DE102010017760A1

DE102010017760A1 - Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Antriebssystem

Info

Publication number: DE102010017760A1
Application number: DE102010017760A
Authority: DE
Inventors: Martin Füchtner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: DE102010017760B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug (2), mit: einer Brennkraftmaschine (3) zum Antreiben eines Getriebes (30) des Antriebssystems (1); und einer ersten Elektromaschine (13), welche mittels einer ersten Kopplungsanordnung (17) mit einem ersten Übersetzungsverhältnis oder mittels einer zweiten Kopplungsanordnung (22) mit einem sich von dem ersten Übersetzungsverhältnis unterscheidendem zweiten Übersetzungsverhältnis wahlweise mit einer Kurbelwelle (8) der Brennkraftmaschine (3) wirkverbunden oder von dieser abgekoppelt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug (2) mit einem derartigen Antriebssystem (1).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug und auf ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Antriebssystem.
Obwohl auf beliebige Fahrzeuge anwendbar, wird die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf ein Personenkraftfahrzeug näher erläutert.
Ein Hybridfahrzeug bezeichnet im allgemeinen ein Fahrzeug mit einem Antriebssystem, welches eine Mehrzahl von Antriebsaggregaten aufweist, beispielsweise eine Brennkraftmaschine und eine Elektromaschine. Zur Erzeugung eines möglichst hohen energetischen Wirkungsgrades werden bei Hybridfahrzeugen zumeist sogenannte Parallel-Hybridantriebe eingesetzt, die es ermöglichen, dass die Elektromaschine und die Brennkraftmaschine nicht nur alternativ, sondern auch kumulativ ein Drehmoment in ein Getriebe einleiten. Weiterhin soll die Elektromaschine auch als Generator einsetzbar sein, d. h. beim Abbremsen des Fahrzeugs soll die in Form von kinetischer Energie vorliegende Bremsenergie des Fahrzeuges rückgewinnbar sein, welche dann beispielsweise zum Aufladen von elektrischen Energiespeichern einsetzbar ist. Ferner fällt der Elektromaschine auch die Aufgabe zu, die Brennkraftmaschine zu starten. Hierbei ist sowohl ein zuverlässiges Warmstarten, beispielsweise ein Wiederstart nach kurzzeitigem Abschalten der Brennkraftmaschine, als auch ein zuverlässiger Kaltstart der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
Die JP 2003328907 A beschreibt dementsprechend ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Riemen-Starter-Generator und einen mit einem Starterzahnkranz der Brennkraftmaschine verbindbaren Ritzelstarter. Je nach Zustand der Brennkraftmaschine, insbesondere deren Temperaturzustand, wird diese mittels des Riemen-Starter-Generators oder mittels des Ritzelstarters gestartet. Der Riemen-Starter-Generator ermöglicht zuverlässig ein geräuschloses Starten der Brennkraftmaschine aus dem Warmzustand und die Übersetzung des Riemenantriebes ermöglicht einen schwingungsarmen generatorischen Betrieb des Riemen-Starter-Generators über einen weiten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine. Ein Kaltstart der Brennkraftmaschine wird zuverlässig mittels des Ritzelstarters gewährleistet, welcher aufgrund seiner formschlüssigen Wirkverbindung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine im Vergleich zum Riemen-Starter-Generator, ein deutlich höheres Drehmoment auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aufbringt. An diesem Antriebssystem hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass zwei Elektromaschinen erforderlich sind, wobei der Ritzelstarter nur relativ selten einzusetzen ist und somit ein zusätzliches Gewicht und zusätzlichen Bauraumbedarf bedeutet.
Ferner beschreibt die EP 506 154 A1 einen Ritzelstarter für eine Brennkraftmaschine auf dessen Abtriebsachse ein Zusatzaggregat, insbesondere ein Druckluftkompressor für eine druckluftunterstützte Kraftstoffförderung angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht zwar die zusätzliche Nutzung des Ritzelstarters zum Antrieb des Zusatzaggregates, allerdings ist auch bei dieser Anordnung für den Fall, dass eine Umwandlung von rotatorischer Energie der Kurbelwelle in elektrische Energie gewünscht ist, eine zusätzliche Elektromaschine erforderlich, die vorteilhafterweise mittels einer günstigeren Übersetzung an die Kurbelwelle angebunden ist als der Ritzelstarter.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Antriebssystem zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile beseitigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß ist ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welches eine Brennkraftmaschine zum Antreiben eines Getriebes des Antriebssystems und eine erste Elektromaschine aufweist, welche mittels einer ersten Kopplungsanordnung mit einem ersten Übersetzungsverhältnis oder mittels einer zweiten Kopplungsanordnung mit einem sich von dem ersten Übersetzungsverhältnis unterscheidendem zweiten Übersetzungsverhältnis wahlweise mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbunden oder von dieser abgekoppelt ist.
Ferner ist ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Antriebssystem vorgesehen.
Folglich ist es möglich die erste Elektromaschine wahlweise mittels der ersten oder mittels der zweiten Kopplungsanordnung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkzuverbinden, wodurch wahlweise zwei sich voneinander unterscheidende Übersetzungsverhältnisse zwischen der ersten Elektromaschine und der Brennkraftmaschine verwirklicht sind. Dies ist beispielsweise bei einem Kalt- oder Warmstart der Brennkraftmaschine, bei denen jeweils unterschiedlich hohe Startdrehmomente auf die Kurbelwelle zu übertragen sind, vorteilhaft. Beispielsweise ist mit einem derartigen Antriebssystem mit nur einer Elektromaschine ein zuverlässiger Kalt- und Warmstart der Brennkraftmaschine sowie ein generatorischer Betrieb der ersten Elektromaschine möglich.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Antriebssystems.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Brennkraftmaschine mit dem Getriebe des Antriebssystems wahlweise wirkverbunden oder von diesem abgekoppelt. Hierdurch ist es möglich, die erste Elektromaschine im Standbetrieb des Kraftfahrzeuges zum Standladen eines Energiespeichers einzusetzen, wodurch vorteilhaft verhindert wird, dass elektrische Verbraucher den Energiespeicher entladen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Getriebe als Doppelkupplungsgetriebe mit einer Doppelkupplung zum wahlweisen Wirkverbinden der Brennkraftmaschine mit dem Doppelkupplungsgetriebe oder zum Abkoppeln von diesem ausgebildet. Dies ermöglicht die Übertragung eines Abtriebsmomentes der Brennkraftmaschine auf Antriebsachsen des Kraftfahrzeuges ohne eine Zugkraftunterbrechung, wodurch sich das Beschleunigungsvermögen eines Kraftfahrzeuges mit einem derartigen Antriebssystem vorteilhaft erhöht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die erste Kopplungsanordnung zum formschlüssigen Übertragen eines Drehmomentes zwischen der ersten Elektromaschine und der Brennkraftmaschine ausgebildet, wodurch die Übertragbarkeit eines hohen Startdrehmomentes zum Kaltstart der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Kopplungsanordnung zum reibschlüssigen Übertragen eines Drehmomentes zwischen der ersten Elektromaschine und der Brennkraftmaschine ausgebildet. Hierdurch ist eine schwingungsdämpfende und geräuscharme Wirkverbindung zwischen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und der ersten Elektromaschine gewährleistet, wodurch beispielsweise ein geräuscharmer Warmstart der Brennkraftmaschine oder ein geräuscharmer Generatorbetrieb der ersten Elektromaschine gewährleistet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Abtriebswelle der ersten Elektromaschine mit einem Nebenaggregat, insbesondere mit einem Klimaanlagenkompressor oder mit einer Ölpumpe, wirkverbunden, wobei das Nebenaggregat insbesondere auf der Abtriebswelle angeordnet ist. Hierdurch wird vorteilhaft auf einen zusätzlichen Antrieb für das Nebenaggregat verzichtet, wodurch eine Gewichtsersparnis bei der Produktion des Antriebssystems erreicht wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die erste Kopplungsanordnung ein Zahnradgetriebe auf, welches einen mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbundenen Starterzahnkranz und ein mit der ersten Elektromaschine wirkverbundenes Starterritzel aufweist. Dies ermöglicht vorteilhaft die kraftschlüssige Übertragung eines Startdrehmomentes von der ersten Elektromaschine auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Kopplungsanordnung eine Einspureinrichtung auf, welche zum wahlweisen Wirkverbinden der ersten Elektromaschine mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder zum Abkoppeln von dieser das Starterritzel wahlweise in den Starterzahnkranz einspurt oder aus diesem ausspurt, wodurch die Elektromaschine zum Starten der Brennkraftmaschine zuverlässig mit dieser wirkverbindbar ist und nach dem Starten derselben wieder zuverlässig von dieser abkoppelbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Kopplungsanordnung ein Riemengetriebe auf, welches eine mit der ersten Elektromaschine wirkverbundene erste Riemenscheibe, eine mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wirkverbundene zweite Riemenscheibe und einen die erste und die zweite Riemenscheibe wirkverbindenden Antriebsriemen aufweist. Dies ermöglicht vorteilhaft die reibschlüssige Übertragung eines Startdrehmomentes von der ersten Elektromaschine auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder die reibschlüssige Übertragung eines Abtriebsmomentes der Brennkraftmaschine von der Kurbelwelle zu der ersten Elektromaschine.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Kopplungsanordnung eine Kupplungseinrichtung auf, welche zum wahlweisen Wirkverbinden der ersten Elektromaschine mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder zum Abkoppeln von dieser die erste Riemenscheibe wahlweise mit der ersten Elektromaschine wirkverbindet oder von dieser abkoppelt, wobei die Kupplungseinrichtung insbesondere als Reib- oder Klauenkupplung ausgebildet ist. Dies ermöglicht vorteilhaft ein Wirkverbinden der ersten Elektromaschine mit der Kurbelwelle zum Starten der Brennkraftmaschine oder zum Generatorbetrieb der ersten Elektromaschine und ein Abkoppeln von der Kurbelwelle wenn die Brennkraftmaschine beispielsweise über die erste Kopplungsanordnung gestartet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Elektromaschine sowohl zum generatorischen als auch zum elektromotorischen Betrieb ausgebildet. Dies ermöglicht vorteilhaft sowohl das Einspeisen eines Drehmomentes in das Antriebssystem als auch das Erzeugen elektrischer Energie zum Laden eines Energiespeichers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Antriebssystem eine zweite Elektromaschine auf, welche mit mindestens einer Antriebsachse des Kraftfahrzeuges, mit mindestens einem Rad des Kraftfahrzeuges oder mit einer Abtriebswelle des Getriebes wahlweise wirkverbunden oder von diesen abgekoppelt ist. Dadurch ist es möglich ein Drehmoment in das Antriebssystem einzuspeisen oder die zweite Elektromaschine generatorisch zu betreiben ohne dass die Brennkraftmaschine Schleppmomente und/oder Reibungsverluste erzeugt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Antriebssystem eine Elektromaschinen-Kupplungseinrichtung zum wahlweisen Wirkverbinden der zweiten Elektromaschine mit der mindestens einen Antriebsachse des Kraftfahrzeuges, mit dem mindestens einen Rad des Kraftfahrzeuges oder mit der Abtriebswelle des Getriebes oder zum Abkoppeln der zweiten Elektromaschine von diesen auf. Hierdurch wird ein ständiges Mitlaufen der ersten Elektromaschine und damit das Auftreten von Reibungsverlusten vermieden.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite Elektromaschine sowohl zum generatorischen als auch zum elektromotorischen Betrieb ausgebildet. Dies ermöglicht vorteilhaft sowohl das Einspeisen eines Drehmomentes in das Antriebssystem als auch das Erzeugen elektrischer Energie zum Laden eines Energiespeichers.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 eine Aufsicht eines Antriebssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Aufsicht eines Antriebssystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 eine Aufsicht eines Antriebssystems gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der 1 bis 3 erläutert.
Die 1 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform eines Antriebssystems 1 in einer Aufsicht. Das Antriebssystem 1 ist beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 2 zum Antrieb desselben vorgesehen. Eine bevorzugt in einem Heckbereich des Kraftfahrzeuges 2 angeordnete Brennkraftmaschine 3 des Antriebssystems 1 weist beispielsweise Zylinder 4–5 und ein Motorgehäuse 7 auf. Die Anzahl der Zylinder ist beliebig, beispielsweise kann die Brennkraftmaschine 3 auch sechs Zylinder aufweisen. Eine Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 ist beispielsweise über nicht dargestellte Pleuel mit den Zylindern 4–6 wirkverbunden. Die Kurbelwelle 8 durchläuft das im Wesentlichen quaderförmige Motorgehäuse 7 auf dessen gesamter Länge und durchbricht das Motorgehäuse 7 an bevorzugt zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden 9, 10. Das heißt, an den beiden Seitenwänden 9, 10 stehen Wellenstummel der Kurbelwelle 8 aus dem Motorgehäuse 7 hervor. An einer der beiden Seitenwände 10 ist auf der Kurbelwelle 8 bevorzugt drehfest ein Schwungrad 11 mit einem eine Mantelfläche des Schwungrades 11 umlaufenden Starterzahnkranz 12 angeordnet.
Das Antriebssystem 1 weist weiterhin eine erste Elektromaschine 13 auf, welche beispielsweise neben oder über dem Motorgehäuse 7 angeordnet ist. Eine Abtriebswelle 14 der ersten Elektromaschine 13 ist dabei bevorzugt parallel zu der Kurbelwelle 8 angeordnet. Ein Achsabstand der Abtriebswelle 14 und der Kurbelwelle 8 ist dabei derart ausgebildet, dass ein auf der Abtriebswelle 14 bevorzugt drehfest, aber axial verschiebliches Starterritzel 15 mit dem Starterzahnkranz 12 in formschlüssigen Wirkeingriff bringbar ist. Das Starterritzel 15 und der Starterzahnkranz 12 bilden ein Zahnradgetriebe 16 einer ersten Kopplungsanordnung 17 des Antriebssystems 1. Die erste Kopplungsanordnung 17 ist geeignet zum formschlüssigen Übertragen eines Drehmomentes von der ersten Elektromaschine 13 auf die Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3. Die Abtriebswelle 14 der ersten Elektromaschine 13 durchdringt ein in etwa zylinderförmiges Elektromaschinengehäuse 18, an dessen Stirnflächen 19, 20. Die Abtriebswelle 14 ragt bevorzugt über beide Stirnflächen 19, 20 heraus. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Antriebssystem 1 ist das Starterritzel 15 auf einem aus der Stirnfläche 20 des Elektromaschinengehäuses 18 herausragenden Wellenstummel der Abtriebswelle 14 angeordnet. Das Starterritzel 15 ist entlang der Abtriebswelle 14 verschieblich, wodurch das Starterritzel 15 in den Starterzahnkranz 12 einspurbar bzw. aus diesem wieder ausspurbar ist. Zum Ein- und Ausspuren des Starterritzel 15 aus dem Starterzahnkranz 12 ist eine Verzahnung des Starterritzel 15 beispielsweise angeschrägt. Zum Ein- und Ausspuren des Starterritzels 15 aus dem Starterzahnkranz 12 weist die erste Kopplungsanordnung 17 weiterhin beispielsweise eine Einspureinrichtung 21, welche zum wahlweisen Wirkverbinden der ersten Elektromaschine 13 mit der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 oder zum Abkoppeln von dieser das Starterritzel 15 wahlweise in den Starterzahnkranz 12 einspurt oder aus diesem ausspurt. Die Einspureinrichtung 21 weist beispielsweise Elektromagneten auf, welche derart ausgebildet sind, dass das Starterritzel 15 mittels der Einspureinrichtung 21 entlang der Abtriebswelle 14 der ersten Elektromaschine 13 in zumindest zwei Schaltzustände verlagerbar ist. Die erste Kopplungsanordnung 17 bzw. das Zahnradgetriebe 16 verwirklicht ein erstes Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Elektromaschine 13 bzw. der Abtriebswelle 14 und der Brennkraftmaschine 3 bzw. der Kurbelwelle 8.
Das Antriebssystem 1 weist weiterhin eine zweite Kopplungsanordnung 22 auf. Die zweite Kopplungsanordnung 22 umfasst bevorzugt ein Riemengetriebe 23 mit einer mit der ersten Elektromaschine 13 wirkverbindbaren ersten Riemenscheibe 24, welche auf der Seite der Abtriebswelle 14 angeordnet ist, die aus der Stirnfläche 19 des Elektromaschinengehäuses 18 herausragt. In einer alternativen Ausführungsform des Antriebssystems 1 ist die zweite Kopplungsanordnung 22 bzw. das Riemengetriebe 23 auf der gleichen Seite der Abtriebswelle 14 angeordnet wie die erste Kopplungsanordnung 17. Das Riemengetriebe 23 weist weiterhin eine zweite Riemenscheibe 25 auf, welche drehfest mit der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 wirkverbunden ist. Die zweite Riemenscheibe 25 ist bevorzugt auf dem aus der Stirnfläche 9 des Motorgehäuses 7 herausragenden Wellenstummel der Kurbelwelle 8 angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform des Antriebssystems 1 ist die zweite Riemenscheibe 25 auf dem gleichen Wellenstummel der Kurbelwelle 8 angeordnet, auf welchem auch die Schwungscheibe 11 angeordnet ist. Die erste und die zweite Riemenscheibe 24, 25 sind mittels eines Antriebsriemens 26 miteinander reibschlüssig wirkverbunden. Die zweite Kopplungsanordnung 22 ist bevorzugt zum reibschlüssigen Übertragen eines Drehmomentes von der ersten Elektromaschine 13 bzw. der Abtriebswelle 14 der ersten Elektromaschine 13 zu der Brennkraftmaschine 3 bzw. der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 ausgebildet. Bevorzugt ist auch ein Drehmoment von der Kurbelwelle 8 auf die Abtriebswelle 14 übertragbar. Die zweite Kopplungsanordnung 22 bzw. das Riemengetriebe 23 weist ein zweites Übersetzungsverhältnis auf, welches sich von dem ersten Übersetzungsverhältnis der ersten Kopplungsanordnung 17 bevorzugt unterscheidet. Die zweite Kopplungsanordnung 22 weist weiterhin eine Kupplungseinrichtung 27 auf, welche zum wahlweisen Wirkverbinden der ersten Elektromaschine 13 mit der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 oder zum Abkoppeln von dieser die erste Riemenscheibe 24 wahlweise mit der ersten Elektromaschine 13 wrkverbindet oder von dieser abkoppelt. Die Kupplungseinrichtung 27 ist bevorzugt als Reib- oder Klauenkupplung ausgebildet. Die 1 illustriert eine Ausführungsform der Kupplungseinrichtung 27 als Reibkupplung. Hierzu ist die Abtriebswelle 14 mit einem drehfest mit dieser verbundenen Kupplungsgehäuse 28 versehen, welches in Reibschluss mit einer Kupplungsscheibe 29 bringbar ist. Die Abtriebswelle 14 ist hierzu in einen die Kupplungsscheibe 29 tragenden und in einen das Kupplungsgehäuse 28 tragenden Abschnitt geteilt.
Das Antriebssystem weist bevorzugt ein Getriebe 30 mit einer Kupplungseinrichtung 31 auf, welches bevorzugt als Doppelkupplungsgetriebe 30 mit einer Doppelkupplung 31 zum wahlweisen Wirkverbinden der Brennkraftmaschine 3 bzw. der Kurbelwelle 8 mit dem Doppelkupplungsgetriebe 30 oder zum Abkoppeln von diesem ausgebildet ist. Die Doppelkupplung 31 weist beispielsweise ein nicht näher dargestelltes mit der Kurbelwelle 8 drehfest verbundenes Kupplungsgehäuse und zwei jeweils mit einer Getriebeeingangswelle des Doppelkupplungsgetriebes 30 drehfest verbundene Kupplungsscheiben auf, welche wahlweise mit dem Kupplungsgehäuse kraftschlüssig wirkverbindbar oder von diesem trennbar sind. Das heißt, die Brennkraftmaschine 3 ist mittels der Doppelkupplung 31 wahlweise mit dem Getriebe 30 wirkverbunden oder von diesem abgekoppelt. Das Getriebe 30 dient zum Antreiben von Antriebsachsen 36, 37, die bevorzugt als Vorderachse 36 und als Hinterachse 37 des Kraftfahrzeuges 2 ausgebildet sind. Das Getriebe 30 ist dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass wahlweise eine der beiden Antriebsachsen 36, 37 oder beide Antriebsachsen 36, 37 angetrieben werden. Hierzu weist das Getriebe 30 beispielsweise ein Verteilergetriebe auf, welches beispielsweise von einem Fahrzeugführer manuell oder von einer Fahrzeugelektronik automatisch schaltbar ist. Die Antriebsachsen 36, 37 sind bevorzugt mit jeweils zwei Rädern 38–41 versehen. Das Getriebe 30 ist mittels Achsgetrieben 42, 43, insbesondere mittels eines Vorderachsdifferentials 42 und eines Hinterachsdifferentials 43, mit der jeweiliges Antriebsachse 36, 37 des Kraftfahrzeuges 2 wirkverbunden.
Das Antriebssystem 1 weist weiterhin bevorzugt ein Nebenaggregat 32 auf, insbesondere einen Klimaanlagenkompressor 32 oder eine Ölpumpe 32, welche mit der Abtriebswelle 14 der ersten Elektromaschine 13 wirkverbunden ist. Insbesondere ist das Nebenaggregat 32 auf der Abtriebswelle 14 angeordnet. Bevorzugt durchdringt die Abtriebswelle 14 das Nebenaggregat 32, d. h. die Abtriebswelle 14 läuft durch das Nebenaggregat 32. Das Nebenaggregat 32 ist beispielsweise zwischen der Stirnfläche 19 des Elektromaschinengehäuses 18 und der Kupplungseinrichtung 27 der zweiten Kopplungsanordnung 22 angeordnet. Die erste Elektromaschine 13 ist sowohl zum generatorischen als auch zum elektromotorischen Betrieb ausgebildet. Die erste Elektromaschine 13 ist bevorzugt eine Hochvolt-Elektromaschine.
Das Antriebssystem 1 weist weiterhin bevorzugt eine zweite Elektromaschine auf, welche beispielsweise mit der Abtriebswelle 34 des Getriebes 30 wahlweise wirkverbunden oder von diesem abgekoppelt ist. Zum wahlweisen Wirkverbinden der zweiten Elektromaschine 33 mit der Abtriebswelle 34 des Getriebes 30 oder zum Abkoppeln der zweiten Elektromaschine 33 von dieser ist eine Elektromaschinen-Kupplungseinrichtung 35 vorgesehen. Die Elektromaschinen-Kupplungseinrichtung 35 ist beispielsweise als Reib- oder Klauenkupplung ausgebildet. Bevorzugt ist die zweite Elektromaschine 33 sowohl zum generatorischen als auch zum elektromotorischen Betrieb ausgebildet. Weiterhin ist die zweite Elektromaschine 33 bevorzugt als Hochvolt-Elektromaschine ausgebildet.
Die 2 illustriert ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Antriebssystems 1. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel des Antriebssystems 1 gemäß der 1 ist hier die zweite Elektromaschine 33 nicht mit der Abtriebswelle 34 des Getriebes 30 wirkverbindbar, sondern mit einer Antriebsachse 36, 37 des Kraftfahrzeuges 2. Bevorzugt ist die zweite Elektromaschine 33 mit der Vorderachse 36 des Kraftfahrzeuges 2 wirkverbindbar, wobei die Elektromaschinen-Kupplungseinrichtung 35 dem wahlweisen Wirkverbinden der zweiten Elektromaschine 33 mit der Antriebsachse 36 des Kraftfahrzeuges 2 oder zum Abkoppeln der zweiten Elektromaschine 33 von dieser dient. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die zweite Elektromaschine 33 mit der Hinterachse 37 des Kraftfahrzeuges 2 wirkverbindbar. In einer noch weiteren Ausführungsform des Antriebssystems 1 weist dieses eine noch weitere Elektromaschine 33 auf, wobei an beiden Antriebsachsen 36, 37 eine Elektromaschine 33 vorgesehen ist.
Die 3 illustriert ein noch weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Antriebssystems 1. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen des Antriebssystems 1 gemäß der 1 oder 2 ist die zweite Elektromaschine 33 mit mindestens einem Rad 38 bis 41 wirkverbindbar. Bevorzugt ist pro Rad 38 bis 41 eine zweite Elektromaschine 33 vorgesehen. Beispielhaft stellt die 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Antriebssystems 1 dar, bei dem an beiden Rädern 38, 41 der Vorderachse 36 jeweils eine zweite Elektromaschine 33 vorgesehen ist. Zum wahlweisen Wirkverbinden der zweiten Elektromaschine 33 mit dem mindestens einen Rad 38–41 dient die Elektromaschinen-Kupplungseinrichtung 35.
Die Funktionsweise des Antriebssystems 1 gemäß der 1–3 wird im Folgenden erläutert. Zum Starten der Brennkraftmaschine 3 wird die erste Elektromaschine 13 entweder mittels der ersten Kopplungsanordnung 17 oder wahlweise mittels der zweiten Kopplungsanordnung 22 mit der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 wirkverbunden. Hierzu ermittelt beispielsweise eine Motorsteuerung der Brennkraftmaschine 3 den Zustand der Brennkraftmaschine 3, beispielsweise mittels eines Temperatursensors. Im Falle eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine 3 wird bevorzugt die Kupplungseinrichtung 27 der zweiten Kopplungsanordnung 22 geöffnet, so dass keine Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle 14 der ersten Elektromaschine 13 und der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine über das Riemengetriebe 23 besteht. Mittels der Einspureinrichtung 21 wird anschließend oder gleichzeitig das Starterritzel 15 entlang der Abtriebswelle 14 verschoben und in den Starterzahnkranz 12 eingespurt. Es besteht nun eine kraftschlüssige Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle 14 der Elektromaschine 13 und der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 mittels des Zahnradgetriebes 16. Das erste Übersetzungsverhältnis des Zahnradgetriebes 16 ist dabei derart ausgebildet, dass ein besonders hohes Startdrehmoment von der ersten Elektromaschine 13 auf die Brennkraftmaschine 3 übertragen wird. Die Brennkraftmaschine 3 kann nun gestartet werden. Nach dem Starten der Brennkraftmaschine 3 wird das Starterritzel 15 mittels der Einspureinrichtung 21 wieder aus dem Starterzahnkranz 12 ausgespurt.
Im Falle eines Warmstarts der Brennkraftmaschine 3 bleibt das Starterritzel 15 aus dem Starterzahnkranz 12 ausgespurt und die Kupplungseinrichtung 27 der zweiten Kopplungsanordnung 22 wird geschlossen. Über das Riemengetriebe 23 ist ein Drehmoment von der Abtriebswelle 14 der ersten Elektromaschine 13 auf die Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 übertragbar. Aufgrund des schwingungsdämpfenden Riemengetriebes 23 ist somit ein komfortables und geräuschloses Warmstarten der Brennkraftmaschine 3 möglich. Nach dem Starten der Brennkraftmaschine 3 kann die Kupplungseinrichtung 27 wieder geöffnet werden und die erste Elektromaschine 13 von der Brennkraftmaschine abgekoppelt werden. Bevorzugt jedoch bleibt die Kupplungseinrichtung 27 geschlossen. So ist beispielsweise im Standbetrieb aber auch im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges 2 die erste Elektromaschine 13 generatorisch zum Laden eines Energiespeichers, insbesondere einer Batterie des Kraftfahrzeuges 2 verwendbar. Weiterhin wird in diesem Betriebszustand auch das Nebenaggregat 32 von der Brennkraftmaschine 3 angetrieben. Wird die erste Elektromaschine 13 in diesem Betriebszustand des Antriebssystem 1 von der Brennkraftmaschine 3 abgekoppelt, ist das Nebenaggregat 32 mittels der dann elektromotorisch arbeitenden ersten Elektromaschine antreibbar.
Mittels einem entsprechenden Betätigen der Kupplungseinrichtung 31 wird zum Bewegen des Kraftfahrzeuges die Brennkraftmaschine 3 mit dem Doppelkupplungsgetriebe 30 wirkverbunden. Über das Getriebe 30 wird ein Abtriebsmoment der Brennkraftmaschine 3 auf die Antriebsachsen 36, 37 übertragen. Das Getriebe 30 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die Brennkraftmaschine 3 ein Antriebsmoment auf die Hinterachse 37 oder auf beide Antriebsachsen 36, 37 überträgt. Im Fahrzustand des Kraftfahrzeuges 2 wird die erste Elektromaschine 13 – falls diese mit der Kurbelwelle 8 wirkverbunden ist – von der Brennkraftmaschine 3 beispielsweise generatorisch zum Laden des Energiespeichers angetrieben oder diese arbeitet elektromotorisch und bringt somit ein zusätzliches Drehmoment auf die Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 auf.
Ein zusätzliches Drehmoment ist weiterhin mittels der zweiten Elektromaschine 33 in das Antriebssystem 1 einspeisbar. Hierzu ist die Elektromaschinen-Kupplungseinrichtung 35 derart geschaltet, dass die zweite Elektromaschine 33 mit zumindest einer Antriebsachse 36, 37, der Abtriebswelle 34 des Getriebes 30 und/oder mit mindestens einem Rad 38–41 des Kraftfahrzeuges 2 wirkverbunden ist. Beispielsweise kann so die Vorderachse 36 elektromotorisch und die Hinterachse 37 verbrennungsmotorisch angetrieben werden. Mittels einem Öffnen der Kupplungseinrichtung 31 wird die Brennkraftmaschine 3 von dem Getriebe 30 getrennt und ein Antreiben des Antriebssystems 1 allein mittels der zweiten Elektromaschine 33 ist möglich. Das Kraftfahrzeug 2 kann so ausschließlich mittels der zweiten Elektromaschine 33 bewegt werden, wobei die Brennkraftmaschine 3 von dem Antriebssystem 1 abgekoppelt ist und somit weder Schleppmomente noch Reibungsverluste erzeugt. In diesem Betriebszustand kann die Brennkraftmaschine 3 entweder abgeschaltet sein oder diese kann zum Laden des Energiespeichers mittels einem generatorischen Antreiben der ersten Elektromaschine 13 eingesetzt werden.
Im Rekuperationsbetrieb des Antriebssystems 1, das heißt bei der Rückgewinnung von Bewegungsenergie des Kraftfahrzeuges 1, ist es ebenfalls möglich, dass die gesamte Bewegungsenergie ausschließlich von der zweiten Elektromaschine 33 in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie wird beispielsweise zum Laden des Energiespeichers eingesetzt. Ist die Bremswirkung der zweiten Elektromaschine 33 nicht ausreichend, wird durch entsprechendes Schalten der Kupplungseinrichtung 31 die Brennkraftmaschine 3 und die ebenfalls im generatorischen Betrieb arbeitende erste Elektromaschine 13, welche bevorzugt mittels der zweiten Kopplungsanordnung 22 mit der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 3 gekoppelt ist, zugeschaltet.
Mit dem Antriebssystem 2 gemäß der 1–3 ist somit vorteilhaft sowohl ein zuverlässiger Warm- als auch Kaltstart der Brennkraftmaschine 3 mit nur einer Elektromaschine 13, ein Standladen des Energiespeichers des Kraftfahrzeuges 2 mittels der ersten Elektromaschine 13, ein rein elektromotorischer sowie ein kumulierter elektromotorischer/verbrennungsmotorischer Betrieb des Kraftfahrzeuges 2 und ein Rückgewinnen von Bewegungsenergie des Kraftfahrzeuges 2 möglich. Weiterhin ist mit dem beschriebenen Antriebssystem 1 bei einer hochdynamischen Fahrt des Kraftfahrzeuges 2 ein sogenanntes Scheitelpunktladen möglich. Das Scheitelpunktladen wird im Folgenden kurz erläutert. In einem Scheitelpunkt einer von dem Kraftfahrzeug 2 durchfahrenen Kurve, in dem an einem Antriebsreifen 38–41 des Kraftfahrzeuges 2 eine maximale Querkraft aber keine Längskraft übertragbar ist und somit die Leistung der Brennkraftmaschine 3 in diesem Scheitelpunkt auch nicht zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges 2 nutzbar ist, ist die Leistung der Brennkraftmaschine 3 mittels der zweiten Kopplungsanordnung 22 an die erste Elektromaschine 13 zum Laden des Energiespeichers übertragbar. Diese im Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie ist wiederum nach einem Verlassen des Scheitelpunktes der Kurve zum Beschleunigen des Kraftfahrzeuges 2 aus der Kurve heraus mittels der beiden Elektromaschinen 13, 33 einsetzbar. Dieses Scheitelpunktladen ermöglicht somit eine Erhöhung des Zeitanteils der Nutzung der Brennkraftmaschine 3, wodurch sich deren Wirkungsgrad signifikant erhöht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003328907 A [0004]
EP 506154 A1 [0005]

Claims

Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug (2), mit: einer Brennkraftmaschine (3) zum Antreiben eines Getriebes (30) des Antriebssystems (1); und einer ersten Elektromaschine (13), welche mittels einer ersten Kopplungsanordnung (17) mit einem ersten Übersetzungsverhältnis oder mittels einer zweiten Kopplungsanordnung (22) mit einem sich von dem ersten Übersetzungsverhältnis unterscheidendem zweiten Übersetzungsverhältnis wahlweise mit einer Kurbelwelle (8) der Brennkraftmaschine (3) wirkverbunden oder von dieser abgekoppelt ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (3) mit dem Getriebe (30) des Antriebssystems (1) wahlweise wirkverbunden oder von diesem abgekoppelt ist.
Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (30) als Doppelkupplungsgetriebe (30) mit einer Doppelkupplung (31) zum wahlweisen Wirkverbinden der Brennkraftmaschine (3) mit dem Doppelkupplungsgetriebe (30) oder zum Abkoppeln von diesem ausgebildet ist.
Antriebssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplungsanordnung (17) zum formschlüssigen Übertragen eines Drehmomentes zwischen der ersten Elektromaschine (13) und der Brennkraftmaschine (3) ausgebildet ist.
Antriebssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kopplungsanordnung (22) zum reibschlüssigen Übertragen eines Drehmomentes zwischen der ersten Elektromaschine (13) und der Brennkraftmaschine (3) ausgebildet ist.
Antriebssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtriebswelle (14) der ersten Elektromaschine (13) mit einem Nebenaggregat (32), insbesondere mit einem Klimaanlagenkompressor oder mit einer Ölpumpe, wirkverbunden ist, wobei das Nebenaggregat (32) insbesondere auf der Abtriebswelle (14) angeordnet ist.
Antriebssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplungsanordnung (17) ein Zahnradgetriebe (16) aufweist, welches einen mit der Kurbelwelle (8) der Brennkraftmaschine (3) wirkverbundenen Starterzahnkranz (12) und ein mit der ersten Elektromaschine (13) wirkverbundenes Starterritzel (15) aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplungsanordnung (17) eine Einspureinrichtung (21) aufweist, welche zum wahlweisen Wirkverbinden der ersten Elektromaschine (13) mit der Kurbelwelle (8) der Brennkraftmaschine (3) oder zum Abkoppeln von dieser das Starterritzel (15) wahlweise in den Starterzahnkranz (12) einspurt oder aus diesem ausspurt.
Antriebssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kopplungsanordnung (22) ein Riemengetriebe (23) aufweist, welches eine mit der ersten Elektromaschine (13) wirkverbundene erste Riemenscheibe (24), eine mit der Kurbelwelle (8) der Brennkraftmaschine (3) wirkverbundene zweite Riemenscheibe (25) und einen die erste und die zweite Riemenscheibe wirkverbindenden Antriebsriemen (26) aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kopplungsanordnung (22) eine Kupplungseinrichtung (27) aufweist, welche zum wahlweisen Wirkverbinden der ersten Elektromaschine (13) mit der Kurbelwelle (8) der Brennkraftmaschine (3) oder zum Abkoppeln von dieser die erste Riemenscheibe (24) wahlweise mit der ersten Elektromaschine (13) wirkverbindet oder von dieser abkoppelt, wobei die Kupplungseinrichtung (27) insbesondere als Reib- oder Klauenkupplung ausgebildet ist.
Antriebssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektromaschine (13) sowohl zum generatorischen als auch zum elektromotorischen Betrieb ausgebildet ist.
Antriebssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eine zweite Elektromaschine (33) aufweist, welche mit mindestens einer Antriebsachse (36, 37) des Kraftfahrzeuges (2), mit mindestens einem Rad (38–41) des Kraftfahrzeuges (2) oder mit einer Abtriebswelle (34) des Getriebes (30) wahlweise wirkverbunden oder von diesen abgekoppelt ist.
Antriebssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eine Elektromaschinen-Kupplungseinrichtung (35) zum wahlweisen Wirkverbinden der zweiten Elektromaschine (33) mit der mindestens einen Antriebsachse (36, 37) des Kraftfahrzeuges (2), mit dem mindestens einen Rad (38–41) des Kraftfahrzeuges (2) oder mit der Abtriebswelle (34) des Getriebes (30) oder zum Abkoppeln der zweiten Elektromaschine (13) von diesen aufweist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektromaschine (33) sowohl zum generatorischen als auch zum elektromotorischen Betrieb ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (2) mit einem Antriebssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.