DE102011086062A1

DE102011086062A1 - Elektrifizierte Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102011086062A1
Application number: DE102011086062A
Authority: DE
Inventors: David Jobst
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-16

Abstract

Es wird ein Antriebsanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug, vorgeschlagen, mit einer ersten Antriebseinheit, mindestens einer zweiten Antriebseinheit, und einem Antriebsstrang zum Übertragen eines ersten Antriebsmoments der ersten Antriebseinheit auf Antriebsräder des Fahrzeugs, wobei der mindestens einen zweiten Antriebseinheit ein Koppelelement zugeordnet ist, welches derart ausgestaltet ist, dass die mindestens eine zweite Antriebseinheit an den Antriebsstrang zum Übertragen eines zweiten Drehmoments wahlweise an- oder von dem Antriebsstrang abkoppelbar ist. Außerdem werden Verfahren zum Betreiben der Antriebsanordnung bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsanordnung.
Es werden große Anstrengungen unternommen einen Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen sowie deren Schadstoffausstoß zu reduzieren. Hierbei kommt insbesondere sogenannten Hybridfahrzeugen wachsende Bedeutung zu, die auf einer Kombination verschiedener Antriebsarten basieren. In der Regel arbeiten hierbei ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor zusammen.
Unterschiede bestehen in der Kombination der Komponenten und dem jeweils gewählten Betriebsmodus. So kann beispielsweise der Verbrennungsmotor zum Antrieb einer ersten Fahrzeugachse und einem oder mehreren Elektromotoren zum Antrieb einer zweiten Achse vorgesehen sein. Alternativ sind Anordnungen bekannt, bei welchen der Elektromotor in einen Antriebsstrang eines Verbrennungsmotors integriert ist und somit dieselbe Achse antreibt.
Ein derartiges Antriebssystem bzw. ein Verfahren zum Betrieb desselben für Hybridfahrzeuge ist beispielsweise aus der DE 602 23 850 T2 bekannt. Dieses umfasst einen Verbrennungsmotor, der über eine Antriebswelle mit einem Hinterachsdifferential gekoppelt ist, welches ein Antriebsmoment des Verbrennungsmotors auf zwei mit den Antriebsrädern des Fahrzeugs verbundene Abtriebswellen verteilt. Zusätzlich ist ein koaxial angeordneter erster Elektromotor vorgesehen, der mit einer Planetengetriebeanordnung zusammenwirkt und die Antriebswelle unterbricht bzw. zwischengeschaltet ist. Ferner ist ein zweiter Elektromotor parallel zu der Antriebswelle angeordnet, der über ein Getriebe die Antriebswelle ebenfalls mit einem Drehmoment beaufschlägt.
Ferner sind Anordnungen bekannt, die eine mittels eines Verbrennungsmotors über eine Antriebswelle angetriebene Hinterachse mit einem Differenzial als Ausgleichskörper und zwei sich hiervon erstreckende Abtriebswellen vorsehen. Jeder Abtriebswelle ist ein koaxial angeordneter Elektromotor zum Aufbringen eines zusätzlichen Drehmoments auf die jeweilige Abtriebswelle zugeordnet.
Beide Anordnungen weisen insbesondere den Nachteil auf, dass der bzw. die Elektromotor(en) zum Antrieb des Fahrzeugs für das komplette Geschwindigkeitsspektrum des Fahrzeugs ausgelegt sein muss bzw. müssen. Da auch Elektromotoren einen Drehzahl- bzw. belastungsabhängig optimalen Wirkungsbereich aufweisen, kann daher mit dem Antriebsstrang nicht in allen Bereichen die optimale Wirkung für das Fahrzeug erzielt werden. Als weiterer Nachteil erweist sich, dass der Elektromotor auch in einem nicht-elektrischen Betrieb des Fahrzeugs stetig mit betrieben bzw. geschleppt und somit die Trägheit und Verluste des Antriebssystems erhöht werden.
Bisher wird diesen Nachteilen begegnet, indem eine Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs begrenzt wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass ein bekanntermaßen exponentiell mit der Fahrzeuggeschwindigkeit ansteigender Energieverbrauch zu einer übermäßigen Entleerung der elektrischen Energiespeicher und somit zu einer deutlichen Reduzierung einer ohnehin eingeschränkten Reichweite führt. Alternativ hierzu werden die Elektromotoren um Getriebe mit zwei Gängen erweitert, um der Geschwindigkeitsabhängigkeit entgegenzuwirken, wodurch jedoch ein Steuerungsaufwand und ein Gewicht der gesamten Anordnung deutlich erhöht werden.
Ziel der Erfindung ist es daher eine Antriebsanordnung bereitzustellen, welche die voranstehend genannten Nachteile beseitigt oder zumindest teilweise reduziert und gleichzeitig eine möglichst leichte und kompakte Anordnung erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach wird eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug vorgeschlagen, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, mit

– einer ersten Antriebseinheit,
– mindestens einer zweiten Antriebseinheit, und
– einem Antriebsstrang zum Übertragen eines ersten Antriebsmoments der ersten Antriebseinheit auf Antriebsräder des Fahrzeugs.

Der mindestens einen zweiten Antriebseinheit ist ein Koppelelement zugeordnet, welches derart ausgestaltet ist, dass die mindestens eine zweite Antriebseinheit an den Antriebsstrang zum Übertragen eines zweiten Drehmoments wahlweise an- oder von dem Antriebsstrang abkoppelbar ist.
Es wird als eine hybride Antriebsanordnung mit einer ersten und einer oder mehreren zweiten Antriebseinheiten bereitgestellt, wobei die zweite(n) Antriebseinheit(en) mittels des Koppelelements an den Antriebsstrang angekoppelt und bei Bedarf auch wieder ab- bzw. ausgekoppelt werden können. Dies bietet die Möglichkeit, dass das Fahrzeug entweder mit der ersten Antriebseinheit oder mit der oder den zweiten Antriebseinheiten antreibbar ist. Auch ist eine Kombination durch gleichzeitiges Aufbringen eines Antriebsmoments durch die erste und die mindestens eine zweite Antriebseinheit möglich. Die Antriebsmomente addieren sich in diesem Fall unter Berücksichtigung einer möglicherweise zwischengeschalteten Übersetzung.
Der Antriebsstrang kann eine mit der ersten Antriebseinheit wirkgekoppelte Antriebswelle und/oder mindestens eine mit den Antriebsrädern des Fahrzeugs gekoppelte Abtriebswelle umfassen.
Dies bedeutet, dass der Antriebsstrang je nach Ausgestaltung des Fahrzeugs unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Handelt es sich beispielsweise um eine quer zu einer Antriebsachse angeordnete erste Antriebseinheit, beispielsweise als reiner Frontantrieb mit Frontmotor bzw. als reiner Heckantrieb mit Heckmotor, so umfasst der Antriebsstang in der Regel lediglich einen durch die erste Antriebseinheit angetriebenen Ausgleichskörper, beispielsweise ein Differential, sowie mit diesem wirkgekoppelte Abtriebswellen, die ein Drehmoment auf die Antriebsräder übertragen.
Im Falle einer räumlichen Trennung der ersten Antriebseinheit von der Antriebsachse, beispielsweise im Falle einer durch einen Mittel- oder Frontmotor angetriebenen Hinterachse, ist in der Regel eine Antriebswelle vorgesehen, welche die erste Antriebseinheit mit dem Ausgleichskörper koppelt und somit ein Antriebsmoment überträgt. Der Ausgleichskörper ist, wie bereits voranstehend beschrieben, mittels der Abtriebswellen mit den Rädern des Fahrzeugs wirkgekoppelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die mindestens eine zweite Antriebseinheit einen Elektromotor, insbesondere einen schnelllaufenden Elektromotor. Elektromotoren weisen einen kompakten Aufbau und ein vergleichsweise geringes Gewicht auf, so dass ihre Verwendung eine kompakte und leichte Antriebsanordnung ermöglicht. Insbesondere die schnelllaufenden Elektromotoren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte und eine kompakte Bauform aus.
Des Weiteren kann die erste Antriebseinheit einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor umfassen. Die erste Antriebseinheit kann beispielsweise als Primärantriebseinheit vorgesehen sein und durch die mindestens eine zweite Antriebseinheit als Sekundärantriebseinheit unterstützt werden.
Eine derartige Unterstützung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die mindestens eine zweite Antriebseinheit in definierten Geschwindigkeits- oder Lastbereichen an den Antriebsstrang angekoppelt wird und ein zusätzliches zweites Antriebsmoment bzw. Drehmoment aufbringt, welches sich zu dem ersten Antriebsmoment der ersten Antriebseinheit addiert. Ebenso kann in bestimmten Bereichen dieser Bereiche aber auch ein reiner Betrieb durch die mindestens eine zweite Antriebseinheit vorgesehen werden. Hierzu wird gemäß der Beschreibung mittels des beschriebenen Koppelelements die mindestens eine zweite Antriebseinheit an den Antriebsstang angekoppelt bzw. in den Antriebsstrang eingekoppelt.
Dies ist derart zu verstehen, dass im umgekehrten Fall bei fehlendem Bedarf die zweite Antriebseinheit von dem Antriebsstrang abgekoppelt bzw. aus diesem ausgekoppelt werden kann, so dass diese nicht mitbetrieben bzw. mitgeschleppt werden muss. Hierzu ist die Antriebsanordnung beispielsweise wie folgt ausgeführt:
Vorzugsweise ist die mindestens eine zweite Antriebseinheit zum Übertragen des zweiten Drehmoments mit der Antriebswelle und/oder jeweils mit der mindestens einen Abtriebswelle mittels des Koppelelements koppelbar.
Somit kann eine Kopplung derart erfolgen, dass die jeweilige zweite Antriebseinheit bei einem Ankoppeln mit der entsprechenden anzutreibenden Welle verbunden wird. Dies ist selbstverständlich unter Berücksichtigung der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen eines Antriebsstrangs zu verstehen.
Entsprechend weiterer Ausführungsformen ist die mindestens eine zweite Antriebseinheit jeweils koaxial oder räumlich versetzt, insbesondere achsparallel, zu der Antriebswelle und/oder zu der mindestens einen Abtriebswelle angeordnet. Dies bedeutet, dass die zweite Antriebseinheit koaxial zu der jeweiligen Welle angeordnet werden kann, wobei beispielsweise ein Rotor mit der jeweiligen Welle starr verbunden ist bzw. diese umfasst. Alternativ kann der Rotor aber auch eine axiale Bohrung umfassen, durch welche sich die jeweilige Welle hindurch erstreckt, so dass der Rotor in diesem Bereich nicht starr mit der Welle verbunden ist, sondern unabhängig hiervon drehbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass eine unabhängige Rotation der beiden Bauteile zueinander möglich ist, so dass der Rotor nicht zwangsläufig von der rotierenden Welle mitbewegt wird.
Eine räumlich versetzte Anordnung der mindestens einen zweiten Antriebseinheit kann bereitgestellt werden, indem die zweite Antriebseinheit im Wesentlichen achsparallel bzw. räumlich, insbesondere seitlich, versetzt zu der jeweiligen hierdurch anzutreibenden Welle angeordnet ist. Ist die zweite Antriebseinheit also achsparallel zu einer sich beispielsweise in Richtung einer Fahrzeuglängsachse erstreckenden Antriebswelle bzw. Kardanwelle angeordnet, so erstreckt sich in gleicher Richtung eine Drehachse bzw. Antriebswelle der zweiten Antriebseinheit. Wird diese dagegen einer Abtriebswelle zugeordnet, welche üblicherweise quer zur Fahrzeuglängsachse ausgerichtet ist, so ist auch die Drehachse bzw. Antriebswelle der Antriebseinheit entsprechend quer zur Fahrzeuglängsachse ausgerichtet.
Eine räumlich versetzte Anordnung kann ebenfalls bereitgestellt werden, indem eine relativ zu der Welle abweichende Ausrichtung der mindestens einen zweiten Antriebseinheit vorgesehen werden und mittels einer entsprechenden Umlenkvorrichtung ein Drehmoment auf die anzutreibende Welle erfolgen kann.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens eine zweite Antriebseinheit über ein Getriebe zum Übertragen des zweiten Drehmoments mit der Antriebswelle und/oder mit der mindestens einen Abtriebswelle koppelbar ausgebildet ist, insbesondere über ein einstufiges Getriebe.
Auf diese Weise kann das von der jeweiligen zweiten Antriebseinheit bereitgestellte zweite Drehmoment mittels des Getriebes auf die jeweilige anzutreibende Welle, also Antriebs- oder Abtriebswelle, übertragen. Das einstufige Getriebe bietet den Vorteil, dass es einen Aufbau mit geringer Komplexität aufweist und dementsprechend kompakt und leicht ausführbar ist. Zusätzlich bietet es den Vorteil, dass kein Aktuator zur Betätigung und Steuerung vorgesehen werden muss. Vorzugsweise kann das Getriebe auf einen gewünschten Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs ausgelegt sein, in welchem ein Einsatz der mindestens einen zweiten Antriebseinheit vorgesehen ist. Außerhalb dieses definierten Bereichs wird die zweite Antriebseinheit mittels des Koppelelements vorzugsweise abgekoppelt, so dass das Getriebe hierfür nicht ausgelegt werden muss. Auf ein schaltbares Getriebe mit mehreren Gängen kann somit verzichtet werden.
Beispielsweise können das Getriebe und die zweiten Antriebseinheiten auf einen Bereich unterhalb einer definierten Geschwindigkeitsgrenze ausgelegt sein. Bei bisherigen Hybridfahrzeugen liegt eine Grenze für den Betrieb mit elektrischen Antrieben bei ca. 130 oder 150 km/h, so dass dieser Grenzwert ebenfalls Anwendung finden kann. Selbstverständlich kann aber ebenso jeder andere beliebige Geschwindigkeitswert oder -Bereich angewendet werden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Koppelelement dem Getriebe zugeordnet und/oder in diesem integriert.
Vorzugsweise umfasst das Koppelelement eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Kupplung. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein erster Abschnitt des Koppelelements formschlüssig in einen ansonsten hierzu beweglichen zweiten Abschnitt eingreifen kann, um über den hierdurch erzeugten Formschluss ein Drehmoment der mindestens einen zweiten Antriebseinheit auf den Antriebsstrang zu ermöglichen, wobei sich auf diese Weise in vorteilhafter Weise klar definierbare und reproduzierbare Koppelzustände realisieren lassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt mittels Kraftschluss, insbesondere Reibschluss, bereitgestellt werden.
Ebenfalls vorzugsweise kann mehreren der zweiten Antriebseinheiten ein gemeinsames Koppelelement zugeordnet werden.
Alternativ ist es auch möglich, dass jeder Antriebseinheit der mindestens einen zweiten Antriebseinheit ein eigenes Koppelelement zugeordnet ist. Somit ist jede der zweiten Antriebseinheiten unabhängig von der oder den anderen Antriebseinheiten an den Antriebsstrang an- oder von diesem abkoppelbar.
Auch kann die Antriebsanordnung derart ausgebildet sein, dass mehrere Koppelelemente synchron betätigbar sind. In diesem Fall werden also die individuell an- und abkoppelbaren zweiten Antriebseinheiten synchron zueinander mit dem Antriebsstrang verbunden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der mindestens einen zweiten Antriebseinheit ein zusätzliches mehrstufiges Getriebe zugeordnet. Dies bietet die Möglichkeit, über das Getriebe die jeweilige Antriebseinheit an den jeweils je Stufe vorgesehenen Drehzahl bzw. Geschwindigkeitsbereich anzupassen. Wie voranstehend beschrieben, erhöhen sich hiermit gegebenenfalls eine Komplexität und ein erforderlicher Bauraum.
Es versteht sich, dass jeder Antriebseinheit entweder ein eigenes Getriebe, einstufig oder mehrstufig, oder aber mehreren Antriebseinheiten ein gemeinsames Getriebe zugeordnet werden kann.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Antriebsanordnung gemäß der gegebenen Beschreibung ausgebildet ist, mit den folgenden Schritten:

– Bestimmen einer aktuellen ersten Drehzahl der Antriebswelle und/oder der mindestens einen Abtriebswelle in einem nicht angekoppelten Zustand,
– Betreiben der mindestens einen zweiten Antriebseinheit mit einer zweiten Drehzahl, wobei die zweite Drehzahl auf die erste Drehzahl abgestimmt ist,
– Ankoppeln des Koppelelements zum Koppeln der mindestens einen zweiten Antriebseinheit an die Antriebswelle und/oder an die mindestens eine Abtriebswelle zum Übertragen des zweiten Drehmoments.

Es ist somit möglich, in einem Fahrzeugbetrieb, in welchem beispielsweise die erste Antriebseinheit verwendet wird, durch Ankoppeln des Koppelelements mindestens eine zweite Antriebseinheit in den Antriebsstrang einzubinden. Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn zusätzliches Drehmoment benötigt wird, beispielsweise zur Leistungserhöhung (Boost-Funktion) oder einem sogenannten Torque-Vektoring zur Beeinflussung eines Eigenlenkverhaltens des Fahrzeugs, oder wenn ein Betriebsmodus des Fahrzeugs zwischen der ersten Antriebseinheit und der mindestens einen Antriebseinheit gewechselt werden soll. Auch kann ein derartiges Ankoppeln vorgesehen werden, wenn die zweite Antriebseinheit zur Rekuperation genutzt werden soll, ohne zuvor mit dem Antriebsstrang verbunden zu sein. Hierzu wird also eine Drehzahl der zu verbindenden Antriebs- oder Abtriebswelle bestimmt und die zweite Antriebseinheit mit der hierauf abgestimmten Drehzahl betrieben, um die zweite Antriebseinheit mit der jeweils zu koppelnden Welle zu synchronisieren. Der Schritt des Ankoppelns stellt die gewünschte Verbindung her. Eine Abstimmung der genannten Drehzahlen umfasst vorzugsweise eine Berücksichtigung eines zwischen die zweite Antriebseinheit und die zu koppelnde Welle zwischengeschalteten Getriebes bzw. dessen Übersetzungsverhältnis.
Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Antriebsanordnung mindestens zwei Koppelelemente umfasst, die jeweils einer zweiten Antriebseinheit zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ankoppelns ein synchrones Ankoppeln der mindestens zwei Koppelelemente umfasst. Dies bedeutet, dass jede Antriebseinheit über ein eigenes Koppelelement mit dem Antriebsstrang verbindbar und schaltbar ist, eine Betätigung derart aufeinander abgestimmt ist, dass beide der zweiten Antriebseinheiten zeitgleich mit dem Antriebsstrang verbunden werden.
Es wird außerdem ein weiteres Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Antriebsanordnung gemäß der gegebenen Beschreibung ausgebildet ist, mit den folgenden Schritten:

– Erfassen einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit,
– Betätigen des Koppelelements bei Erreichen einer definierten Fahrzeuggeschwindigkeit.

Gemäß dem weiteren beschriebenen Verfahren zum Betreiben der vorgeschlagenen Antriebsanordnung wird also bei Erreichen der definierten Fahrzeuggeschwindigkeit das Koppelelement an- oder abgekoppelt. Es ist somit möglich, die mindestens eine zweite Antriebseinheit beispielsweise nur bis zu einer definierten Höchstgeschwindigkeit mit dem Antriebsstang zu verbinden und bei Überschreiten dieser Höchstgeschwindigkeit die zweite Antriebseinheit abzukoppeln. Ein Antrieb des Fahrzeugs ist dann beispielsweise mit der ersten Antriebseinheit möglich. Dies bietet den Vorteil, dass je nach Betriebszustand diejenigen Antriebseinheiten eingesetzt werden können, die einen möglichst optimalen Wirkungsgrad aufweisen bzw. einem gewünschten Energiewandlungsplan entsprechen. Dies kann für hohe Geschwindigkeiten v beispielsweise ein Verbrennungsmotor sein, insbesondere bei v > 150 km/h, vorzugsweise bei v > 200 km/h. Dementsprechend muss die zweite Antriebseinheit lediglich für einen Betrieb bis zu dieser definierten Höchstgeschwindigkeit ausgelegt sein, wodurch sich zusätzlich strukturelle Vorteile ergeben.
Es versteht sich, dass neben einer definierten Höchstgeschwindigkeit auch andere Geschwindigkeiten oder Geschwindigkeitsbereiche definiert werden können, in welchen eine Betätigung des oder der Koppelelemente durchgeführt werden kann, um ein An- oder Abkoppeln der mindestens einen zweiten Antriebseinheit an bzw. von dem Antriebsstrang vorzunehmen.
Ein Betätigen des Koppelelements kann in allen Ausführungsformen beispielsweise mittels eines Aktuators erfolgen, der von einer Steuereinheit entsprechend ansteuerbar ist. Vorzugsweise kommt ein elektrischer, hydraulischer und/oder pneumatischer Aktuator zum Einsatz.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in schematischer Darstellung, und
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in schematischer Darstellung.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in schematischer Darstellung. Die Antriebsanordnung 10 umfasst eine erste Antriebseinheit 11 und zwei zweite Antriebseinheiten 12 sowie einen Antriebsstrang 13, welcher eine Antriebswelle 14, beispielsweise eine Kardanwelle, ein Differential 15 sowie zwei über das Differential 15 mit der Antriebswelle 14 wirkgekoppelte Abtriebswellen 16 umfasst, um ein Antriebsmoment der ersten Antriebseinheit 11 auf die beiden Antriebsräder 17 der Fahrzeugachse zu übertragen.
Die beiden zweiten Antriebseinheiten 12 sind in der dargestellten Ausführungsform als Elektromotoren ausgebildet und derart ausgerichtet, dass eine Drehachse bzw. Antriebswelle der Elektromotoren im Wesentlichen parallel zu den Abtriebswellen 16 bzw. zu der hierdurch gebildeten Fahrzeugachse angeordnet sind. Jedem der beiden Elektromotoren 12 ist ein Koppelelement 18 in Form einer formschlüssigen Kupplung zugeordnet, welches den jeweiligen Elektromotor 12 zum wahlweisen An- und Abkoppeln an die jeweilige Abtriebswelle 16 bzw. zum Abkoppeln von dieser, koppelt. Im angekoppelten Zustand kann somit ein von dem jeweiligen Elektromotor 12 erzeugtes zweites Drehmoment auf die jeweilige Abtriebswelle 16 übertragen werden.
Zusätzlich sind die zweiten Antriebseinheiten bzw. die Elektromotoren 12 über ein Getriebe 19, insbesondere ein einstufiges Getriebe, mit der jeweiligen Abtriebswelle 16 gekoppelt, wobei das Koppelelement 18 in der dargestellten Ausführungsform in das Getriebe 19 integriert ist. Das Getriebe 19 ist einstufig, also ohne veränderliches Übersetzungsverhältnis ausgeführt. Vorzugsweise umfasst das Getriebe 19 ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad und wird über eine Stirnradstufe mit der jeweiligen Abtriebswelle 16 wirkgekoppelt, wodurch hohe Antriebsmomente erzeilbar sind.
Vorzugsweise sind die beiden Koppelelemente 18 synchron betätigbar, so dass beide zweite Antriebseinheiten 12 gleichzeitig an den Antriebsstrang 13 an- oder von diesem abgekoppelt werden können.
Mit anderen Worten wird also eine Hybrid-Achse, insbesondere eine Vorder- oder Hinterachse, für ein Fahrzeug bereitgestellt, das aus mehreren Antriebseinheiten 11, 12 besteht, die unterschiedlich ausgebildet sein können. Insbesondere kann auf diese Weise eine üblicherweise zum Einsatz kommende Antriebsanordnung bestehend aus einem Verbrennungsmotor, der über eine Kardanwelle und ein Differential die Abtriebswellen antreibt, um zwei Elektromotoren erweitert werden.
Diese lassen sich beispielsweise gemäß der dargestellten Ausführungsform achsparallel vor oder hinter der Achse anordnen. Auf diese Weise können die Elektromotoren 12 kompakter ausgeführt werden, als beispielsweise im Falle einer koaxialen Anordnung.
Die Elektromotoren 12 können als kleine, insbesondere schnelllaufende Elektromotoren mit vorzugsweise hoher spezifischer Leistung bzw. hoher Leistungsdichte bei kompakter Bauweise vorgesehen sein und erlauben eine vielseitige Anwendung:
Beispielsweise können die Elektromotoren 12 in einem ersten Betriebsmodus bei nicht aktiver erster Antriebseinheit 11 allein für den gewünschten Antrieb des Fahrzeugs sorgen.
In einem weiteren Betriebsmodus können die Elektromotoren 12 ein Drehmoment zur Unterstützung des Antriebsmoments der ersten Antriebseinheit 11 bereitstellen. Beispielsweise kann auf diese Weise eine „Boost”-Funktion erzeugt werden.
Außerdem können die Elektromotoren 12 bei einer Rekuperation zur Energierückgewinnung unabhängig von dem gewählten Antriebsmodus eingesetzt werden.
Aufgrund der Zuordnung der Elektromotoren 12 zu jeweils einer Abtriebswelle 16 kann durch eine fein regelbare Betätigung der Elektromotoren 12 außerdem eine Sperrdifferentialwirkung zumindest bei Bedarf zur Verfügung gestellt werden. Des weiteren kann entsprechend einer besonderen Ausführungsform einer der beiden Elektromotoren 12 als Generator betrieben werden und hierbei erzeugte elektrische Energie an den anderen Elektromotor geliefert werden, um diesen im motorischen Betrieb anzutreiben.
Ferner erlaubt die dargestellte Anordnung ein sogenanntes Torque-Vectoring, bei dem eine Momentenverteilung zwischen der linken und rechten Fahrzeugseite erfolgen kann.
Zusammenfassend ist also Dank der vorgeschlagenen Koppelelemente 18 ein wahlweiser Einsatz der zweiten Antriebseinheiten 12 möglich, so dass die jeweiligen zweiten Antriebseinheiten von dem Antriebsstrang abgekoppelt werden können und somit nicht mitgeschleppt werden müssen, wenn sie momentan nicht zum Einsatz kommen.
Außerdem können platz- und gewichtssparend die Funktionen eines Sperrdifferentials, eines reinen Elektroantriebs sowie einer Hybridisierung der Achse mit einer zusätzlichen Möglichkeit des Torque-Vectoring erzielt werden. Auf diese Weise sind Schlupf- und/oder Eigenlenkbeeinflussungen energiesparend ohne zusätzlich erforderlichen Bremseingriff oder mechanische Sperrmechanismen möglich.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in schematischer Darstellung. Die dargestellte Antriebsanordnung 20 umfasst eine erste Antriebseinheit 21, eine zweite Antriebseinheit 22 sowie einen Antriebsstrang 23, welcher eine Antriebswelle 24 sowie ein Differential 25 und zwei Abtriebswellen 26 zum Antreiben der Antriebsräder 27 eines Fahrzeugs umfasst.
Die zweite Antriebseinheit 22 ist als Elektromotor mit einem fahrzeugseitig befestigten Stator 22a und einem hierzu drehbaren Rotor 22b ausgebildet, wobei der Elektromotor 22 koaxial zu der Antriebswelle 24 in Längsrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet ist. Hierzu weist der Rotor 22b eine axiale Ausnehmung 22c auf, durch die sich die Antriebswelle 24 erstreckt. Der Elektromotor 22 bzw. sein Rotor 22b ist nicht unmittelbar mit der Antriebswelle 24 sondern über ein Koppelelement 28 mit der Antriebswelle 24 verbindbar, so dass ein wahlweises An- oder Abkoppeln mit Hilfe des Koppelelements erfolgen kann. Es kann somit in einem angekoppelten Zustand ein Antriebsmoment der ersten Antriebseinheit 21 um ein zweites Drehmoment der zweiten Antriebseinheit 22 erhöht werden. Zusätzlich ist ein Planetengetriebe 29 mit einem hohlen Sonnenrad vorgesehen, das mit dem Koppelelement 28 platzsparend verbunden ist.
Diese Ausführungsform mit einer koaxialen Anordnung der zweiten Antriebseinheit 22 ermöglicht insbesondere, dass die zweite Antriebseinheit 22 bzw. der Elektromotor in einem ersten Betriebsmodus bei ausgeschalteter erster Antriebseinheit 21 allein für den gewünschten Antrieb des Fahrzeugs sorgen kann.
In einem weiteren Betriebsmodus kann die zweite Antriebseinheit 22 ein zusätzliches zweites Drehmoment zur Unterstützung des Antriebsmoments der ersten Antriebseinheit 21 bereitstellen und dieses somit erhöhen. Beispielsweise kann auf diese Weise eine „Boost”-Funktion erzeugt werden.
Außerdem kann die zweite Antriebseinheit 22 bei einer Rekuperation zur Energierückgewinnung unabhängig von dem gewählten Antriebsmodus durch ein gezieltes Ankoppeln an den Antriebsstrang eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60223850 T2 [0004]

Claims

Antriebsanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Hybridfahrzeug, mit – einer ersten Antriebseinheit (11, 21), – mindestens einer zweiten Antriebseinheit (12, 22), und – einem Antriebsstrang (13, 23) zum Übertragen eines ersten Antriebsmoments der ersten Antriebseinheit (11, 21) auf Antriebsräder (17, 27) des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen zweiten Antriebseinheit (12, 22) ein Koppelelement (18, 28) zugeordnet ist, welches derart ausgestaltet ist, dass die mindestens eine zweite Antriebseinheit (12, 22) an den Antriebsstrang (13, 23) zum Übertragen eines zweiten Drehmoments wahlweise an- oder von dem Antriebsstrang abkoppelbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (13, 23) eine mit der ersten Antriebseinheit (11, 21) wirkgekoppelte Antriebswelle (14, 24) und/oder mindestens eine mit den Antriebsräder (17, 27) des Fahrzeugs gekoppelte Abtriebswelle (16, 26) umfasst.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Antriebseinheit (12, 22) einen Elektromotor, insbesondere einen schnelllaufenden Elektromotor, umfasst.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antriebseinheit (11, 21) einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor umfasst.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Antriebseinheit (12, 22) zum Übertragen des zweiten Drehmoments mit der Antriebswelle (14, 24) und/oder jeweils mit der mindestens einen Abtriebswelle (16, 26) mittels des Koppelelements (18, 28) koppelbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Antriebseinheit (12, 22) jeweils koaxial oder räumlich versetzt, insbesondere achsparallel, zu der Antriebswelle (14, 24) und/oder zu der mindestens einen Abtriebswelle (16, 26) angeordnet ist.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Antriebseinheit (12, 22) über ein Getriebe (19, 29) zum Übertragen des zweiten Drehmoments mit der Antriebswelle (14, 24) und/oder mit der mindestens einen Abtriebswelle (16, 26) koppelbar ausgebildet ist, insbesondere über ein einstufiges Getriebe (19, 29).
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (18, 28) eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Kupplung umfasst.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Antriebseinheit der mindestens einen zweiten Antriebseinheit (12, 22) ein eigenes Koppelelement (18, 28) zugeordnet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (10, 20) derart ausgebildet ist, dass mehrere Koppelelemente (18, 28) synchron betätigbar sind.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen zweiten Antriebseinheit (12, 22) ein zusätzliches mehrstufiges Getriebe zugeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung eines Fahrzeugs, wobei die Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist, mit den folgenden Schritten: – Bestimmen einer aktuellen ersten Drehzahl der Antriebswelle und/oder der mindestens einen Abtriebswelle in einem nicht angekoppelten Zustand, – Betreiben der mindestens einen zweiten Antriebseinheit mit einer zweiten Drehzahl, wobei die zweite Drehzahl auf die erste Drehzahl abgestimmt ist, – Ankoppeln des Koppelelements zum Koppeln der mindestens einen zweiten Antriebseinheit an die Antriebswelle und/oder an die mindestens eine Abtriebswelle zum Übertragen des zweiten Drehmoments.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Antriebsanordnung mindestens zwei Koppelelemente umfasst, die jeweils einer zweiten Antriebseinheit zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ankoppelns ein synchrones Ankoppeln der mindestens zwei Koppelelemente umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsanordnung eines Fahrzeugs, wobei die Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist, mit den folgenden Schritten: – Erfassen einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit, – Betätigen des Koppelelements bei Erreichen einer definierten Fahrzeuggeschwindigkeit zum An- oder Abkoppeln der mindestens einen zweiten Antriebseinheit an bzw. von dem Antriebsstrang.