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Die Erfindung betrifft einen rein elektrisch getriebenen Antriebstrang für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein brennkraftmaschinenloses Fahrzeug.
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Im zunehmenden Maße kommen zur Reduktion von direkten Emissionen elektrische Antriebstränge in Fahrzeugen zum Einsatz, sei es in Kombination mit konventionellen Antriebsträngen, insbesondere Brennkraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren, sei es in rein elektrischen Konfigurationen. In einer für die Praxis relevanten Gruppe von elektrischen Antriebstrangkonfigurationen gelangen wenigstens zwei Elektromotoren zum Einsatz.
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Beispielsweise geht aus dem Dokument
DE 10 2008 021 422 A1 ein Hybridantriebsstrang hervor, der eine Brennkraftmaschine, zwei Elektromotoren und ein elektromechanische Getriebe aufweist, das wahlweise zum Übertragen eines Drehmoments dazwischen betreibbar ist. Die Elektromotoren sind über eine Getriebeantriebswelle drehfest mit der Brennkraftmaschine gekoppelt. Die Kopplung der Elektromotoren ist dabei Drehmoment addierend ausgelegt.
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Beispielsweise ist im Dokument
DE 10 2009 031 215 A1 ein Achsgetriebe mit zwei koaxial angeordneten elektrischen Maschinen, die jeweils mit einem Planetengetriebe drehgekoppelt sind. Die beiden Planetengetriebe sind untereinander über die am gemeinsamen Gehäuse aufgenommenen Hohlräder derart gekoppelt, dass die Drehmomente der zwei elektrischen Maschinen sich addieren.
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Des Weiteren ist in einer hybriden Antriebstrangkonfiguration vorgesehen, mittels eines Planetengetriebes die Drehmomente eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors zu überlagern. Dabei steht ein Elektromotor mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes in Wirkverbindung, während der Planetenträger mit dem Verbrennungsmotor antreibbar ist. Der Abtrieb erfolgt über das Hohlrad, wobei zusätzlich noch ein weiterer Elektromotor aufgeschaltet sein kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Antriebstrang für ein verbrennungsmotorloses Fahrzeug bereitzustellen, der die Wahl eines Arbeitspunktes mit einer geringen Verlustleistung gestattet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen rein elektrischen Antriebstrang mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Erfindungsgemäß umfasst ein rein elektrisch getriebener Antriebstrang für ein Fahrzeug eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine, wenigstens ein erstes Planetengetriebe, das ein Hohlrad, einen eine Mehrzahl von Planetenrädern tragenden Planetenträger und ein Sonnenrad aufweist, und eine Abtriebswelle, welche wenigstens über das erste Planetengetriebe von der ersten und der zweiten elektrischen Maschine gemeinsam zur Fortbewegung des Fahrzeugs antreibbar ist. Im erfindungsgemäßen Antriebstrang sind die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine über das erste Planetengetriebe Drehmoment subtrahierend (und/oder Drehzahl addierend) gekoppelt.
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Die erste und die zweite elektrische Maschine können jeweils sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden. Insbesondere kann im erfindungsgemäßen Antriebstrang die eine der zwei elektrischen Maschinen motorisch betrieben werden, während die andere der zwei elektrischen Maschinen generatorisch betrieben wird.
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Der erfindungsgemäße Antriebsstrang ist insbesondere brennkraftmaschinenlos und/oder die Abtriebswelle ist ausschließlich von der ersten und der zweiten elektrischen Maschine antreibbar. Die Abtriebswelle kann insbesondere die einzige Ausgangstriebwelle zur Fortbewegung des Fahrzeugs sein, wobei der Abtriebswelle noch Getriebe zur Drehmomentverteilung, zur Drehmomentumwandlung und dergleichen nachgeordnet sein können. Insbesondere ist weder dem Planetengetriebe vorgelagert noch der Abtriebswelle nachgelagert eine Drehmomenteinspeisung einer Brennkraftmaschine vorhanden. Die zwei elektrischen Maschinen können fest, trennungsfrei oder kupplungslos über das Planetengetriebe gekoppelt sein.
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Erfindungsgemäß wird ein Antriebkonzept geschaffen, durch welches zusätzliche Stellgrößen, insbesondere die Drehzahlen beziehungsweise die Drehmomente der einzelnen elektrischen Maschinen, welche bei unterschiedlichen Einzelwerten zu derselben Summe beziehungsweise derselben Differenz führen, als Freiheitsgrade zur Verfügung gestellt werden. Vor diesem Hintergrund kann ein vorteilhafter Arbeitspunkt, insbesondere Drehzahlwerte und/oder Drehmomentwerte, für den Betrieb der zwei elektrischen Maschinen ausgewählt werden, bei dem die Effizienz möglichst hoch und/oder der Verbrauch, genauer die Verlustleistung, möglichst niedrig ist. Anders gesagt, die zwei elektrischen Maschinen werden jeweils mit einer Drehzahl und/oder einem Drehmoment betrieben, bei dem die Summe der einzelnen Verlustleistungen möglichst gering ist. Dabei ist diese Summe kleiner als die entsprechende Verlustleistung einer einzelnen Maschine, welche bei einer höheren Drehzahl arbeitend im Wesentlichen dasselbe Drehmoment zur Verfügung stellt.
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Die zusätzlichen Freiheitsgrade können aufgrund der prinzipiellen freien Wählbarkeit auch dynamisch während des Betriebes des erfindungsgemäßen Antriebstrangs genutzt werden: Der Arbeitspunkt kann variiert oder verschoben werden. Insbesondere kann der Arbeitspunkt variabel gestaltet werden, zum Beispiel in Funktion einer gewünschten oder vorgegebenen Betriebsstrategie variiert oder verschoben werden. In vorteilhafter Konsequenz kann eine Verbrauchsersparnis erreicht werden. In dieser beschriebenen Hinsicht kann die erfindungsgemäße Konfiguration auch als eine elektrische kontinuierlich variable Übersetzung (electric continuous variable transmission, eCVT) aufgefasst werden. Dabei hängen die Differenz der Drehmomente und die Summe der Drehzahlen der elektrischen Maschinen direkt – über die Differenzialübersetzung des Planetengetriebes – vom Lastkollektiv ab.
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Zur Realisierung einer vorteilhaften Betriebsstrategie kann der erfindungsgemäße Antriebstrang eine Regelung aufweisen. Zu diesem Zweck werden einer Regelungseinheit eine vorgegebene Drehzahl (Soll-Drehzahl) und die aktuelle, insbesondere gemessene Drehzahl (Ist-Drehzahl) zugeführt. Aus einem Soll-Drehmoment für die motorisch betriebene Maschine der elektrischen Maschine wird das Drehmoment für die generatorisch betriebene Maschine der elektrischen Maschinen bestimmt und eingestellt.
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Erfindungsgemäß wird in vorteilhafter Weise eine kompakte Antriebseinheit geschaffen. Ein a priori frei wählbarer Parameter ist das Übersetzungsverhältnis, der Quotient der Anzahl der Zähne des Hohlrads und der Anzahl der Zähne des Sonnenrads sowie gegebenenfalls vorhandene Vorübersetzungen.
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Im erfindungsgemäßen rein elektrisch getriebenen Antriebstrang kann der Planetenträger des ersten Planetengetriebes von der ersten elektrischen Maschine direkt, das heißt, ohne vorgeordnete oder vorgelagerte Getriebestufen, oder indirekt, das heißt, über eine oder mehrere vorgeordnete oder vorgelagerte Getriebestufen, antreibbar sein Insbesondere kann eine vorgelagerte Getriebestufe ein Übersetzungsgetriebe sein.
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In einer ersten Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antriebstrangs ist das Sonnenrad des ersten Planetengetriebes von der zweiten elektrischen Maschine direkt, das heißt, ohne vorgeordnete Getriebestufen, oder indirekt, das heißt, über eine oder mehrere vorgeordnete Getriebestufen, antreibbar, und die Abtriebswelle ist vom Hohlrad des ersten Planetengetriebes direkt, das heißt, ohne vorgeordnete Getriebestufen, oder indirekt, das heißt, über eine oder mehrere vorgeordnete Getriebestufen, antreibbar.
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Aufgrund der relativ zur Abtrieb gesehen großen Winkelgeschwindigkeiten der elektrischen Maschinen und damit in Zusammenhang stehenden notwendigen Untersetzung ist die beschriebene erste Gruppe von Ausführungsformen besonders zweckmäßig gestaltet.
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In einer zweiten Gruppe von Ausführungsformen, die alternativ zur ersten Gruppe ist, ist das Hohlrad des ersten Planetengetriebes von der zweiten elektrischen Maschine direkt, das heißt, ohne vorgeordnete Getriebestufen, oder indirekt, das heißt, über eine oder mehrere vorgeordnete Getriebestufen, antreibbar, und die Abtriebswelle ist vom Sonnenrad des ersten Planetengetriebes direkt, das heißt, ohne vorgeordnete Getriebestufen, oder indirekt, das heißt, über eine oder mehrere vorgeordnete Getriebestufen, antreibbar.
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Des Weiteren oder alternativ dazu kann im erfindungsgemäßen rein elektrisch getriebenen Antriebstrang die erste elektrische Maschine und das erste Planetengetriebe über ein erstes Übersetzungsgetriebe wirkverbunden, insbesondere gekoppelt, sein. Das Übersetzungsgetriebe kann eine Mehrzahl von Zahnrädern aufweisen oder ein Zahnräderzug sein.
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In konkreten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebstrangs mit erstem Übersetzungsgetriebe ist dieses ein zweites Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einer Mehrzahl von Planetenrädern auf einem Planetenträger und einem Hohlrad. Das Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes ist mit der ersten elektrischen Maschine antreibbar, das Hohlrad des zweiten Planetengetriebes ist abgestützt und der Planetenträger des zweiten Planentengetriebes steht mit dem Planetenträger des ersten Planetengetriebes in Wirkverbindung. Bevorzugt treibt die erste elektrische Maschine das zweite Planetengetriebe direkt, das heißt, ohne vorgeordnete Getriebestufe an.
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Des Weiteren oder alternativ dazu kann im erfindungsgemäßen rein elektrisch getriebenen Antriebstrang die zweite elektrische Maschine und das erste Planetengetriebe über ein zweites Übersetzungsgetriebe wirkverbunden, insbesondere gekoppelt, sein.
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In konkreten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebstrangs mit zweitem Übersetzungsgetriebe ist dieses ein drittes Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einer Mehrzahl von Planetenrädern auf einem Planetenträger und einem Hohlrad. Einerseits ist in einer ersten Gruppe dieser konkreten Ausgestaltungen das Sonnenrad des dritten Planetengetriebes mit der zweiten elektrischen Maschine antreibbar, der Planetenträger des dritten Planetengetriebes ist abgestützt und das Hohlrad des dritten Planentengetriebes steht mit dem Sonnenrad des ersten Planetengetriebes in Wirkverbindung. Anderseits ist in einer zweiten Gruppe dieser konkreten Ausgestaltungen das Hohlrad des dritten Planetengetriebes mit der zweiten elektrischen Maschine antreibbar, das Sonnenrad des dritten Planetengetriebes ist abgestützt und der Planetenträger des dritten Planentengetriebes steht mit dem Sonnenrad des ersten Planetengetriebes in Wirkverbindung.
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Auch können die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine des erfindungsgemäßen rein elektrisch getriebenen Antriebstrangs von einer gemeinsamen Leistungselektronik ansteuerbar und/oder versorgbar sein. Diese kann in einem gemeinsamen Gehäuse aufgebaut sein. Alternativ dazu können auch zwei separate Leistungselektronik-Baugruppen vorhanden sein, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse.
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Unbeschadet der erfindungsgemäßen Drehmomentsubtraktion der zwei elektrischen Maschinen kann zusätzlich noch eine dritte (weitere) elektrische Maschine vorgesehen sein, welche direkt oder indirekt mit der Abtriebswelle und/oder dem Hohlrad des ersten Planetengetriebes in Wirkverbindung steht, so dass ein zusätzliches Drehmoment aufaddiert werden kann (Boost-Vorgang).
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Ein zusätzlicher weiterbildender und optionaler Aspekt besteht beim erfindungsgemäßen Antriebstrang darin, dass jeweils einem oder beiden elektrischen Maschinen eine Bremse zugeordnet ist, beispielsweise auf die jeweilige von der elektrischen Maschine mit einem Drehmoment beaufschlagte Antriebswelle einwirkt. Auf diese Weise kann die jeweilige Drehzahl bei gleichzeitig hohem Maschinendrehmoment reduziert werden, so dass die elektrische Maschine entlastet beziehungsweise die Ausnutzung der elektrischen Maschine erhöht ist. Des Weiteren liegt weniger oder bevorzugt sogar keine Verlustleistung an der zweiten elektrischen Maschine an.
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Von der Erfindung mit umfasst ist auch ein brennkraftmaschinenloses Fahrzeug. Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist einen rein elektrisch getriebener Antriebstrang mit einzelnen Merkmalen oder Kombinationen von Merkmalen gemäß dieser Darstellung auf. Insbesondere weist das erfindungsgemäße Fahrzeug ausschließlich einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang auf.
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Das Fahrzeug ist bevorzugt ein gleisloses Landfahrzeug, insbesondere ein Automobil, ein Personenkraftwagen, ein Nutzfahrzeug oder ein Lastkraftwagen. Das Fahrzeug kann ein Radfahrzeug sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
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1 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen rein elektrischen Antriebstrangs mit im Wesentlichen gleich ausgelegten elektrischen Maschinen (Gleichmaschinenkonzept), und
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2 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen rein elektrischen Antriebstrangs, bei welcher eine der zwei elektrischen Maschinen in im Wesentlichen dreifacher Leistung ausgelegt ist (Maschinenkonzept 1:3).
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Die 1 zeigt eine Anordnung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen rein elektrischen Antriebstrangs mit im Wesentlichen gleich ausgelegten elektrischen Maschinen (Gleichmaschinenkonzept). Der rein elektrische Antriebstrang 10 umfasst in dieser Ausführungsform zwei, im Wesentlichen gleich ausgelegte elektrische Maschinen, die erste elektrische Maschine 12 und die zweite elektrische Maschine 14, welche von einer gemeinsamen Leistungselektronik mit zwei separaten Leistungselektronik-Baugruppen in einem gemeinsamen Gehäuse angesteuert und deren Batterie als Energiespeicher versorgt werden. Die zwei elektrischen Maschinen sind jeweils abgestützt und erfindungsgemäß mittels eines ersten Planetengetriebes 16 Drehmoment subtrahierend beziehungsweise Drehzahl addierend gekoppelt.
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Das erste Planetengetriebe 16 weist ein Hohlrad 18 auf, welches wirkverbunden mit der Abtriebswelle 24 ist und daran anschließend zum Achsabtrieb führt. Die erste elektrische Maschine 12 treibt in dieser Ausführungsform indirekt den Planetenträger 20 des ersten Planetengetriebes 16. Dieser Antrieb ist insofern indirekt, als zwischen der ersten elektrischen Maschine 12 und dem Planetenträger 20 ein erstes Übersetzungsgetriebe 26 in der Wirkverbindung angeordnet ist. Das erste Übersetzungsgetriebe 26 ist als ein zweites Planetengetriebe ausgeführt. Die erste elektrische Maschine 12 treibt das Sonnenrad 28 dieses zweiten Planetengetriebes, während das Hohlrad 30 des zweiten Planetengetriebes abgestützt ist. Schließlich ist der Planetenträger 32 des zweiten Planetengetriebes mit dem Planetenträger 20 des ersten Planetengetriebes 16 gekoppelt.
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Die zweite elektrische Maschine 14 ist indirekt mit dem Sonnenrad 22 des ersten Planetengetriebes 16 gekoppelt. Diese Kopplung ist insofern indirekt, als zwischen der zweiten elektrischen Maschine 14 und dem Planetenträger 20 ein zweites Übersetzungsgetriebe 34 in der Wirkverbindung angeordnet ist. Das zweite Übersetzungsgetriebe 34 ist als ein zweites Planetengetriebe ausgeführt. Die zweite elektrische Maschine 14 treibt das Hohlrad 38 dieses zweiten Planetengetriebes, während das Sonnenrad 36 des zweiten Planetengetriebes abgestützt ist. Schließlich ist der Planetenträger 40 des zweiten Planetengetriebes mit dem Sonnenrad 22 des ersten Planetengetriebes 16 gekoppelt.
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Die 2 stellt schematisch eine Anordnung einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen rein elektrischen Antriebstrangs 10 dar, bei welcher eine der zwei elektrischen Maschinen 12, 14 in im Wesentlichen dreifacher Leistung oder Stärke ausgelegt ist (Maschinenkonzept 1:3). Auch in dieser Ausführungsform sind die zwei elektrischen Maschinen 12, 14 von einer gemeinsamen Leistungselektronik angesteuert und werden von deren Batterie als Energiespeicher versorgt. Die zwei elektrischen Maschinen 12, 14 sind jeweils abgestützt und erfindungsgemäß mittels eines ersten Planetengetriebes 16 Drehmoment subtrahierend beziehungsweise Drehzahl addierend gekoppelt.
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Auch in dieser Ausführungsform weist das erste Planetengetriebe 16 ein Hohlrad 18 auf, welches wirkverbunden mit der Abtriebswelle 24 ist und daran anschließend zum Achsabtrieb führt. Die erste elektrische Maschine 12 ist indirekt mit dem Planetenträger 20 des ersten Planetengetriebes 16 gekoppelt. Zwischen der ersten elektrischen Maschine 12 und dem Planetenträger 20 befindet sich ein erstes Übersetzungsgetriebe 26 in Wirkverbindung. Das erste Übersetzungsgetriebe 26 wird durch ein zweites Planetengetriebe dargstellt: Die erste elektrische Maschine 12 treibt das Sonnenrad 28 dieses zweiten Planetengetriebes, während das Hohlrad 30 des zweiten Planetengetriebes abgestützt ist. Schließlich ist der Planetenträger 32 des zweiten Planetengetriebes mit dem Planetenträger 20 des ersten Planetengetriebes 16 gekoppelt.
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Die zweite elektrische Maschine 14 ist in dieser Ausführungsform ebenfalls indirekt mit dem Sonnenrad 22 des ersten Planetengetriebes 16 gekoppelt. Zwischen der zweiten elektrischen Maschine 14 und dem Planetenträger 20 ist ein zweites Übersetzungsgetriebe 34 in Wirkverbindung angeordnet, welches als ein drittes Planetengetriebe ausgeführt ist. Die zweite elektrische Maschine 14 treibt das Sonnenrad 36 dieses dritten Planetengetriebes, während das Hohlrad 38 des dritten Planetengetriebes abgestützt ist. Schließlich ist der Planetenträger 40 des dritten Planetengetriebes mit dem Sonnenrad 22 des ersten Planetengetriebes 16 gekoppelt. Optional kann vorgesehen sein, dass auch der Planetenträger 40 des dritten Planetengetriebes abgestützt ist.
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Erfindungsgemäß werden im Antriebstrang 10, insbesondere in den zwei in den Figuren gezeigten Ausführungsformen, unmittelbar benachbarte beziehungsweise miteinander in Eingriff stehende Getriebeteile des ersten Planentengetriebes 16 von den zwei elektrischen Maschinen gedreht, so dass in Bezug auf den Abtrieb die Drehmomente der elektrischen Maschinen sich subtrahieren beziehungsweise die Drehzahlen der elektrischen Maschinen sich addieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebstrang
- 12
- erste elektrische Maschine
- 14
- zweite elektrische Maschine
- 16
- erstes Planetengetriebe
- 18
- Hohlrad des ersten Planetengetriebes
- 20
- Planetenträger des ersten Planetengetriebes
- 22
- Sonnenrad des ersten Planetengetriebes
- 24
- Abtriebswelle
- 26
- erstes Übersetzungsgetriebe
- 28
- Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes
- 30
- Hohlrad des zweiten Planetengetriebes
- 32
- Planetenträger des zweiten Planetengetriebes
- 34
- zweites Übersetzungsgetriebe
- 36
- Sonnenrad des dritten Planetengetriebes
- 38
- Hohlrad des dritten Planetengetriebes
- 40
- Planetenträger des dritten Planetengetriebes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008021422 A1 [0003]
- DE 102009031215 A1 [0004]
