DE102011088647A1

DE102011088647A1 - Elektromechanische Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011088647A1
Application number: DE102011088647A
Authority: DE
Inventors: Tomas Smetana
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: DE102011088647B4

Abstract

Der Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug. Diese umfasst erfindungsgemäß zwei Elektromotoren und eine Brennkraftmaschine, wobei die beiden Elektromotoren derart angeordnet sind, dass deren Motorachsen zueinander parallel ausgerichtet sind und jeweils über eine erste bzw. zweite Planetengetriebestufe an ein Achsdifferential ankoppelbar sind, wobei das Achsdifferential derart angeordnet ist, dass eine senkrechte Projektion der Differentialachse in eine durch die Elektromotorachsen definierte Ebene zwischen jenen Elektromotorachsen verläuft.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug die als solche einen ersten Elektromotor, einen zweiten Elektromotor, ein Achsdifferential und eine Brennkraftmaschine umfasst, über welche einer der Elektromotoren selektiv antreibbar ist, wobei diese Antriebseinrichtung in einem rein elektrischen Betriebsmodus, in einem Seriellhybridbetriebsmodus und in einem Parallelhybridbetriebsmodus betreibbar ist.
Hintergrund der Erfindung
Aus DE 10 2006 013 296 A1 ist eine Hybridantriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die als solche eine Brennkraftmaschine und zwei Elektromotoren umfasst und in drei unterschiedlichen Betriebsmodi betreibbar ist. Die Brennkraftmaschine und beide Elektromotoren sind gleichachsig angeordnet und über eine gemeinsame Antriebswelle mit einem Achsdifferential gekoppelt.
Aus DE 10 2010 012 667 A1 ist ebenfalls eine Hybridantriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die eine Brennkraftmaschine und zwei Elektromotoren umfasst die temporär auch als Generatoren betrieben werden können. Ähnlich wie beim Stand der Technik nach DE 10 2006 013 196 A1 sind auch hier die Brennkraftmaschine und die beiden Elektromotoren zueinander gleichachsig angeordnet.
Aus DE 11 2005 003 440 T5 ist eine Hybridantriebseinrichtung bekannt, die zwei generatorisch betreibbare und gleichachsig angeordnete Elektromotoren umfasst die über ein Planetengetriebe gekoppelt sind. Der Leistungsabgriff aus diesem System erfolgt über ein Stirnradgetriebe und führt auf ein Achsdifferential das seitlich an einen der Elektromotoren angesetzt ist.
Unter den bislang verbreiteten Hybridantriebskonzepten finden sich Varianten, bei welchen die Brennkraftmaschine relativ leistungsschwach ausgelegt ist und in erster Linie der Reichweitenverlängerung des primär elektrisch betriebenen Fahrzeuges dient. Bei diesen Fahrzeugen wird die aus Brennkraftmaschine und zugeordnetem Generator bestehende Einheit allgemein als sog. Range-Extender bezeichnet. Die Brennkraftmaschine kann dabei so ausgeführt sein, dass diese mit einem möglichst schwach schwankenden Lastprofil in emissionsarmen Betriebszuständen betrieben wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, das rein elektrisch, als Seriellhybrid, und wahlweise auch als Parallelhybrid betreibbar ist und sich durch einen kostengünstigen Aufbau und ein vorteilhaftes mechanisches Betriebsverhalten auszeichnet.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektromechanische Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit:

– einem ersten Elektromotor mit einem ersten Rotorelement das um eine erste Motorachse umläuft,
– einem zweiten Elektromotor mit einem zweiten Rotorelement das um eine zweite Motorachse umläuft,
– einer Brennkraftmaschine mit einem Abtriebsorgan das um eine dritte Motorachse umläuft, und
– einem Achsdifferential, mit einem linken und einem rechten zu einer Differentialachse gleichachsigen Leistungsausgang
– wobei sowohl der erste Elektromotor, als auch der zweite Elektromotor derart angeordnet sind, dass deren Motorachsen zueinander parallel ausgerichtet sind und jeweils über eine erste bzw. zweite Planetengetriebestufe an das Achsdifferential ankoppelbar sind, wobei das Achsdifferential derart angeordnet ist, dass eine senkrechte Projektion der Differentialachse in eine durch die Elektromotorachsen definierte Ebene zwischen jenen Elektromotorachsen verläuft.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Antriebseinrichtung zu schaffen, die sich durch einen höchst kompakten Aufbau auszeichnet und bei welcher sowohl im rein elektrischen Betriebsmodus, im Seriellhybridbetriebsmodus als auch im Parallelhybridbetriebsmodus jeweils ein hoher Systemwirkungsgrad realisierbar ist, da die vom jeweils antreibenden Motor bereitgestellte Leistung mit hohem mechanischen Wirkungsgrad an die Radantriebswellen gelangt.
Die Brennkraftmaschine der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung kann so ausgelegt sein, dass deren Leistung in etwa der Leistung des ersten Elektromotors entspricht, oder sogar geringer ist. Die Brennkraftmaschine fungiert bei einer derartigen Auslegung als sog. Range-Extender der letztlich einen Betrieb des Fahrzeuges bei weitgehend erschöpftem Akkusystem ermöglicht. Über den als Generator des Range-Extenders fungierenden zweiten Elektromotor wird eine Boost-Funktionalität geboten.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem besteht vorzugsweise aus einer Elektroachse mit 2-Ganggetriebe, aus einem durch den zweiten Elektromotor gebildeten zuschaltbaren Generator und aus einem Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor treibt entweder den Generator unabhängig vom restlichen Antriebstrang (Seriellhybrid) oder kann direkt mit dem Differenzial verbunden werden und damit das Fahrzeug zusammen mit der Elektroachse antreiben (Parallelhybrid). Weiterhin ist es möglich, den Generator ebenfalls zum Boosten des Fahrzeugs zu nutzen.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem eignet sich in besonderem Maße für den Einsatz bei kompakten Personenkraftwagen und kann aufgrund seiner niedrigen Bauhöhe hier auch unterhalb eines Laderaumbodens im Fahrzeugheckbereich angeordnet werden. In leistungsstärkeren Auslegungen kann dieses Konzept auch bei Nkw und Hybrid-Landmaschinen vorteilhaft Anwendung finden. Durch das erfindungsgemäße Konzept wird in vorteilhafter Weise eine auch im Parallelhybridmodus verfügbare Range-Extender Funktion geboten. Das erfindungsgemäße System kann so aufgebaut werden, dass dieses über das Getriebegehäuse für die einzelnen Module Schnittstellen schafft die es ermöglichen, dem jeweiligen Anwendungsfall auf Grundlage eines Baukastensystems zu entsprechen. Die beiden Elektromotoren können als baugleiche Motoren ausgeführt sein. Auch die in das Antriebssystem eingebundenen Getriebeschaltaktuatoren sowie die beiden Planetengetriebestufen können als zumindest weitgehend baugleiche Systeme ausgeführt sein.
Das System kann so ausgelegt sein, dass die beiden Elektromotoren und die Brennkraftmaschine jeweils eine Leistung von 30kW liefern. Mit dieser Leistungsaufteilung kann ein Kompaktklassefahrzeug bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 110 Km/h im Seriellhybridbetriebsmodus betrieben werden. Weiterhin stehen für Beschleunigungsphasen oder anderweitige Lastphasen temporär 90 kW Antriebsleistung als Boost-Leistung zur Verfügung. Weiterhin ist es durch das erfindungsgemäße Antriebssystem möglich, aus dem Seriellhybridbetriebsmodus in den Parallelhybridbetriebsmodus zu wechseln und dabei den Leistungsbeitrag der Brennkraftmaschine stufenlos zwischen einer Leerlaufleistung und einer Maximalleistung zu variieren.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung vorzugsweise so gestaltet, dass die Brennkraftmaschine über eine Kupplungseinrichtung selektiv an den zweiten Elektromotor ankoppelbar ist. Diese Kupplungseinrichtung ist hierbei vorzugsweise als elektromechanisch betätigbare Kupplung ausgeführt. Der Kupplungseffekt kann durch Koppelungsorgane herbeigeführt werden die eine formschlüssige Koppelung bewirken. Ein derartiges Koppelungsorgan kann beispielsweise als innenverzahnte, axial verschiebbare Muffe ausgebildet sein, das in einer Koppelungsposition zwei benachbarte Wellenzapfen über komplementäre Verzahnungsgeometrien koppelt. Vorzugsweise jedoch erfolgt die Koppelung der Brennkraftmaschine mit dem zweiten Elektromotor reib- bzw. kraftschlüssig. Die Kupplungseinrichtung kann so gestaltet sein, dass der Kupplungszustand durch entsprechende Ansteuerung einer der Kupplungseinrichtung zugeordneten elektromechanischen Aktuatorik eingestellt wird. Es ist auch möglich, die Kupplungseinrichtung so auszubilden, dass der Kupplungszustand herbeigeführt wird, sobald der brennkraftmaschinenseitige Abtrieb schneller dreht als der zugeordnete Elektromotor. Die Kupplung und der ggf. selektiv sperrbarer, oder drehrichtungsspezifisch umschaltbare Freilauf können auch in Kombination miteinander eingesetzt werden. Über die beiden Elektromotoren können jeweils Betriebszustände herbeigeführt werden in welchen die zu schaltenden Kupplungen weitgehend lastfrei sind.
Die Ankoppelung der Brennkraftmaschine an den zweiten Elektromotor erfolgt vorzugsweise über die an sich zur Übersetzung, d.h. Drehzahlreduktion und Drehmomentenerhöhung vorgesehene zweite Planetengetriebestufe. Hierdurch wird es möglich, die Brennkraftmaschine bei moderaten Drehzahlen von z.B. 2600 rpm zu betreiben und den zweiten Elektromotor generatorisch bei z.B. 6000 rpm zu betreiben.
Eine im Hinblick auf einen hohen mechanischen Wirkungsgrad besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems ist dadurch gegeben, dass der Leistungstransfer von dem ersten Elektromotor zu dem Achsdifferential selektiv über die erste Planetengetriebestufe oder als Direktabgriff erfolgt. Dadurch wird es möglich, den ersten Elektromotor bei einem Fahrzeugbeschleunigungsvorgang zunächst übersetzt und anschließend direkt, oder geringer übersetzt an das Achsdifferential anzukoppeln. Die vorgenannte erste Planetengetriebestufe bildet vorzugsweise Bestandteil einer ersten Schaltgetriebeeinrichtung die als solche einen Übersetzungszustand, einen Direktübertragungszustand und einen Neutralzustand einnehmen kann.
Die zweite Planetengetriebestufe kann hinsichtlich ihrer Zahnräder baugleich zur ersten Planetengetriebestufe ausgeführt sein und bildet vorzugsweise Bestandteil einer zweiten Schaltgetriebeeinrichtung. Über diese zweite Schaltgetriebeeinrichtung kann dann vorzugsweise die Koppelung der Brennkraftmaschine mit der der zweiten Planetengetriebestufe und die Koppelung der Brennkraftmaschine mit dem Achsdifferential geschaltet werden.
Vorzugsweise sind der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor hinsichtlich des Stators und des Außengehäuses im wesentlichen baugleich ausgeführt. Das Achsdifferential ist vorzugsweise als Stirnraddifferential ausgeführt, und die beiden Ausgänge der ersten und der zweiten Schaltgetriebeeinrichtung werden vorzugsweise über Stirnräder auf das Umlaufgehäuse des Achsdifferentiales geführt.
Das Achsdifferential ist gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise derart in das Antriebssystem eingebunden, dass dieses in vertikaler Richtung gegenüber den Schaltgetriebeachsen nach unten versetzt angeordnet ist.
Die Brennkraftmaschine kann als hocheffiziente Brennkraftmaschine ausgelegt sein die insbesondere als Selbstzünder oder auch als gasbetriebener Motor ausgeführt sein kann. Die Entscheidung unter welchen Betriebszuständen das System in einem ausgewählten Modus und mit ausgewählter Übersetzung betrieben wird, wird vorzugsweise durch eine elektronische Steuereinrichtung getroffen die beispielsweise den Ladezustand der Fahrzeugakkus, den Tankinhalt und ggf. die in ein Navigationssystem eingegebene Fahrstrecke berücksichtigt. Das erfindungsgemäße Antriebssystem kann einen sog. Winterbetriebsmodus vorsehen bei welchem dann, wenn zum Beheizen des Fahrzeuginnenraumes ein Wärmebedarf besteht die Brennkraftmaschine betrieben und deren Abwärme zum Heizen genutzt wird. Die Brennkraftmaschine kann als Hubkolbenmotor in verschiedensten Zylinderanordnungen ausgeführt sein. Weiterhin kann die Brennkraftmaschine auch als Rotationskolbenmotor ausgeführt sein. Die Brennkraftmaschine wird vorzugsweise über die zur Systemsteuerung vorgesehene elektronische Steuereinheit angesteuert und dabei vorzugsweise in Betriebszuständen betrieben die sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnen. Soweit die Brennkraftmaschine als mehrzylindrige Brennkraftmaschine ausgeführt ist, kann diese so ausgebildet sein, dass diese auch die Funktion einer Zylinderabschaltung bietet. In einem derartigen leistungsreduzierten Modus kann beispielsweise ein hocheffizienter Generatorbetrieb erfolgen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt/ zeigen:
1a, 1b, 1c Systemskizzen zur Erläuterung des konzeptionellen Aufbaus einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebseinrichtung;
2 eine Schemadarstellung zur Erläuterung des Innenaufbaus einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebseinrichtung mit zwei Getriebeschaltaktuatoren;
3 eine Schemadarstellung zur Erläuterung des Innenaufbaus einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebseinrichtung mit einem Integral-Aktuator zur Betätigung der ersten und der zweiten Schaltgetriebeeinrichtung;
4 eine Schemadarstellung zur Erläuterung des Leistungsflusses bei einem erfindungsgemäßen Antriebssystem im rein elektrischen Betrieb und übersetztem ersten Elektromotor;
5 eine Schemadarstellung zur Erläuterung des Leistungsflusses bei einem erfindungsgemäßen Antriebssystem im rein elektrischen Betrieb und direkt auf das Achsdifferential durchgeschaltetem ersten Elektromotor;
6 eine Schemadarstellung zur Erläuterung des Leistungsflusses bei einem erfindungsgemäßen Antriebssystem im Seriellhybridbetriebsmodus und direkt durchgeschaltetem ersten Elektromotor;
7 eine Schemadarstellung zur Erläuterung des Leistungsflusses bei einem erfindungsgemäßen Antriebssystem im Paralellhybridbetriebsmodus und direkt durchgeschaltetem ersten, jedoch passiven zweiten Elektromotor;
8 eine Schemadarstellung zur Erläuterung des Leistungsflusses bei einem erfindungsgemäßen Antriebssystem im rein elektrischen Betriebsmodus und übersetztem ersten Elektromotor und übersetztem zweiten Elektromotor;
9 eine Schemadarstellung zur Erläuterung des Leistungsflusses bei einem erfindungsgemäßen Antriebssystem im Paralellhybridbetriebsmodus und übersetztem ersten Elektromotor und übersetztem zweiten Elektromotor;
10 eine Schemadarstellung zur weiteren Erläuterung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung;
11 eine Schemadarstellung einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung bei welcher der zweite Elektromotor und die Brennkraftmaschine über eine als Summiergetriebe ausgestaltete Variante der zweiten Planetenradstufe gekoppelt sind;
12 eine Schemadarstellung einer vierten Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung bei welcher wie bei der Variante nach 11 der zweite Elektromotor und die Brennkraftmaschine über ein Summiergetriebe gekoppelt sind und die Leistungsabgabe dieses Systems mit der Leistungsabgabe des ersten Elektromotors ebenfalls über ein Summiergetriebe auf das Achsdifferential geführt wird.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1a ist in Form einer perspektivischen Darstellung der Grundaufbau einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug veranschaulicht. Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung umfasst einen ersten Elektromotor EM1 mit einem ersten Rotorelement das um eine erste Motorachse X1 umläuft, einen zweiten Elektromotor EM2 mit einem zweiten Rotorelement das um eine zweite Motorachse X2 umläuft, eine Brennkraftmaschine ICE mit einem Abtriebsorgan das um eine dritte Motorachse X3 umläuft, und ein Achsdifferential SRD, mit einem linken und einem rechten zu einer Differentialachse X4 gleichachsigen Leistungsausgang.
Sowohl der erste Elektromotor EM1, als auch der zweite Elektromotor EM2 sind derart angeordnet, dass deren Motorachsen X1, X2 zueinander parallel verlaufen und jeweils über eine erste bzw. zweite Planetengetriebestufe PLT1, PLT2 an das Achsdifferential SRD ankoppelbar sind, wobei das Achsdifferential SRD derart angeordnet ist, dass eine senkrechte Projektion der Differentialachse X4 in eine durch die Motorachsen X1, X2 definierte Ebene E1 zwischen jenen Motorachsen X1, X2 verläuft.
Die Brennkraftmaschine ICE ist über eine Kupplungseinrichtung K5 selektiv an den zweiten Elektromotor EM2 ankoppelbar. Die Ankoppelung der Brennkraftmaschine ICE an den zweiten Elektromotor EM2 erfolgt über die zweite Planetengetriebestufe PLT2.
Der Leistungstransfer von dem ersten Elektromotor EM1 zu dem Achsdifferential SRD erfolgt selektiv über die erste Planetengetriebestufe PLT1 oder unter Umgehung dieser Übersetzungsstufe als Direktabgriff auf die Stirnradstufe SRS1. Die erste Planetengetriebestufe PLT1 bildet hier Bestandteil einer ersten Schaltgetriebeeinrichtung die selektiv eine Übersetzung des ersten Elektromotors EM1, eine Neutral- oder Leerlaufstellung und eine Direktdurchschaltung (1:1 Durchleitung) des Motormomentes ermöglicht.
Die zweite Planetengetriebestufe PLT2 bildet Bestandteil einer zweiten Schaltgetriebeeinrichtung und ist hier jedoch permanent mit dem zweiten Elektromotor EM2 gekoppelt. Der erste Elektromotor EM1 und der zweite Elektromotor EM2 sind hinsichtlich des Stators und des Außengehäuses im wesentlichen baugleich ausgeführt. Das Achsdifferential SRD ist hier als Stirnraddifferential ausgeführt ist, und die Ausgänge der ersten und der zweiten Schaltgetriebeeinrichtung sind über Stirnräder SRS1, SRS2 unter weiterer Übersetzung, d.h. Drehzahlreduktion/Momentenerhöhung auf das Umlaufgehäuse des Achsdifferentiales SRD geführt. Das Achsdifferential SRD ist in vertikaler Richtung gegenüber den Schaltgetriebeachsen X5, X6 nach unten versetzt angeordnet.
Wie aus 1b ersichtlich, fluchten die Motorachsen X1, X2 des ersten und des zweiten Elektromotors EM1, EM2 direkt mit den Schaltgetriebeachsen X5, X6 der jeweiligen Schaltgetriebe. Zudem fluchet die Motorachse X3 mit der Motorachse X2 des zweiten Elektromotors EM2. Die Brennkraftmaschine ICE ist auf einer dem zweiten Elektromotor EM2 angewandten Seite der zweiten Planetengetriebestufe PLT2 bzw. jener unter Einschluss derselben gebildeten Schaltgetriebeeinrichtung angeordnet.
Die Planetengetriebestufen PLT1, PLT2 und das Achsdifferential SRD sind in einem Getriebegehäuse 6 aufgenommen das als solche eine tragende Struktur bildet über welche die beiden Elektromotoren EM1, EM2 und die Brennkraftmaschine ICE zusammengefasst sind. In diesem Getriebegehäuse 6 sind auch die in 1a angedeutete Motorkupplung K5 sowie die zur Betätigung der Schaltgetriebeeinrichtungen vorgesehenen Aktuatoren A11, A12 angeordnet.
Das Getriebegehäuse 6 ist so gestaltet, dass sich dieses in verbautem Zustand im wesentlichen zentral zwischen den zugeordneten angetriebenen Rädern befindet. Es ist möglich, das Getriebegehäuse 6 so zu gestalten, dass beide daran, genauer an die Differentialausgänge angeschlossenen Radantriebswellen 7, 8 die gleiche Länge aufweisen und damit ggf. baugleich ausgeführt werden können.
In 1c ist in Form einer vereinfachten Seitenansicht der Aufbau der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung weiter veranschaulicht. Wie erkennbar ist das Achsdifferential SRD gegenüber der Achsebene E1 der Motorachsen X1, X2 nach unten versetzt angeordnet. Die Elektromotoren EM1, EM2 sind gegenüber dem Achsdifferential SRD in „V-Anordnung“ angeordnet der hier angedeutete Gabelwinkel G1 beträgt hier in etwa 90°. Dieser Winkel G1 kann ggf. auch größer sein, er liegt vorzugsweise im Bereich von 90° bis 150°.
Das Getriebegehäuse 6 kann in Topf- oder Schalenbauweise gefertigt werden. Das Getriebegehäuse 6 kann die Lagerung der Rotorwellen der Elektromotoren EM1, EM2 aufnehmen und damit auch Teil des jeweiligen Motorgehäuses bilden. Weiterhin kann das Getriebegehäuse 6 auch Anbindungsstellen für eine Radaufhängungsmechanik, insbesondere für eine Querlenkeranordnung bilden.
In 2 ist eine erste Variante 1 der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung dargestellt. Auf der Fahrzeugachse befindet sich ein Differential SRD das insbesondere als sog. Stirnraddifferential ausgeführt sein kann. Dieses Differential trägt am Differentialkorb ein Antriebszahnrad 9. Das Antriebszahnrad 9 („Final Drive“) wird dabei von den Stirnradstufen SRS1 und SRS2 angetrieben, wobei die Stirnradstufe SRS1 eine schaltbare Verbindung zu dem mittels des Aktuators A11 schaltbaren Planetensatz aufweist. Im ersten Gang treibt der Elektromotor EM1 die Sonne 10 des Planetensatzes PLT1 an. Der Abtrieb erfolgt über den Träger 11 zur Stirnradstufe SRS1. Im zweiten Gang lässt sich der Elektromotor EM1 direkt mit der Stirnradstufe SRS1 koppeln. Der Planetensatz PLT1 ist dann inaktiv. In der Neutralstellung steht der Elektromotor EM1 zusammen mit dem Planetensatz PLT1 still. Die Gangschaltung wird mit Hilfe des Aktuators A11 durchgeführt.
Die Stirnradstufe SRS2 ist zuerst als Losrad ausgeführt, dreht also lose auf der Welle des zweiten Antriebstrangszweigs. Dieser setzt sich aus dem Elektromotor/Generator EM2 und aus einem Verbrennungsmotor ICE zusammen. Der Elektromotor EM2 hat ebenfalls einen Planetensatz PLT2, der schaltbar ausgeführt ist. Die Schaltelemente – Kupplungen K3 und K4 sind als Synchronisationen ausgeführt und analog dem ersten Antriebsstrangzweig elektromechanisch durch einen Aktuator A12 betätigt. Zusätzlich zur Kupplung K3 ist hier im zweiten Antriebstrangszweig ein Freilauf F3 eingesetzt. Der Verbrennungsmotor ICE kann mit Hilfe einer herkömmlichen trockenen Reibkupplung K5 mit Aktuator A2 zugeschaltet oder getrennt werden. Die Gangaktuierung erfolgt elektromechanisch mit Zugkraftunterbrechung (ASG-Prinzip).
3 zeigt eine nachfolgend als Variante 2 bezeichnete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung die als solche eine „Range Extender-Funktion“ bietet. Der Unterschied zu Variante 1 besteht darin, dass die Aktuatoren A11 und A12 durch einen gemeinsamen Aktuator A1 ersetzt sind. Die bei dieser Ausführungsform vorgesehene Aktuatormechanik stellt eine korrekte Synchronisation der Getriebeschaltzustände der beiden Getriebeeinrichtungen PLT1, PLT2 sicher. Die Aktuatormechanik umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel eine Schaltwalze mit einer durch deren Aussenwandung gebildeten Kurvenstruktur. Durch diese Kurvenstruktur werden in Verbindung mit entsprechenden, hier nur angedeuteten Kurvenfolgern die Schalfinger, Schaltgabeln, oder Schaltwippen beider Getriebeeinrichtungen PLT1, PLT2 gemeinsam angesteuert. Durch dieses Konzept kann eine zuverlässig korrekte Koordination der Getriebeschaltzustände beider Getriebeeinrichtungen PLT1, PLT2 sichergestellt werden. Zudem kann die Mechanik über einen einzigen Stell- oder Aktuatormotor angesteuert werden, d.h. es lässt sich ein Aktuatormotor sparen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schaltwalze als drehbar geführte Struktur ausgebildet, wobei die geforderten Schaltzustände durch entsprechende Drehung der Schaltwalze herbeigeführt werden. Alternativ zu einem drehbar geführten Kurventräger ist es auch möglich, einen translatorisch oder auch kombiniert rotatorisch/translatorisch zu verlagernden Kurventräger vorzusehen. Die gemeinsame Aktuatormechanik befindet sich in einem Zwischenbereich zwischen den Getriebeeinrichtungen PLT1, PLT2, insbesondere im wesentlichen mittig nach oben versetzt zwischen den beiden Getriebeeinrichtungen PLT1, PLT2. Die mechanische Zentral-Schalteinrichtung kann so gestaltet sein, dass diese die jeweils sinnvollen Schaltzustandspermutationen in der Reihenfolge bereitstellt in welcher diese bei typischen Fahrmaneuvern angeforert werden. Sofern bestimmte in der mechanischen Schalteinrichtung, insbesondere der Schaltwalze vorgesehene Kombinationen übersprungen werden sollen, wird hierzu vorzugsweise die Antriebseinrichtung durch Ansteuerung temporär durch entsprechende Ansteuerung der Elektromotoren EM1, EM2 temporär entlastet. Die restlichen Komponenten des Antriebsstrangs sind identisch mit jenen nach 2. Auf die Ausführungen zu jener 2 wird insoweit verwiesen.
Nachfolgend werden verschiedene Funktionalitäten der erfindungsgemäß eine Range Extender-Funktion bietenden Antriebseinrichtung anhand der Variante 2 erklärt. Die Variante 1 verhält sich analog, wobei die Systemsynchronisation hier über die Steuerung der Aktuatoren A11, A12 gewährleistet wird.

Durch Einstellung der Schaltzustände der Kupplungen K1 bis K5 und Leistungszufuhr zu den Elektromotoren EM1 und EM2 können verschiedene Betriebsmodi eingestellt werden. Für die hier gezeigte Mechanik können zur Einstellung der gewünschten Betriebsmodi (linke Tabellenspalte) insbesondere die in der nachfolgenden Tabelle angeführten Einstellungen gewählt werden:

	K1	K2	K3	F3	K4	K5
El. Fahrt mit EM1 im 1. Gang	X	0
El. Fahrt mit EM1 im 2. Gang	0	X
Neutral EM1	0	0
Aufladen mit Generator EM2			X	0	0	X
Direktantrieb ICE			0	0	X	X
Boost mit EM2			0	X	X	0
Boost mit EM2 und mit ICE			0	X	X	X
Neutral EM2			0	0	0	0
Hyperboost low via EM1 und EM2 + ICE	X	0	0	X	X	X
Hyperboost high via EM1 und EM2 + ICE	0	X	0	X	X	X

K1...K5 = Kupplungen; F3 = Freilauf; X = überträgt Drehmoment; 0 = inaktiv

4 veranschaulicht den Leistungsfluss bei einem rein elektrischen Antrieb im ersten Gang mit Hilfe des Elektromotors EM1. Der zweite Antriebstrangszweig mit dem Generator bzw. mit dem Verbrennungsmotor ist inaktiv (in der Neutralstellung zwischen K3 und K4). Die Schaltzustände sind hier wie folgt:

K1 K2 K3 F3 K4 K5

El. Fahrt mit EM1 im 1. Gang X 0

Neutral EM2 0 0 0 0
In 5 ist ein rein elektrischer Antrieb im zweiten Gang dargestellt. Der zweite Antriebsstrang ist nach wie vor inaktiv. Die Schaltzustände sind hier wie folgt:

K1 K2 K3 F3 K4 K5

EL. Fahrt mit EM1 im 2. Gang 0 X

Neutral EM2 0 0 0 0
Der klassische Range Extender Betrieb als Seriellhybrid ist in 6 erläutert. Der Antrieb erfolgt nach wie vor mit Hilfe des Elektromotors EM1 im zweiten Gang. Im zweiten Antriebsstrangszweig sind die Kupplungen K3 und K5 geschlossen. Der Verbrennungsmotor läuft und treibt den Elektromotor EM2 als Generator an. Dieser erzeugt Strom für den Elektromotor EM1. Die Schaltzustände sind hier wie folgt:

K1 K2 K3 F3 K4 K5

EL. Fahrt mit EM1 im 2. Gang 0 X

Aufladen mit Generator EM2 X 0 0 X
Wird, wie in 7 veranschaulicht, von der Kupplung K3 auf K4 umgeschaltet, kann der Verbrennungsmotor das Fahrzeug direkt antreiben. Im Differential SRD werden Leistungsflüsse vom Elektromotor EM1 und vom Verbrennungsmotor ICE aufsummiert, das Fahrzeug läuft als Parallelhybrid.

K1 K2 K3 F3 K4 K5

EL. Fahrt mit EM1 im 2. Gang 0 X

Direktantrieb ICE 0 0 X X
Ein weiterer praxisrelevanter Betriebszustand ist in 8 abgebildet. Dargestellt ist z.B. eine Anfahrsituation. Das Fahrzeug benötigt eine max. elektrische Leistung. Im ersten Antriebsstrangszweig wird der E-Motor EM1 im ersten Gang mit dem Differenzial gekoppelt. Im zweiten Antriebsstrangszweig sind die Kupplungen K3 und K5 offen. Der Verbrennungsmotor steht still. Der Generator EM2 wird als Elektromotor betrieben, und trägt damit zum Fahrzeugvortrieb bei. Das entsprechende Antriebsmoment wird durch den Freilauf F3 über die Kupplung K4 zum Differenzial übertragen.

K1 K2 K3 F3 K4 K5

El. Fahrt mit EM1 im 1. Gang X 0

Boost mit EM2 0 X X 0
Reicht diese Leistung nicht aus, kann die Kupplung K5 wieder geschlossen und der Verbrennungsmotor wie in 9 gezeigt, gestartet werden. In diesem Fall wird das Fahrzeug sowohl von beiden Elektromotoren EM1 und EM2 als auch vom Verbrennungsmotor ICE angetrieben. („Hyperboost-low Modus“)

K1 K2 K3 F3 K4 K5

El. Fahrt mit EM1 im 1. Gang X 0

Boost mit EM2 und mit ICE 0 X X X
In 10 ist die erfindungsgemäße elektromechanische Antriebseinrichtung nochmals veranschaulicht. Die Elektromotoren EM1, EM2 können als baugleiche Motoren ausgeführt sein. Auch die Planetenradstufen PLT1, PLT2 können als baugleiche Getriebe ausgeführt sein, oder zumindest zahlreiche baugleiche Komponenten enthalten. Das hier nicht näher dargestellte Getriebegehäuse kann so gestaltet sein, dass dieses baukastenartig mit Motor- und Getriebekomponenten bestückt werden kann, so dass beispielsweise in Verbindung mit einem Getriebegehäusetyp unterschiedlich konfigurierte Antriebseinrichtungen geschaffen werden können. Die Planetensätze, die Elektromotoren bzw. die Aktuatoren sowie viele andere Komponenten (Lager, Bolzen, Gehäuse) können als Gleichteile ausgeführt werden. Die Elektromotoren können sehr einfach als komplette Einheit gekühlt werden. Die parallele Position der beiden Elektromotoren und der Planentengetriebestufen PLT1, PLT2 ermöglicht darüber hinaus die Ansteuerung der Getriebeschaltorgane unter Verwendung eines einzigen Aktuators.
In 11 ist eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung dargestellt. Bei dieser Variante ist die zweite Planetenradstufe als Summiergetriebe ausgeführt über welche die Leistungsbeiträge der Brennkraftmaschine ICE und des zweiten Elektromotors EM2 drehzahlvariabel zusammengeführt werden können. Der Leistungsabgriff aus diesem Summiergetriebe erfolgt hier lediglich beispielhaft über das Hohlrad und geht dann auf über die Schaltkupplung K3 auf die Stirnradstufe SRS2. Über die Schaltkupplung K4 kann die Brennkraftmaschine ICE direkt an die Stirnradstufe SRS2 angeschlossen werden. Das Hohlrad der zweiten Planetenradstufe PLT2 kann über eine Arretiereinrichtung AK selektiv festgelegt werden. In arretiertem Zustand kann bei Öffnen der Kupplungen K3 und K4 der zweite Elektromotor EM2 über die Brennkraftmaschine als Generator betrieben werden. Bei Einrücken von K4 und Arretieren des Hohlrades können Der zweite Elektromotor EM2 und die Brennkraftmaschine ICE gemeinsam Leistung zur Stirnradstufe SRS2 übertragen, wobei der zweite Elektromotor EM2 hier mit einer gegenüber der Brennkraftmaschine ICE erhöhten Drehzahl rotiert.
Die Variante nach 11 ermöglicht es, die Antriebseinrichtung in einem Parallelhybridbetriebsmodus zu betreiben, wobei die Drehzahl der Brennkraftmaschine ICE weitgehend konstant gehalten werden kann, oder mit lediglich geringer Dynamik angepasst werden muss, da den Schwankungen des Leistungsbedarfs durch entsprechende Ansteuerung des zweiten Elektromotors EM2 und ggf. auch des ersten Elektromotors EM1 entsprochen werden kann.
In 12 ist eine vierte Variante einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung dargestellt, bei welcher wie bei der Variante nach 11 der zweite Elektromotor EM2 und die Brennkraftmaschine ICE über ein Summiergetriebe SG1 gekoppelt sind. Bei diesem Antriebssystem ist ein zweites Summiergetriebe SG2 vorgesehen durch welches die Leistungsabgabe des ersten Elektromotors EM1 mit dem Ausgang des ersten Summiergetriebes SG1 zusammengefasst wird.
Sowohl das erste Summiergetriebe SG1, als auch das zweite Summiergetriebe SG2 sind als Umlaufrädergetriebe, insbesondere Planetengetriebe ausgebildet. Das zweite Summiergetriebe ist bei diesem Ausführungsbeispiel mit dem Achsdifferential SRD gekoppelt. Diese Koppelung wird hier erreicht indem das Umlaufgehäuse des Achsdifferentials SRD den Planetenradträger des zweiten Summiergetriebes SG2 bildet. Die Leistungsabgabe des ersten Elektromotors auf das zweite Summiergetriebe erfolgt über eine Stirnradstufe SRS1 auf das Hohlrad des zweiten Summiergetriebes SG2. Die Leistungsabgabe des ersten Summiergetriebes SG1 an das zweite Summiergetriebe SG2 erfolgt auf das Sonnenrad des zweiten Summiergetriebes SG2.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind das erste Summiergetriebe SG1 und das zweite Summiergetriebe SG2 jeweils über hier nicht näher dargestellte Aktuatoren und Schaltorgane selektiv sperrbar. Zudem ist das erste Summiergetriebe SG1 derart gestaltet, dass über dieses auch die Koppelung der Brennkraftmaschine ICE und des zweiten Elektromotors EM2 selektiv aufhebbar ist.
Das erste Summiergetriebe SG1, oder der diesem vorgelagerte Antriebsstrangabschnitt kann weiterhin so gestaltet sein, dass die Antriebsleistung des zweiten Elektromotors EM2 oder der Brennkraftmaschine ICE schaltbar jeweils für sich auf das zweite Summiergetriebe SG2 übertragen werden können.
Der erste Elektromotor EM2 kann mit einem Übersetzungsgetriebe PLT1 versehen sein das beispielsweise zwei Übersetzungsstufen bereitstellt die wie bezüglich 2 und 3 beschrieben durch einen elektromechanischen Aktuator eingestellt werden können. Von diesem Getriebe PLT2 kann im vorliegenden Fall jedoch abgesehen werden, da eine Übersetzungswirkung auch über das zweite Summiergetriebe SG2 erreichbar ist, insbesondere wenn das erste Summiergetriebe SG1 in eine Arretierstellung verbracht wird.
Das erste Summiergetriebe SG2 dient der Zusammenführung der Antriebsleistung der Brennkraftmaschine ICE und des zweiten Elektromotors EM2. Das zweite Summiergetriebe SG2 dient der Zusammenführung der Ausgangsleistung des ersten Summiergetriebes SG1 und der Ausgangsleistung des ersten Elektromotors EM1. Über beide Summiergetriebe SG1, SG2 können Übersetzungseffekte realisiert werden, die es erlauben, die Drehzahl der Rotoren der Elektromotoren EM1 EM2 höher zu setzten als die Drehzahlen der Radantriebswellen 7, 8. Die beiden Summiergetriebe sind als Planetenradgetriebe ausgeführt. Das zweite Summiergetriebe SG2 ist an das Achsdifferential SRD angebunden und vereinigt den Antriebsstrang des ersten Elektromotors EM1 mit dem Ausgang des ersten Summiergetriebes SG1.
Die Motorachsen X1, X2 der beiden Elektromotoren EM1, EM2 verlaufen zueinander parallel, die senkrechte Projektion der Differentialachse X4 in eine Ebene E1 die durch die Motorachsen X1, X2 definiert ist, verläuft zwischen den Motorachsen X1, X2.
Die Kurbelwellenachse X3 der Brennkraftmaschine ICE fluchtet mit der Motorachse X2 des zweiten Elektromotors EM2. Das Achsdifferential SRD ist vertikal nach unten versetzt. Die Antriebsverbindung der Brennkraftmaschine ICE zum ersten Summiergetriebe SG1 ist vorzugsweise über eine als Reibungskupplung ausgeführte Kupplung K5 selektiv aufhebbar. Die Summiergetriebe SG1 und SG2 sind vorzugsweise selektiv sperrbar. Die Elektromotoren EM1, EM2 können so gestaltet sein, dass diese selektiv arretierbar sind.
Über den zweiten Elektromotor EM2 kann eine elektrische Kupplungsfunktion realisiert werden indem z.B. dieser Elektromotor EM2 bei laufender Brennkraftmaschine ICE zunächst lastfrei mitläuft, so dass das Summiergetriebe SG1 kein Abtriebsdrehmoment generiert. Durch Erhöhung der generatorischen Last am zweiten Elektromotor EM2 und Einspeisung der generierten Leistung in den ersten Elektromotor EM1, oder durch anderweitige elektrische Ansteuerung des zweiten Elektromotors EM2 – beispielsweise ebenfalls zur Generierung eines Antriebsdrehmomentes – liegt am ersten Summiergetriebe SG1 dann ein Abtriebsdrehmoment an, das auf das zweite Summiergetriebe SG2 wirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006013296 A1 [0002]
DE 102010012667 A1 [0003]
DE 102006013196 A1 [0003]
DE 112005003440 T5 [0004]

Claims

Elektromechanische Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit: – einem ersten Elektromotor (EM1) mit einem ersten Rotorelement das um eine erste Motorachse (X1) umläuft, – einem zweiten Elektromotor (EM2) mit einem zweiten Rotorelement das um eine zweite Motorachse (X2) umläuft, – einer Brennkraftmaschine (ICE) mit einem Abtriebsorgan das um eine dritte Motorachse (X3) umläuft, und – einem Achsdifferential (SRD), mit einem linken und einem rechten zu einer Differentialachse (X4) koaxialen Leistungsausgang – wobei sowohl der erste Elektromotor (EM1), als auch der zweite Elektromotor (EM2) derart angeordnet sind, dass deren Motorachsen (X1, X2) zueinander parallel ausgerichtet sind und jeweils über eine erste bzw. zweite Planetengetriebestufe (PLT1, PLT2) an das Achsdifferential (SRD) ankoppelbar sind, wobei das Achsdifferential (SRD) derart angeordnet ist, dass eine senkrechte Projektion der Differentialachse (X4) in eine durch die Motorachsen (X1, X2) definierte Ebene zwischen jenen Motorachsen (X1, X2) verläuft.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (ICE) über eine Kupplungseinrichtung (K5) selektiv an den zweiten Elektromotor (EM2) ankoppelbar ist.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankoppelung der Brennkraftmaschine (ICE) an den zweiten Elektromotor (EM2) über die zweite Planetengetriebestufe (PLT2) erfolgt.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransfer von dem ersten Elektromotor (EM1) zu dem Achsdifferential (SRD) selektiv über die erste Planetengetriebestufe (PLT1) oder als Direktabgriff erfolgt.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, die erste Planetengetriebestufe (PLT1) Bestandteil einer ersten Schaltgetriebeeinrichtung bildet.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Planetengetriebestufe (PLT2) Bestandteil einer zweiten Schaltgetriebeeinrichtung bildet
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Schaltgetriebe eine Direktkoppelungsstufe und eine Übersetzungsstufe bietet.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektromotor (EM1) und der zweite Elektromotor (EM2) hinsichtlich des Stators im wesentlichen baugleich ausgeführt sind.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Achsdifferential (SRD) als Stirnraddifferential ausgeführt ist, und dass die Ausgänge der ersten und der zweiten Schaltgetriebeeinrichtung auf das Umlaufgehäuse des Achsdifferentiales (SRD) geführt sind.
Elektromechanische Antriebseinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Achsdifferential (SRD) in vertikaler Richtung gegenüber den Schaltgetriebeachsen (X5, X6) nach unten versetzt angeordnet ist.