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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher zur Rekuperation von Energie in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
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Stand der Technik
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Aufgrund ökologischer, wirtschaftlicher und gesetzgeberischer Vorgaben werden derzeit verstärkt Alternativen zu dem Antrieb von Fahrzeugen mit Hilfe von Verbrennungsmotoren gesucht. Eine mögliche Alternative stellt die Verwendung von Elektromotoren dar, die nicht nur emissionsfrei betrieben sondern auch sehr flexibel das Antriebsdrehmoment für das Fahrzeug erzeugen können.
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Im Hinblick auf die Auslegung von Fahrmotoren von Kraftfahrzeugen ist das maßgebliche Kriterium auf Seiten des Herstellers die erforderliche Zeitdauer für eine Beschleunigung des Fahrzeugs von z. B. 0 auf 100 km/h. Dies führt jedoch insbesondere bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen dazu, dass der Elektromotor im Fahrzyklus überwiegend im energetisch ungünstigen Teillastbereich betrieben wird. Eine bekannte mögliche Variante zur Erhöhung der Energieeffizienz von Elektromotoren besteht darin, durch die gezielte Auswahl einer anders gestalteten elektrischen Erregung (bspw. mittels Asynchron-Motoren oder homopolare Motoren) der Elektromotoren die Bereiche mit einem hohen Wirkungsgrad bevorzugten in diejenigen Bereiche zu verschieben, die von den Fahrzyklen überwiegend genutzt werden.
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Dennoch gilt auch bei diesem Elektromotoren, wie übrigens bei Elektromotoren allgemein, dass sie ihre höchste Energieeffizienz vorzugsweise bei mittleren Lasten und mittleren Drehzahlen aufweisen und in den Grenzfällen die Drehzahl oder das Drehmoment gegen null bzw. gegen einen sehr schlechten Wirkungsgrad geht, während die Fahrwiderstände eines Kraftfahrzeugs im öffentlichen Straßenverkehr in der Regel überwiegend lediglich niedrige bis niedrigste Fahrmomente erfordern.
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Außerdem sind für die Rückgewinnung der kinetischen Energie des Fahrzeugs, bspw. von Bremsenergie, bereits Schwungradspeicher für den Einsatz in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen bekannt, die jedoch lediglich als schnelle be- und entladbare Energiespeicher dienen und deren Ladungs- und Entladungsvermögen u. a. durch einen elektrischen Fahrmotor festgelegt wird. Der Schwungradspeicher hat dabei jedoch keine Auswirkung auf die vorstehend erwähnte grundsätzliche Auslegung des elektrischen Fahrmotors und somit auf dessen Energieeffizienz im Fahrzyklus, da der elektrische Fahrmotor nach wie vor für das Erreichen der Beschleunigung des Fahrzeugs von 0 auf 100 km/h ausgelegt ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebssystem mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher für elektrisch angetriebene Fahrzeuge bereitzustellen, bei der ein elektrischer Fahrmotor im gesamten Fahrzyklus mit hoher Energieeffizienz betrieben werden kann und das Fahrzeug gleichzeitig ein unverändertes Beschleunigungsverhalten, wie es von Fahrzeugen mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor bekannt ist, aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem nach Anspruch 1 und das Verfahren zur Auslegung des Antriebssystems nach Anspruch 10 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Antriebssystem mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher zur Rekuperation von mechanischer Energie in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen vorgesehen. Die Getriebeanordnung umfasst:
- – mindestens einen Elektromotor zum Bereitstellen eines ersten Antriebsmoments mit einer Antriebswelle;
- – einen Schwungradspeicher zum Bereitstellen eines zweiten Antriebsmoments;
- – einen Variator zum Bereitstellen eines stetig variablen Übersetzungsverhältnisses zwischen der Antriebswelle und dem Schwungradspeicher;
- – eine Steuereinheit zum Ansteuern des Elektromotors und zum Einstellen des Übersetzungsverhältnisses des Variators, so dass ein bereitgestelltes Soll-Antriebsmoment als Summe des ersten Antriebsmoments und des zweiten Antriebsmoments bereitgestellt wird.
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Bei dem vorliegenden Antriebssystem wird die zur Beschleunigung des Fahrzeugs mit einem Soll-Antriebsmoment erforderliche Leistung zum einen von dem Elektromotor und zum anderen aus dem Schwungradspeicher bezogen. Der Schwungradspeicher wird in der Regel im Betrieb von dem Elektromotor und/oder beim rekuperativen Bremsen mit mechanischer Energie in bekannter Weise aufgeladen. Damit ergibt sich bei dem vorliegenden Antriebssystem der Vorteil, dass die Rekuperation von der kinetischen Energie des Fahrzeugs unabhängig vom Hochvolt-Bordnetz und den Eigenschaften der verwendeten Energiespeicher ist, wie sie in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen üblicherweise zu Grunde gelegt werden.
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Bei dem vorliegenden Antriebssystem steuert die Steuereinheit das variable Übersetzungsverhältnis des Variators derart, dass der energetisch geladene Schwungradspeicher ein zweites Antriebsmoment zum Erreichen des Soll-Antriebsmoments für die Beschleunigung des Fahrzeugs auf die Antriebswelle überträgt, so dass in einer Fahrsituation, in welcher der Fahrer eine starke Beschleunigung zum Erreichen eines Soll-Antriebsmomentes nahe einem maximalen Antriebsmoment wünscht, die Summe aus dem ersten Antriebsmoment des Elektromotors und dem zweiten Antriebsmoment des Schwungradspeichers das Soll-Antriebsmoment ergibt, welches dann der Antriebswelle zur Verfügung steht. Somit ist ein Fahrzeug mit dem obigen Antriebssystem trotz eines unzureichenden maximalen ersten Antriebsmoments des Elektromotors aufgrund der mechanischen Kopplung mit dem Schwungradspeicher in der Lage, dem Fahrer Gesamt-Antriebsmomente bis hin zu dem vorgegebenen maximalen Antriebsmoment zur Verfügung zu stellen.
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Des Weiteren entfällt bei dem vorliegenden Antriebssystem in vorteilhafter Weise ein Teil der sonst üblichen Akkumulatoren zum Speichern der elektrischen Energie für die Versorgung des Elektromotors, da aufgrund der mechanischen Kopplung des Schwungradspeichers mit dem Antriebstrang dessen entsprechende elektrische Leistung, die nun lediglich als Restleistung für die relativ selten abgefragte Beschleunigung des Fahrzeugs mit dem maximalen Antriebsmoment erforderlich ist, nicht mehr in den energiespeichern, wie z. B. den Akkumulatoren, vorgehalten werden muss. Neben dem Gewicht für die Energiespeicher werden gleichzeitig auch deren nicht unerhebliche Kosten gesenkt.
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Insbesondere kann die Steuereinheit ausgebildet sein, den Elektromotor zum Bereitstellen des ersten Antriebsmoments so anzusteuern, dass er mit einem Wirkungsgrad betrieben wird, der oberhalb eines Wirkungsgradschwellenwerts liegt.
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Der Elektromotor kann derart dimensioniert sein, dass ein maximal bereitstellbares erstes Antriebsmoment kleiner ist als ein vorgegebenes maximales Antriebsmoment.
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Im Folgenden werden die grundsätzlichen Anforderungen an die mechanische Ankopplung eines Schwungradspeichers an den Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs dargestellt, die unabhängig von den jeweiligen Ausführungsformen der vorliegenden Getriebeanordnung gelten.
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Im Hinblick auf die Minimierung der Fahrzeugmasse ist ein Schwungradspeicher wünschenswert, der seine Energiedichte durch hohe, betriebssichere maximale Drehzahlen darstellt, gemäß dem Zusammenhang
mit m
Sr als der Masse des Schwungsrads im Schwungradspeicher.
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Zudem ist ein stetiges variables Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebstrang und dem Schwungradspeicher erforderlich, das in idealer Weise Werte zwischen 0 und ∞ annehmen kann. Zur Nutzung der gespeicherten kinetischen Energie zum Beschleunigen des Fahrzeugs muss im Extremfall ein schnell drehendes Schwungrad möglichst verlustfrei auf eine still stehende Antriebswelle gekoppelt werden. Des Weiteren soll die Aufladung des Schwungradspeichers auf seine maximale Drehzahl möglichst unabhängig von der Antriebsdrehzahl des Elektromotors bzw. der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs erfolgen. Im Idealfall erfolgt die Rekuperation von Bremsenergie in den Schwungradspeicher auf dessen maximale Drehzahl mit einer Antriebsdrehzahl im Antriebsstrang von annähernd Null.
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Bezüglich des Kraftflusses zwischen dem Schwungradspeicher und dem Antriebstrang des Fahrzeugs ist der Einsatz einer unmittelbar wirkenden Kupplungen vorgesehen, die für eine vollständige Trennung zwischen den beiden Bauteilen sorgt. So muss bei der Rekuperation von Bremsenergie zum Aufladen des Schwungradspeichers der Kraftfluss getrennt werden, da sonst bei dem stehenden Fahrzeug das Schwungrad die Drehzahl Null haben müsste. Außerdem muss bei Erreichen eines fahrsituationsabhängigen maximalen Übersetzungsverhältnisses des zwischen Rad und Elektromotor vermittelnden Getriebes der Schwungradspeicher komplett entkoppelt werden, um ein wechselseitiges Abbremsen des Antriebsstrangs und des Schwungradspeichers zu vermeiden. Deshalb kann bei der vorliegenden Getriebeanordnung ein erstes Kupplungselement zur vollständigen Unterbrechung des Kraftflusses zwischen dem Schwungradspeicher und der Antriebswelle vorgesehen sein.
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Weiterhin kann bei dem Antriebssystem ein zweites Kupplungselement zur Dämpfung von Schwingungen im Kraftfluss zwischen dem Variator und dem Schwungradspeicher vorgesehen sein. So dient das dämpfende Kupplungselement insbesondere dazu, den Einkupplungsvorgang des Schwungrades im Schwungradspeicher zu dämpfen und somit das Auftreten von Resonanzen zu vermeiden, die sonst zu einem Ruckeln beim Anfahren oder während der Fahrt führen könnten.
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Weiterhin kann bei dem Antriebssystem der zumindest eine Elektromotor derart dimensioniert sein, dass das maximal bereitstellbare erste Antriebsmoment kleiner ist als das maximale Antriebsmoment. Der Elektromotor des vorliegenden Antriebssystem besitzt lediglich eine ausreichende Leistung, um bestimmte Minimalanforderungen im Hinblick auf das Antreiben des Fahrzeugs zu realisieren, wie z. B. das Hinauffahren von Rampen in einem Parkhaus, das Hinauffahren von Anstiegen im Gebirge oder das Überwinden eines Bordsteins. Somit kann bei der Auslegung des Elektromotors dessen vorbestimmtes maximales erstes Drehmoment von typischerweise 75% auf beispielsweise 40% des vorbestimmten maximalen Antriebsmoment zurückgenommen werden, welches normalerweise ohne den Einsatz des Schwungradspeichers zum Erzielen z. B. einer vorbestimmten Zeit für das Beschleunigen des Fahrzeugs von einer ersten vorgegebene Geschwindigkeit auf eine zweite vorgegebene Geschwindigkeit notwendig ist. Dadurch verschiebt sich der wirkungsgrad-optimierte Drehmomentenbereich des Elektromotors in einen mittleren Drehzahlbereich, in dem sein Wirkungsgrad anstelle der bei herkömmlicher Auslegung üblichen 30%, in denen der Elektromotor auf die Bereitstellung des maximalen Antriebsmoments für das Beschleunigen des Fahrzeugs ausgelegt ist, auf Werte von nahezu 60% bei der gleichen Drehzahl steigt. Der mittlere Drehzahlbereich befindet sich insbesondere zwischen 2500 U/min bis 6000 U/min.
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Aufgrund des geringer gewählten maximalen ersten Antriebsmoment des Elektromotors wird dieser im üblichen Fahrzyklus (bspw. im Stadtverkehr, der ein Großteil der alltäglichen Fahrsituationen darstellt) dann permanent in Bereichen mit höchster Energieeffizienz, d. h. innerhalb seines vorstehend beschriebenen wirkungsgrad-optimierten Drehmomentenbereichs im mittleren Drehzahlbereich betrieben. Die zusätzlich erforderliche Energie für das Bereitstellen eines Antriebsmoments, das über das maximale erste Antriebsmoment hinausgeht, wird dann von dem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher bereitgestellt.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Antriebssystems kann die Energieübertragung zwischen dem Schwungradspeicher und der Antriebswelle durch den Variator hydraulisch erfolgen. Dabei wird die mechanische durch eine hydraulische Kopplung ersetzt, was bspw. mit Hilfe eines hydrostatischen Getriebes möglich ist, welches die Leistung über ein Verschieben eines unter Druck stehenden Fluids zwischen einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor überträgt.
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In einer gleichwertigen Alternative kann bei der vorliegenden Getriebeanordnung der Variator ein CVT-Getriebe sein. Das CVT-Getriebe (engl.: Continuously Variable Transmission, CVT) ist ein gleichförmiges mechanisches Getriebe, das durch eine stufenlos einstellbare Übersetzung gekennzeichnet ist und dabei die vorstehend beschriebenen Anforderungen im Hinblick auf die Energieübertragung zwischen dem Schwungradspeicher und dem Antriebstrang bzw. der Antriebswelle in den jeweiligen Fahr- bzw. Transformationssituationen erfüllt. Des Weiteren kann dann das zweite Kupplungselement eine Visko-Kupplung sein. Die Visko-Kupplung überträgt ein Drehmoment und ermöglicht einen Drehzahlausgleich zwischen dem Schwungradspeicher und dem CVT-Getriebe. Zusätzlich dazu wirkt die Visko-Kupplung auch als ein Schwingungsdämpfer.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Antriebssystems kann der Variator verstellbare Axialkolbenmaschinen aufweisen und das erste Kupplungselement kann ein Ventil zur Regelung des Volumenstroms zwischen den verstellbaren Axialkolbenmaschinen sein. Als Vertreter für eine verstellbare Axialkolbenmaschine können eine Hydraulikpumpe und ein Hydraulikmotor verwendet werden.
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Durch stufenloses Ändern des Fluidflusses zwischen der Hydraulikpumpe und dem Hydraulikmotor, z. B. durch Förder- bzw. Schluckvolumenänderung, lässt sich dann die Übersetzung stetig stufenlos einstellen. Solange der Winkel zwischen der Scheibe und dem Ring mit den Kolben 0° beträgt, findet keine Förderung des Fluids statt. Die Hydraulikpumpe ist durch Druckleitungen mit dem ähnlich aufgebauten Hydraulikmotor verbunden, der die hydraulische Energie (Druck, Volumenstrom) wieder in eine mechanische Energie (bspw. in eine Drehbewegung) umwandelt. Durch Änderung von Knickwinkel und Knickrichtung an der Hydraulikpumpe können Fördermenge und Förderrichtung und somit das variable Übersetzungsverhältnis gesteuert werden.
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Das vorgesehene Ventil zur Regelung des Volumenstroms kann zusätzlich die Funktion einer Kupplung übernehmen, welche den Schwungradspeicher vollständig von dem Antriebstrang abtrennen kann. So wirkt ein offenes Ventil wie eine offene Kupplung. Werden die Schrägscheiben nach dem Öffnen des Ventils auf 0° ausgelenkt, so entfällt auch der Volumenstrom, was in vorteilhafter Weise bewirkt, dass das Übersetzungsverhältnis auch dann noch eingestellt werden kann, wenn sich eine der beiden Achsen im Stillstand befindet.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Antriebssystems kann jede Verstellbare Axialkolbenmaschine mit jeweils einem zweiten Kupplungselement verbunden sein, das jeweils zumindest einen Windkessel und ein dissipatives Dämpfungselement enthält. Die Verwendung von Windkessel zur Dämpfung des hydraulischen Systems ist besonders vorteilhaft, da dies eine vergleichsweise unaufwändige Variante für die Dämpfung des Fluidstroms in dem hydrostatischen Getriebe darstellt, und zugleich die Funktionalität eines sehr schnellen, kurzfristig verfügbaren und annähernd verlustfreien Energiespeichers realisiert. Des Weiteren ist auch eine dissipative Dämpfung in dem hydraulischen System vorzusehen, um mögliche unerwünschte Reaktionen, wie sie bspw. von Lastwechseln hervorgerufen werden können, zu vermeiden, die sich dann z. B. in Form von Ruckeln während der Fahrt zeigen können. Als ein dissipatives Dämpfungselement ist bevorzugt eine einfache Drossel vorgesehen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Antriebssystems können der Variator und der Schwungradspeicher starr miteinander gekoppelt sein. Sind der Variator und der Schwungradspeicher starr bzw. drehfest miteinander gekoppelt, so sind die Übertragungsverluste beim Einleiten von Energie in den Schwungradspeicher bzw. beim Abgeben der darin gespeicherten Energie in Richtung des anzutreibenden Rades bzw. der anzutreibenden Achse so gering wie möglich.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Antriebssystems kann der Schwungradspeicher zwei miteinander verbundene und gegenläufig rotierende Schwungradspeicher umfassen. Aus kinetischer und energetischer Sicht ist die Erweiterung der vorliegenden Getriebeanordnung durch die mechanische Kopplung von zwei Schwungradspeichern an je einen Antrieb in eine Anordnung eines Doppelantriebs zu empfehlen. Hierzu sollten die beiden Schwungradspeicher lediglich gemeinsam in einem starren Gehäuse untergebracht sein, und deren Schwungräder müssen gegensinnig rotieren, so dass sich bei gleichem Energiegehalt ein Gesamtdrehimpuls der beiden Schwungradspeicher von Null ergibt. Somit hat die gesamte Anordnung von zwei fest miteinander verbundenen Schwungradspeichern in einem Doppel-Elektroantrieb trotz ihres zeitweise hohen Rotationstragheitsmoments der Schwungradrotoren unabhängig von der aktuellen Fahrsituationen immer nur verschwindend geringe Auswirkungen auf die Fahrdynamik des Fahrzeugs.
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Weiterhin kann ein Fahrzeug das obige Antriebssystem mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher enthalten.
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In einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Auslegung des obigen Antriebssystems vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Vorgeben eines maximalen Antriebsmoments;
- – Auslegen eines Elektromotors, um bei einem Wirkungsgrad, der oberhalb eines vorgegebenen Wirkungsgradschwellenwerts liegt, ein vorgegebenes maximales erstes Antriebsmoment bereitzustellen,
- – Auslegen eines Schwungradspeichers, um ein vorbestimmtes maximales zweites Drehmoment bereitzustellen,
wobei die Summe des vorgegebenen maximalen ersten Antriebsmoments des Elektromotors und des vorgegebenen maximalen zweiten Drehmoments des Schwungradspeichers dem vorgegebenen maximalen Antriebsmoment entspricht.
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Das vorliegende Verfahren zur Auslegung eines Antriebssystems hat den Vorteil, dass der Elektromotor auf ein geringeres Antriebsmoment ausgelegt werden kann als dies bisher der Fall ist. Dies wird dadurch erreicht, indem ein Teil der zum Erreichen einer maximalen Beschleunigung benötigten Energie aus dem Schwungradspeicher entnommen wird.
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Insbesondere schlägt das vorliegende Verfahren zur Auslegung des Antriebssystems vor, das vorbestimmte maximale erste Antriebsmoment des Elektromotors auf weniger als 70% des maximalen Antriebsmoment, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 35% und 70%, insbesondere 35% und 45% des maximalen Antriebsmoments, festzulegen, so dass der Elektromotor dann stets in einem wirkungsgrad-optimierten Drehmomentenbereich betrieben werden kann. Zudem sorgt bei dem vorliegenden Verfahren das Steuergerät durch das Ansteuern des variablen Übersetzungsverhältnisses des Variators dafür, dass im Bedarfsfall der Schwungradspeicher ein zweites Antriebsmoment bis zu einer Höhe des maximalen zweiten Antriebsmoments über den Variator auf die Antriebswelle überträgt, so dass dann für die Beschleunigung des Fahrzeugs in Summe die beiden Antriebsmomente des Elektromotors und des Schwungradspeichers das Soll-Antriebsmoment für das Beschleunigen des Fahrzeugs ergeben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Antriebssystems mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher und einem CVT-Getriebe als Variator,
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2 eine schematische Ansicht eines weiteren Antriebssystems mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher und einem hydrostatischem Getriebe als Variator, und
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3 eine schematische Ansicht eines weiteren Antriebssystems mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher und einer verbesserten Dämpfung für das hydrostatische Getriebe.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine Ansicht eines Antriebssystems mit einer Getriebeanordnung mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher und einem CVT-Getriebe als Variator, bei der die beteiligten Bauteile schematisch dargestellt sind. Im Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Bauteile.
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Die folgenden Antriebssysteme beschreiben beispielhaft deren Verwendung im Kontext eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bei dem jeweils ein oder mehrere Räder mit einem Elektromotor angetrieben werden können. Selbstverständlich können die nachfolgend beschriebenen Antriebssysteme beispielsweise auch für ein Fahrzeug mit nur einem Elektromotor eingesetzt werden, bei dem dieser zum Antreiben von einer oder von beiden Achsen des Fahrzeugs vorgesehen ist. Das Antriebssystem ist ausgelegt, um ein vorgegebenes maximales Antriebsmoment zum Beschleunigen des Fahrzeugs von einer ersten vorgegebenen Geschwindigkeit auf eine zweite vorgegebene Geschwindigkeit bereitzustellen.
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Das Antriebssystem mit der Getriebeanordnung gemäß 1 umfasst einen Elektromotor 10, der über seine Antriebswelle 20 drehfest mit einem Untersetzungsgetriebe 250 gekoppelt ist. Ein maximales erstes Antriebsmoment des Elektromotors 10 ist derart festgelegt, dass es geringer ist als das vorgegebene maximale Antriebsmoment. Das Untersetzungsgetriebe 250 ist wiederum mit einem oder mehreren Rädern (nicht dargestellt) des Fahrzeugs zu dessen Antrieb gekoppelt. Das Untersetzungsgetriebe 250 ist dabei ein einstufiges Getriebe, welches die hohen vom Elektromotor 10 abgegebenen Drehzahlen bzw. des Drehmoments in Richtung des Rades auf für den Fahrbetrieb geeignete Drehzahlen verringert.
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Zwischen dem Elektromotor 10 und dem Untersetzungsgetriebe 250 ist ein Variator 30 angeordnet, der mit der Antriebswelle 20 mechanisch gekoppelt ist. Genauer gesagt ist der Variator 30 hier ein mechanisches CVT-Getriebe 200 (CVT: Continuous Variable Transmission), das ein erstes Reibrad 25, welches drehfest mit der Antriebswelle 20 verbunden ist, und ein zweites Reibrad 26 umfasst, wobei die beiden Reibräder 25,26 über einen Riemen 27 zur Energieübertragung in zwei Richtungen reibschlüssig gekoppelt sind.
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Das zweite Reibrad 26 ist über eine Visko-Kupplung 60 und einer vollständig trennbaren Kupplung 50 mit einem einzelnen Schwungradspeicher 40 gekoppelt, wobei der Schwungradspeicher 40 in diesem Ausführungsbeispiel ein einzelnes Schwungrad enthält. Der Schwungradspeicher 40 ist derart dimensioniert, dass er ein vorbestimmtes maximales zweites Antriebsmoment aufnehmen bzw. wieder abgeben kann. Die Visko-Kupplung 60 wirkt dabei wie ein Dämpfungselement, das mögliche Resonanzen während der Energieübertragung in eine der beiden möglichen Richtungen dämpft. Die Kupplung 50 ist zur vollständigen Abtrennung des Schwungradspeichers 40 von der Antriebswelle 20 erforderlich, sobald das Fahrzeug zum Stillstand gekommen ist.
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Die Aufgabe des CVT-Getriebes 200 besteht darin, ein stetig variables Übersetzungsverhältnis zwischen der Antriebswelle 20 und dem Schwungradspeicher 40 zu realisieren. Um die sich ändernden Übersetzungsverhältnisse mittels des CVT-Getriebes 200 einstellen zu können, ist dieses mit einer Steuereinheit 400 verbunden, die einen Variatorsteller aufweist. Der Variatorsteller stellt die Informationen für die aktuell benötigte radiale Stellung des Riemens 27 an den beiden Reibrädern 25, 26 (Übersetzungsverhältnis) bereit. Somit kann der Schwungradspeicher 40 im Bedarfsfall ein zweites Antriebsmoment auf die Antriebswelle 20 des Fahrzeugs übertragen, das in einem Antriebsmomentenbereich von 0 bis zu einem vorgegebenen maximalen zweiten Antriebsmoment betragen kann, so dass das maximale Antriebsmoment im Zusammenwirken mit dem von dem Elektromotor 10 bereitgestellten ersten Antriebsmoment bereitgestellt wird.
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Die Steuereinheit 400 dient weiterhin zum Ansteuern des Elektromotors 10, so dass das erste Antriebsmoment bereitgestellt wird. Der Elektromotor wird so betrieben, dass zum Bereitstellen des ersten Antriebsmoments ein (Energie-)Wirkungsgrad erreicht wird, der oberhalb eines vorgegebenen Wirkungsgradschwellenwerts liegt. Beispielsweise kann ein Wirkungsgradschwellenwert von 50% oder mehr vorgesehen werden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Antriebssystems mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher 40 und einem hydrostatischem Getriebe als Variator. Das Antriebssystem umfasst ebenfalls einen Elektromotor 10, der über seine Antriebswelle 20 wiederum mit einem Untersetzungsgetriebe 250 gekoppelt ist, um ein oder mehrere Räder (nicht dargestellt) anzutreiben. Das vorbestimmte maximale erste Antriebsmoment des Elektromotors 10 ist wiederum derart festgelegt, dass es geringer ist als das vorgegebene maximale Antriebsmoment z. B. zum Beschleunigen des Fahrzeugs von der ersten vorgegebenen Geschwindigkeit auf die zweite vorgegebene Geschwindigkeit.
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Im Gegensatz zu der Getriebeanordnung von 1 wird der Variator 30 von einem hydrostatischen Getriebe gebildet, das aus einer Kombination von verstellbaren Axialkolbenmaschinen besteht, hier aus einer Hydraulikpumpe 80 und einem Hydraulikmotor 90, die über getrennte Leitungen 110, 120 für einen Austausch eines komprimierten Fluids zwischen diesen beiden Bauteilen sorgen. Die beiden verstellbaren Axialkolbenmaschinen arbeiten dabei je nach Richtung der Energieübertragung als eine Hydraulikpumpe bzw. als ein Hydraulikmotor. Das Fördervolumen einer solchen Hydraulikpumpe 80 ist proportional zum Produkt aus der Drehzahl mal dem Tangens des Anstellwinkels der Schrägscheibe (nicht dargestellt) in der Axialkolbenmaschine. Da der Volumenstrom in der Hydraulikpumpe 80 und dem Hydraulikmotor 90 gleich groß sein muss, lässt sich das aktuelle Übersetzungsverhältnis über das Verhältnis der beiden Anstellwinkel stetig stufenlos zwischen nahezu 0 und nahezu ∞ einstellen. Das Übersetzungsverhältnis des hydrostatischen Getriebes wird von der Steuereinheit 400 mit einem Variatorsteller eingestellt, sodass der Schwungradspeicher 40 wiederum im Bedarfsfall sein vorbestimmtes maximales zweites Antriebsmoment auf die Antriebswelle 20 des Fahrzeugs überträgt, so dass wie oben beschrieben das vorbestimmte maximale Antriebsmoment im Zusammenwirken mit einem maximalen ersten Antriebsmoment des Elektromotors 10 bereitgestellt wird.
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Das hydrostatische Getriebe ist zum einen mit der Antriebswelle 20 und zum anderen mit einem Schwungradspeicher 40 gekoppelt, wobei zwischen dem hydrostatischen Getriebe und dem Schwungradspeicher 40, die über eine Welle 190 verbunden sind, eine Visko-Kupplung 60 angeordnet ist, die wiederum zum Dämpfen von Resonanzen dient. Der Schwungradspeicher 40 ist derart dimensioniert, dass er das vorgegebene maximale zweite Antriebsmoment aufnehmen bzw. wieder abgeben kann.
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Die beiden Leitungen 110, 120 sind zusätzlich über einen Kanal mit einem Ventil 100 verbunden, wobei das Ventil 100 in Abhängigkeit von seiner Stellung wie die erste Kopplung 50 wirkt. Ist das Ventil 100 geöffnet, so ist keine Energieübertragung von dem Schwungradspeicher 40 in Richtung der Antriebswelle 20 oder in umgekehrter Richtung möglich.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Antriebssystems mit einem mechanisch gekoppelten Schwungradspeicher und einer verbesserten Dämpfung für das hydrostatische Getriebe. Das Antriebssystem umfasst wiederum einen Elektromotor 10, der über seine Antriebswelle 20 ebenfalls mit einem Untersetzungsgetriebe 250 gekoppelt ist, um ein oder mehrere Räder (nicht dargestellt) anzutreiben. Das vorbestimmte maximale erste Antriebsmoment des Elektromotors 10 ist wiederum derart festgelegt, dass es geringer ist als das maximale Antriebsmoment zum Beschleunigen des Fahrzeugs von der ersten vorgegebenen Geschwindigkeit auf die zweite vorgegebene Geschwindigkeit.
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Wie bei dem Antriebssystem von 2 ist der Variator 30 mit einem hydrostatischen Getriebe versehen, das aus einer Kombination von verstellbaren Axialkolbenmaschinen besteht, hier aus einer Hydraulikpumpe 80 und einem Hydraulikmotor 90, die über getrennte Leitungen 110, 120 für einen Austausch eines komprimierten Fluids zwischen diesen beiden Bauteilen sorgen. Das hydrostatische Getriebe ist zum einen mit der Antriebswelle 20 und zum anderen mit einem Schwungradspeicher 40 gekoppelt, wobei das hydrostatischen Getriebe und der Schwungradspeicher 40 über eine Welle 190 drehfest verbunden sind. Der Schwungradspeicher 40 ist derart dimensioniert, dass er ein vorbestimmtes maximales zweites Drehmoment aufnehmen bzw. ein vorgegebenes zweites Antriebsmoment abgeben kann, wenn der Schwungradspeicher entsprechend aufgeladen ist. Das Übersetzungsverhältnis des hydrostatischen Getriebes wird von einer Steuereinheit 400 mit einem Variatorsteller geregelt, so dass der Schwungradspeicher 40 wiederum im Bedarfsfall das vorbestimmte maximale zweite Antriebsmoment auf die Antriebswelle 20 des Fahrzeugs überträgt, so dass ein vorbestimmtes maximales Antriebsmoment zum Erreichen einer vorbestimmten Zeit für das Beschleunigen des Fahrzeugs von der ersten vorgegebenen Geschwindigkeit auf die zweite vorgegebene Geschwindigkeit im Zusammenwirken mit einem maximalen ersten Antriebsmoment des Elektromotors 10 bereitgestellt wird.
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Die beiden Leitungen 110, 120 sind ebenfalls zusätzlich über einen Kanal mit einem Ventil 100 verbunden, wobei das Ventil 100 in Abhängigkeit von seiner Stellung wie die erste Kopplung 50 wirkt. Ist das Ventil 100 geöffnet, so ist keine Energieübertragung von dem Schwungradspeicher 40 in Richtung der Antriebswelle 20 oder in umgekehrter Richtung möglich. An jeder der Leitungen 110, 120 ist jeweils ein Windkessel 150, 151 und eine Drossel 160, 161 angeordnet, die jeweils mit den Leitungen 110, 120 verbunden sind und dabei die Funktion der zweiten Kupplung 60 realisieren. Die Windkessel 150, 151 wirken dabei als federnde Elemente für den Volumenstrom durch die Leitungen 110, 120 und besitzen zugleich die Funktion eines sehr schnellen, kurzfristig verfügbaren und annähernd verlustfreien Energiespeichers. Zusätzlich dazu sind den Windkesseln 150, 151 noch jeweils eine Drossel 160, 161 vorgeschaltet, die für eine dissipative Dämpfung des Volumenstroms in den Leitungen 110, 120 sorgen, so dass Resonanzen, wie sie beispielsweise bei Lastwechseln entstehen können, aus dem System heraus gedämpft werden.
