herkömmlichen allradgetrieben Kraftfahrzeugen bestand stets die Schwierigkeit, die Drehzahlen an einem Getriebeeingang, am Motor und an der zugehörigen Achse miteinander zu koppeln. Bislang wurde dies über sogenannte hang-on-Kupplungen realisiert, was bei sehr großen Drehzahldifferenzen oft zu einer erheblichen thermischen Belastung der Kupplung, bis hin zu deren Verbrennen. Zusätzliche Schwierigkeiten traten auf bei Hybridfahrzeugen, bei denen zusätzlich ein Elektromotor in den Kraftfluss integriert werden musste. Durch die erfindungsgemäße Lösung, insbesondere gemäß der 2 und 2a, lassen sich diese Schwierigkeiten nunmehr beherrschen.

Claims (2)

  1. Kraftfahrzeug (1), insbesondere ein Personenkraftwagen, - mit einer antreibbaren ersten Achse (2) und zweiten Achse (3) und einem Verbrennungsmotor (4), der über eine erste Kupplung (6) und ein Getriebe (7) mit der zweiten Achse (3) und über eine Antriebswelle (8) mit der ersten Achse (2) antriebsverbindbar ist, oder umgekehrt, - wobei zwischen der zweiten Achse (3) und der ersten Achse (2) mindestens ein Elektromotor (5) mechanisch und/oder elektrisch in den Kraftfluss eingebunden ist, - wobei zwischen dem Elektromotor (5) und der zweiten Achse (3) eine zweite Kupplung (9) und zwischen dem Elektromotor (5) und der ersten Achse (2) eine dritte Kupplung (10,10',10'',10''') angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elektromotor (5) und der dritten Kupplung (10) ein weiteres Getriebe (13) angeordnet ist, das als Schaltgetriebe ausgebildet ist.
  2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) als Schaltgetriebe oder als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet ist.
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