DE102011088907B4

DE102011088907B4 - Hybridantrieb für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011088907B4
Application number: DE102011088907.8A
Authority: DE
Inventors: Eckhard KIRCHNER; Ralf Stopp
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2031-12-17
Also published as: DE102011088907A1

Abstract

Hybridantrieb für ein Fahrzeug mit zumindest einer antreibbaren Achse, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch betreibbarer erster Leistungspfad und ein elektrisch und verbrennungsmotorisch betreibbarer zweiter Leistungspfad vorgesehen sind, wobei die Achse über eine zwischengeschaltete Kupplung (1) durch den ersten Leistungspfad und/oder durch den zweiten Leistungspfad antreibbar ist und im ersten Leistungspfad eine erste elektrische Maschine (2) mit einem ersten Getriebe gekoppelt ist und im zweiten Leistungspfad ein Verbrennungsmotor (4) mit einem zweiten Getriebe gekoppelt und eine zweite elektrische Maschine (3) mit dem zweiten Getriebe gekoppelt oder koppelbar ist, wobei an der Kupplung (1) eine mit der antreibbaren Achse des Fahrzeugs in Antriebsverbindung stehende Abtriebswelle (5) mit einem Getriebeausgang (6) des ersten Getriebes und/oder mit einem Getriebeausgang (7) des zweiten Getriebes koppelbar ist, wobei erste elektrische Maschine (2), erstes Getriebe, Kupplung (1) und Abtriebwelle (5) koaxial zur antreibbaren Achse des Fahrzeugs angeordnet sind

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug mit zumindest einer antreibbaren Achse. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs für ein Fahrzeug.
Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen besteht das Problem der mangelnden Reichweite aufgrund der begrenzten Speicherkapazität elektrischer Energiespeicher. Deshalb werden in Elektrofahrzeugen zusätzliche Aggregate zur Reichweitenverlängerung, sogenannte Range Extender, eingesetzt. Häufig eingesetzte Range Extender sind Verbrennungsmotoren, die einen Generator antreiben, der wiederum einen Akkumulator und Elektromotor versorgt. Nachteilig ist bei bekannten Hybridantrieben, wie z.B. bei dem in DE 199 17 665 A1 gezeigten Hybridantrieb, der komplexe Aufbau sowohl mechanisch und konstruktiv als auch in Hinblick auf die Regelungstechnik sowie die mangelnde Flexibilität und Effizienz im Betrieb.
Aus JP 2010-269 717 A ist eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug bekannt, bei der ein Verbrennungsmotor über eine Einrichtung zur Leistungsaufteilung mit einem Motor-Generator und einer Antriebswelle verbunden ist. Eine erste Kupplung dient zum Schalten der Antriebswelle in einen mit einem ersten Antriebsrad gekoppelten Zustand und zum Schalten der Antriebswelle in einen mit einem zweiten Antriebsrad gekoppelten Zustand. Eine zweite und eine dritte Kupplung sind vorgesehen, um den Leistungsausgang eines zweiten Motor-Generators zwischen der Antriebswelle und dem zweiten Antriebsrad zu schalten.
Eine Hybrid-Antriebseinheit und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Antriebseinheit sind aus WO 2010/063735 A2 bekannt. Dort sind eine elektrische Arbeitsmaschine, eine verbrennungsmotorische Arbeitsmaschine und eine schaltbare Kupplungs-und Getriebebaugruppe vorgesehen, wobei die elektrische und die verbrennungsmotorische Antriebsleistung in einem ersten und in einem zweiten Gang in das gleiche Eingangsglied der Getriebebaugruppe eingeleitet wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Hybridantrieb der vorgenannten Art den Aufbau zu vereinfachen und Flexibilität sowie Effizienz im Betrieb zu erhöhen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst.
Es wird ein Hybridantrieb für ein Fahrzeug vorgeschlagen, bei dem ein elektrisch betreibbarer erster Leistungspfad und ein elektrisch und verbrennungsmotorisch betreibbarer zweiter Leistungspfad vorgesehen sind. Hierbei ist eine antreibbare Achse des Fahrzeugs über eine zwischengeschaltete Kupplung entweder durch den ersten oder durch den zweiten Leistungspfad oder durch beide zusammen antreibbar. Auf diese Weise ist ein rein elektrischer Antrieb der Achse sowohl durch den ersten Leistungspfad als auch durch den zweiten Leistungspfad möglich, wobei erster und zweiter Leistungspfad gleichzeitig oder unabhängig voneinander elektrisch werden können. Im zweiten Leistungspfad ist sowohl eine rein verbrennungsmotorische Betriebsweise als auch ein hybrider Betriebsmodus möglich. Hierdurch können Leistungsdefizite eines verbrennungsmotorischen Antriebs bzw. eines elektrischen Antriebs ausgeglichen und uneffiziente Betriebszustände vermieden werden. Somit wird ein einfach aufgebauter Hybridantrieb vorgeschlagen, der im Betrieb sehr flexibel ist und eine große Effizienz erreicht.
Im ersten Leistungspfad ist eine erste elektrische Maschine mit einem ersten Getriebe gekoppelt. Dabei ist im zweiten Leistungspfad ein Verbrennungsmotor mit einem zweiten Getriebe gekoppelt, wobei eine zweite elektrische Maschine mit dem zweiten Getriebe gekoppelt oder koppelbar ist. Hierbei ist eine mit der antreibbaren Achse des Fahrzeugs in Antriebsverbindung stehende Abtriebswelle eines Abtriebs an der Kupplung mit einem Getriebeausgang des ersten Getriebes und mit einem Getriebeausgang des zweiten Getriebes koppelbar. Auf diese Weise ist eine Achse des Fahrzeugs durch zwei elektrische Maschinen unabhängig voneinander antreibbar. Außerdem ist im zweiten Leistungspfad ein Verbrennungsmotor zuschaltbar. Da in beiden Leistungspfaden jeweils ein Getriebe vorgesehen ist, kann jeweils das Getriebe in Bauweise und Auslegung an das Leistungs- und Betriebsverhalten der elektrischen Maschinen bzw. des Verbrennungsmotors angepasst werden. Weiterhin ist es möglich, je nach Anordnungs- und Einbausituation die Getriebe drehrichtungserhaltend oder drehrichtungsändernd auszuführen.
Erste elektrische Maschine, erstes Getriebe, Kupplung und Abtriebwelle sind koaxial zur antreibbaren Achse des Fahrzeugs angeordnet.
Der vorgeschlagene Hybridantrieb ist neben dem Einsatz in Kraftfahrzeugen auch in Schienen- oder Wasserfahrzeugen und auch in Land- oder Baumaschinen, und zum Antrieb von Nebenaggregaten in Fahrzeugen, insbesondere in Luftfahrzeugen einsetzbar. Statt dem Verbrennungsmotor oder zusätzlich zu diesem kann auch eine Brennstoffzelle als Range Extender vorgesehen sein.
Eine schaltbare Kupplung weist eine kompakte Synchroneinheit mit zwei formschlüssig synchronisierbaren Schaltelementen auf, die unabhängig voneinander aus einer Neutralstellung heraus hin- und herverschiebbar sind. So sind beide Leistungspfade auf einfache Weise sowohl unabhängig voneinander als auch gleichzeitig schaltbar.
Hierbei ist an der Synchroneinheit in einer ersten Kupplungsstellung das erste Schaltelement aus der Neutralstellung heraus verschiebbar und die Abtriebswelle mit dem Getriebeausgang des ersten Getriebes formschlüssig synchronisierbar. Zugleich ist das zweite Schaltelement in der Neutralstellung haltbar oder in diese verschiebbar. Weiterhin ist in einer zweiten Kupplungsstellung das zweite Schaltelement aus der Neutralstellung heraus verschiebbar und die Abtriebswelle mit dem Getriebeausgang des zweiten Getriebes formschlüssig synchronisierbar. Dabei ist das erste Schaltelement in der Neutralstellung haltbar oder in diese verschiebbar. Ferner sind in einer dritten Kupplungsstellung erstes und zweites Schaltelement aus der Neutralstellung heraus zugleich verschiebbar und die Abtriebswelle mit dem Getriebeausgang des ersten Getriebes und mit dem Getriebeausgang des zweiten Getriebes formschlüssig synchronisierbar. Zudem ist in der Neutralstellung die antreibbare Achse des Fahrzeugs an der Kupplung vom ersten und vom zweiten Leistungspfad abkoppelbar und so in einen Leerlauf überführbar.
Zum Synchronisieren des Getriebeausgangs des ersten Getriebes mit der Abtriebswelle kann ein erster Synchronkörper und zum Synchronisieren des Getriebeausgangs des zweiten Getriebes mit der Abtriebswelle ein zweiter Synchronkörper jeweils der Abtriebswelle zugeordnet sein. Hierbei sind in der Neutralstellung der Synchroneinheit das erste Schaltelement mit dem ersten Synchronkörper und das zweite Schaltelement mit dem zweiten Synchronkörper drehfest verbunden.
Vorzugsweise sind die Synchronkörper über einen gemeinsamen Synchronkörperträger mit der Abtriebswelle drehfest verbunden.
Das erste Getriebe ist vorzugsweise in einer kompakten, wenig Bauraum beanspruchenden Bauweise als zweistufiges Planetenradgetriebe ausgeführt. Hierbei treibt der Rotor der ersten elektrischen Maschine das Sonnenrad der ersten Stufe an, wobei das Hohlrad der ersten Stufe an ein Gehäuse gekoppelt ist und der Planetenradträger der ersten Stufe über eine Zwischenwelle das Sonnenrad der zweiten Stufe antreibt, das Hohlrad der zweiten Stufe ebenfalls an ein Gehäuse gekoppelt ist und der Planetenradträger der zweiten Stufe mit dem Getriebeausgang verbunden ist. Alternativ ist es möglich, das erste Getriebe als einstufiges Planetenradgetriebe oder als räumlich stehende Stirnradkette auszuführen. Das zweite Getriebe ist bevorzugt als mehrstufiges, drehrichtungserhaltendes Stirnradgetriebe mit fester Übersetzung ausgeführt, über das der Verbrennungsmotor und die zweite elektrische Maschine mit einer Welle am Getriebeausgang verbunden sind. Alternativ kann das zweite Getriebe einstufig, als schaltbares Getriebe, als variables Getriebe jeglicher Bauart oder auch als starr übersetzender Kettentrieb ausgeführt sein.
Eine besonders kompakte, bauraumsparende Anordnung wird erreicht, wenn erste elektrische Maschine, erstes Getriebe, Synchroneinheit und Abtriebswelle koaxial angeordnet sind.
Dabei können die zweite elektrische Maschine, der Verbrennungsmotor und die Getriebestufen des zweiten Getriebes achsenparallel zur Abtriebswelle angeordnet sein.
Es ist von Vorteil, wenn hierbei der Getriebeausgang des zweiten Getriebes als äußere Hohlwelle koaxial zur Abtriebswelle ausgebildet ist.
Der Hybridantrieb ist bevorzugt zum Antrieb einer antreibbaren Achse in einem Kraftfahrzeug einsetzbar. Dabei ist die Abtriebswelle des Hybridantriebs mit dem Differenzialgehäuse eines Differenzialgetriebes verbunden, über das die Antriebsachse des Kraftfahrzeugs von der Antriebswelle antreibbar ist.
Das Differenzialgetriebe kann besonders kompakt als ein Stirnraddifferenzial in Planetenbauweise mit zwei Sätzen Planetenräder ausgeführt werden, die von einem gemeinsamen Planetenradträger getragen werden. Dieser bildet zugleich das Differenzialgehäuse, über das eine Antriebsleistung in das Differenzialgetriebe von der Abtriebswelle übertragbar ist. Hierbei kämmt ein Planetenrad des einen Satzes jeweils mit einem Planetenrad des anderen Satzes und jeder Satz Planetenräder mit einem Sonnenrad, wobei jedes der Sonnenräder jeweils mit einer Achswelle verbunden ist und über jede Achswelle ein Rad antreibbar ist. Der Planetenradträger ist bevorzugt in Leichtbauweise in Blech ausgeführt und besteht aus zwei Gehäuseteilen, die alternativ auch einteilig ausgeführt werden können.
Vorzugsweise sind eine mit dem Rotor der ersten elektrischen Maschine verbundene Rotorwelle, die Zwischenwelle und die Getriebeausgangswelle des ersten Getriebes sowie die Abtriebswelle jeweils als Hohlwelle ausgeführt und koaxial zu einer Achswelle der antreibbaren Achse des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Dabei können die Hohlwelle des Getriebeausgangs des ersten Getriebes einerseits und die Abtriebswelle sowie die Hohlwelle des Getriebeausgangs des zweiten Getriebes andererseits koaxial gegenüberliegend angeordnet werden.
Eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, zwischen Kupplung und Differenzialgetriebe ein drittes Getriebe zwischenzuschalten. Weiterhin kann hierbei das dritte Getriebe schaltbar, insbesondere lastschaltbar, ausgeführt sein. Bevorzugt sind dabei erstes und zweites Getriebe jeweils einstufig ausgebildet.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines vorangehend beschriebenen Hybridantriebs in einem Fahrzeug vorgeschlagen, bei dem eine antreibbare Achse des Fahrzeugs in einem ersten Betriebsmodus durch den ersten Leistungspfad elektrisch und in einer zweiten Betriebsmodus durch den zweiten Leistungspfad elektrisch und/oder verbrennungsmotorisch sowie in einem dritten Betriebsmodus durch den ersten Leistungspfad elektrisch und durch den zweiten Leistungspfad elektrisch und/oder verbrennungsmotorisch betrieben wird. In einem neutralen Betriebsmodus können antreibbare Achse des Fahrzeugs sowie erster und zweiter Leistungspfad im Leerlauf betrieben werden.
Bevorzugt wird dabei die antreibbare Achse des Fahrzeugs an einer zwischengeschalteten Kupplung im ersten Betriebsmodus mit dem ersten Leistungspfad gekoppelt wird, während der zweite Leistungspfad in einem von der antreibbaren Achse des Fahrzeugs abgekoppeltem Zustand gehalten oder in diesen überführt wird. Weiterhin wird im zweiten Betriebsmodus die antreibbare Achse des Fahrzeugs mit dem zweiten Leistungspfad gekoppelt, während der erste Leistungspfad in von der antreibbaren Achse des Fahrzeugs abgekoppeltem Zustand gehalten oder in diesen überführt wird. Ferner wird im dritten Betriebsmodus die antreibbare Achse des Fahrzeugs mit dem ersten und zweiten Leistungspfad gekoppelt. Des Weiteren wird im neutralen Betriebsmodus die antreibbare Achse des Fahrzeugs vom ersten und zweiten Leistungspfad abgekoppelt.
Hierbei kann im ersten Betriebsmodus im ersten Leistungspfad durch eine erste elektrische Maschine die Achse des Fahrzeugs angetrieben, insbesondere an der Achse des Fahrzeugs elektrisch gefahren oder diese generatorisch betrieben werden, insbesondere an der antreibbaren Achse des Fahrzeugs rekuperativ gebremst werden. Dabei kann unabhängig vom ersten Leistungspfad im zweiten Leistungspfad eine zweite elektrische Maschine mit Hilfe eines Verbrennungsmotors generatorisch betrieben oder der Verbrennungsmotor durch die zweite elektrische Maschine getrieben gestartet werden.
Im zweiten Betriebsmodus ist es möglich, im zweiten Leistungspfad durch die zweite elektrischen Maschine und/oder durch den Verbrennungsmotor die Achse des Fahrzeugs anzutreiben, insbesondere an der Achse des Fahrzeugs elektrisch und/oder verbrennungsmotorisch zu fahren, oder die zweite elektrische Maschine generatorisch zu betreiben, insbesondere an dieser rekuperativ zu bremsen.
Des Weiteren kann im dritten Betriebsmodus im ersten Leistungspfad an der ersten elektrischen Maschine die Achse des Fahrzeugs angetrieben, insbesondere an der Achse des Fahrzeugs elektrisch gefahren, oder die erste elektrische Maschine generatorisch betrieben, insbesondere an dieser rekuperativ gebremst werden. Dabei kann unabhängig vom ersten Leistungspfad im zweiten Leistungspfad am Verbrennungsmotor und/oder an der zweiten elektrischen Maschine die Achse des Fahrzeugs angetrieben, insbesondere an der Achse des Fahrzeugs elektrisch und/oder verbrennungsmotorisch gefahren oder die zweite elektrische Maschine generatorisch betrieben, insbesondere an dieser rekuperativ gebremst werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen: 1.2

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hybridantriebs in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt sehr schematisch einen erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug. Der Hybridantrieb weist einen ersten Leistungspfad mit einer ersten elektrischen Maschine 2 und einem ersten Getriebe sowie einen zweiten Leistungspfad mit einem Verbrennungsmotor 4, einem mit einer zweiten elektrischen Maschine 3 ausgestatteten sogenannten Hybridkopf sowie ein zweites Getriebe auf. Eine Abtriebswelle 5 ist an einer zwischengeschalteten Kupplung 1 über einen Getriebeausgang 6 des ersten Getriebes mit dem ersten Leistungspfad und/oder über einen Getriebeausgang 7 des zweiten Getriebes mit dem zweiten Leistungspfad koppelbar. Die Abtriebswelle 5 ist über ein Differenzialgetriebe 16 mit einer antreibbaren Achse des Kraftfahrzeugs verbunden, die ihrerseits an zwei Achswellen 17, 18 die Räder antreibt.
Die erste elektrische Maschine 2 ist als schnelllaufender elektrischer Achsmotor ausgeführt und mit dem als zweistufiges Planetenradgetriebe ausgebildeten ersten Getriebe verbunden. Der Rotor 13 der ersten elektrischen Maschine 2 treibt über eine Rotorwelle das Sonnenrad der ersten Stufe des Planetenradgetriebes an, während das Hohlrad der ersten Stufe an ein angedeutetes Gehäuse gekoppelt ist. Der Planetenradträger der ersten Stufe treibt über eine Zwischenwelle 14 das Sonnenrad der zweiten Stufe an. Das Hohlrad der zweiten Stufe ist ebenfalls an ein angedeutetes Gehäuse gekoppelt, wobei der Planetenradträger der zweiten Stufe mit dem Getriebeausgang 6 des ersten Getriebes verbunden ist. Dabei sind Rotorwelle, Zwischenwelle 14 und Getriebeausgang 6 jeweils als Hohlwelle ausgebildet.
Das zweite Getriebe ist als zweistufige Stirnradkette ausgeführt. Über diese ist eine Antriebsleistung von der zweiten elektrischen Maschine 3 am Hybridkopf und dem Verbrennungsmotor 4 auf eine Ausgangswelle am Getriebeausgang 7 übertragbar. Hierbei ist ein Antriebsritzel 15 von der zweiten elektrischen Maschine 3 am Hybridkopf und dem Verbrennungsmotor 4 antreibbar. Das Antriebsritzel 15 ist über eine Zwischenstufe mit der Ausgangswelle am Getriebeausgang 7 verbunden. Das Antriebsritzel 15 kann in einer Steckverzahnung am Hybridkopf aufgenommen sein. Am Hybridkopf ist die zweite elektrische Maschine 3 über eine nicht dargestellte Kupplung oder direkt als Starter-Generator mit der nicht dargstellt Antriebswelle des Verbrennungsmotors 4 verbunden, die das Antriebsritzel 15 antreibt. Über einen nicht dargestellten am Hybridkopf vorgesehenen Umrichter kann generatorisch an der zweiten elektrischen Maschine 3 gewonnene elektrische Leistung in das Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist und in einem nicht dargestellten elektrischen Energiespeicher gespeichert werden. Es ist möglich, am Hybridkopf zur Dämpfung von im Antriebsstrang auftretenden Schwingungen einen nicht dargestellten Dämpfer, beispielsweise ein Fliehkraftpendel oder ein Zweimassenschwungrad, vorzusehen.
Die schaltbare Kupplung 1 ist als eine Synchroneinheit ausgeführt, die zwei unabhängig voneinander aus einer Neutralstellung heraus hin- und herverschiebbare formschlüssig synchronisierbare Schaltelemente 8, 9, beispielsweise Schaltmuffen, aufweist. Die Schaltelemente 8, 9 sind über eine nicht dargestellte Aktuatorik sowohl unabhängig voneinander als auch gleichzeitig schaltbar. Zum Synchronisieren des Getriebeausgangs 6 des ersten Getriebes mit der Abtriebswelle 5 ist ein erster Synchronkörper 10 und zum Synchronisieren des Getriebeausgangs 7 des zweiten Getriebes mit der Abtriebswelle 5 ist ein zweiter Synchronkörper 11 vorgesehen. Erster und zweiter Synchronkörper 10, 11 sind über einen gemeinsamen Synchronkörperträger 12 mit der Abtriebswelle 5 drehfest verbunden. In der dargestellten Neutralstellung ist das erste Schaltelement 8 mit dem ersten Synchronkörper 10 und das zweite Schaltelement 9 mit dem zweiten Synchronkörper 11 drehfest verbunden. In diesem Betriebszustand befindet sich die Abtriebswelle 5 im Leerlauf. Mit dem Getriebeausgang 6 des ersten Getriebes ist ein erster Kupplungskörper 19 und mit dem Getriebeausgang 5 des zweiten Getriebes ein zweiter Kupplungskörper 20 drehfest verbunden.
An der Synchroneinheit wird in einer ersten Kupplungsstellung das erste Schaltelement 8 aus der Neutralstellung heraus in der Bildebene nach links verschoben und dabei die Abtriebswelle 5 mit dem Getriebeausgang 6 des ersten Getriebes synchronisiert und mit dem Kupplungskörper 19 am Getriebeausgang 6 des ersten Getriebes formschlüssig gekoppelt. Dadurch stehen die erste elektrische Maschine 2 über das Planetenradgetriebe und die Synchroneinheit mit der Abtriebswelle 5 in Verbindung. Zugleich verbleibt das zweite Schaltelement 9 in der Neutralstellung oder wird in diese verschoben, wodurch der zweite Leistungspfad von der Abtriebswelle 5 abgekoppelt ist.
In einer zweiten Kupplungsstellung wird das zweite Schaltelement 9 aus der Neutralstellung heraus in der Bildebene nach rechts verschoben und dabei die Abtriebswelle 5 mit dem Getriebeausgang 7 des zweiten Getriebes synchronisiert und mit dem zweiten Kupplungskörper 20 am Getriebeausgang 7 des zweiten Getriebes formschlüssig gekoppelt. Hierdurch stehen die zweite elektrische Maschine 3 und/oder der Verbrennungsmotor 4 über das zweite Getriebe und die Synchroneinheit mit der Abtriebswelle 5 in Verbindung. Zugleich verbleibt das erste Schaltelement 8 in der Neutralstellung oder wird in diese verschoben, wodurch der erste Leistungspfad von der Abtriebswelle 5 abgekoppelt ist.
In einer dritten Kupplungsstellung werden zugleich erstes und zweites Schaltelement 8, 9 aus der Neutralstellung heraus in der Bildebene nach links bzw. rechts verschoben, wodurch die Abtriebswelle 5 mit dem Getriebeausgang 6 des ersten Getriebes und mit dem Getriebeausgang 7 des zweiten Getriebes formschlüssig synchronisiert wird. Auf diese Weise stehen zugleich erste elektrische Maschine 2 und zweite elektrische Maschine 3 und Verbrennungsmotor 4 mit der Abtriebswelle 5 in Verbindung.
Die Abtriebswelle 5 ist mit dem Differenzialgehäuse des Differenzialgetriebes 16 verbunden. Das Differenzialgetriebe 16 ist als Stirnraddifferenzial in Planetenbauweise ausgeführt. Das Stirnraddifferenzial weist zwei Abtriebs-Sonnenräder auf, die jeweils, beispielsweise an einer Nabe über eine Keilverzahnung mit einer als Steckwelle ausgeführten Achswelle 17, 18, drehfest verbunden sind. Über die Achswellen 17, 18 ist jeweils ein Rad eines Fahrzeugs antreibbar. Jedes der Sonnenräder steht jeweils mit einem Satz Planetenräder in Eingriff. Hierbei kämmt ein Planetenrad des einen Satzes jeweils mit einem Planetenrad des anderen Satzes. Die beiden Planetenradsätze werden von einem gemeinsamen Planetenradträger getragen, der zugleich das Differenzialgehäuse bildet und radial außen mit der Abtriebswelle 5 verbunden ist, über die eine Antriebsleistung in das Differenzialgetriebe 16 übertragbar ist. Der Planetenradträger bzw. das Differenzialgehäuse besteht aus zwei miteinander verbundenen Gehäuseteilen, die jeweils in Leichtbauweise als Blechscheiben ausgeführt sind.
Rotor und Stator der ersten elektrischen Maschine, das Planetenradgetriebe am ersten Getriebe mit dem Getriebeausgang 6, die Synchroneinheit, der Getriebeausgang 7 des zweiten Getriebes und die Abtriebswelle 5 sind koaxial zu einer Achswelle 17 der antreibbaren Achse des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Rotorwelle der ersten elektrischen Maschine 2, die Zwischenwelle 14 und der Getriebeausgang 6 des ersten Getriebes, der Getriebeausgang 7 des zweiten Getriebes und die Abtriebswelle 5 sind jeweils als Hohlwelle ausgebildet. Dabei ist die Abtriebswelle 5 als mittlere Hohlwelle, zwischen Achswelle 17 und Getriebeausgangs 7 des zweiten Getriebes ausgeführt, wobei der Getriebeausgangs 7 die die äußere Hohlwelle bildet. Dabei sind die Hohlwelle des Getriebeausgangs 6 des ersten Getriebes einerseits und die Abtriebswelle 5 sowie die Hohlwelle des Getriebeausgangs 7 des zweiten Getriebes andererseits koaxial gegenüberliegend angeordnet werden.
Die zweite elektrische Maschine 3 des Hybridkopfs kann zum Starten des Verbrennungsmotors 4 genutzt werden. Wird die zweite elektrische Maschine 3nicht für den Fahrbetrieb genutzt kann diese für einen emissions- und komfortoptimierten Start des Verbrennungsmotors 4 ausgelegt werden. Wird die zweite elektrische Maschine 3 zugleich zum elektrischen Fahren genutzt, ist sie vorzugsweise durch eine nicht dargestellte Reibungskupplung am Hybridkopf mit der Antriebswelle des Verbrennungsmotors 4 gekoppelt.
Durch den vorbeschriebenen Hybridantrieb lassen sich insbesondere die im Folgenden beschriebenen Betriebsmodi realisieren. Zum Starten des Verbrennungsmotors 4 während eines elektrischen Fahrbetriebs, wird die Reibungskupplung des Hybridkopfes geschlossen, um den Verbrennungsmotor 1 möglichst ohne Rückwirkung auf den Antriebsstrang anzuschleppen. Es ist auch ein schneller Impulsstart möglich. Zum Starten des Verbrennungsmotors 4 wird der zweite Leistungspfad an der Kupplung 1 bzw. Synchroneinheit von der Abtriebswelle 5 abgekoppelt. Hierzu wird an der Synchroneinheit in der ersten Kupplungsstellung der erste Leistungspfad mit der Abtriebswelle 5 verbunden, während der zweite Leistungspfad von der Abtriebswelle 5 abgekoppelt ist.
Ein Rekuperieren an der ersten elektrischen Maschine 2 ist während des Fahrbetriebs in der ersten Kupplungsstellung, bei der der erste Leistungspfad mit der Abtriebswelle 5 verbunden ist, oder in der dritten Kupplungsstellung, bei der der erste und der zweite Leistungspfad mit der Abtriebswelle 5 verbunden sind, möglich. Die erste elektrische Maschine 2, hier der elektrische Achsmotor, kann dabei zum regenerativen Bremsen genutzt werden. Aber auch die „Simulation einer Schubabschaltung“ ist möglich, um bei Bergabfahrt bei gleichbleibender Fahrzeuggeschwindigkeit durch Teillastanhebung des Verbrennungsmotors 4 eine rasche Nachladung zu unterstützen. Unabhängig hiervon ist an der zweiten elektrischen Maschine 3 während des Fahrbetriebs ein Generatorbetrieb möglich. Dieser ist an der zweiten elektrischen Maschine 3 auch im Stillstand des Fahrzeugs möglich, wenn an der Synchroneinheit in der Neutralstellung oder der ersten Kupplungsstellung der zweite Leistungspfad von der Abtriebswelle 5 abgekoppelt ist.
Ein rein verbrennungsmotorisches Fahren ist in der zweiten Kupplungsstellung der Synchroneinheit möglich, bei der der zweite Leistungspfad mit der Antriebswelle 5 verbunden und der erste Leistungspfad von dieser abgekoppelt ist. Für mittlere Geschwindigkeiten (ab etwa 50 km/h) bis zu höheren Geschwindigkeiten (maximal 200 km/h) ist dies sinnvoll. Zur Kennfeldoptimierung kann die zweite elektrische Maschine 3 am Hybridkopf zusätzlich generatorisch betrieben werden, um durch Lastpunktverschiebung einen besseren Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 4 zu erzielen. Alternativ ist es möglich, in der dritten oder zweiten Kupplungsstellung der Synchroneinheit durch elektrisches Boosten an der zweiten elektrischen Maschine 3 und/oder an der ersten elektrischen Maschine 2 eine Spitzenlast des Verbrennungsmotors 4 zu vermeiden, um einen idealen Systemwirkungsgrad zu erreichen.
Zur Lastpunktanhebung, wie bereits oben beschrieben, können beide elektrischen Maschinen 2, 3 auch gleichzeitig generatorisch betrieben werden.
Es ist auch möglich, zur Ausfüllung eines Leistungsdefizits des Verbrennungsmotors 4 oder in einem verbrennungsmotorisch nicht sinnvollen Betriebszustand, eine oder beide elektrischen Maschinen 2, 3 zur Verbesserung des Beschleunigungsvermögens des Fahrzeugs zu nutzen. Durch Boost-Betrieb beider elektrischer Maschinen 2, 3 kann, je nach Ladezustand des elektrischen Energiespeichers, eine hohe Systemleistung kurzfristig abgerufen werden.
Im niedrigen Geschwindigkeitsbereich wird wegen der Beschränkung auf eine ein- oder zweigängige Übersetzung im ersten Getriebe zwischen Verbrennungsmotor 4 und Abtriebswelle 5 in der Regel auf ein verbrennungsmotorisches Fahren verzichtet. Stattdessen ist ein elektrisches Fahren mit beiden elektrischen Maschinen 2, 3 in der dritten Kupplungsstellung der Synchroneinheit möglich. Die maximale Systemleistung kann erst dann abgerufen und sinnvoll übertragen werden, wenn bei abfallender Drehzahl ein ruhiger Verbrennungsmotorbetrieb und ein Abfall der Zugkraft in der Zugkrafthyperbel unter die Rutschgrenze erreicht ist.
Im mittleren Geschwindigkeitsbereich wird zum Beschleunigen im hybriden Betriebsmodus gefahren. Ein hybrides Fahren ist in der zweiten oder dritten Kupplungsstellung der Synchroneinheit möglich. Unter stationären Bedingungen kann dabei unter Beachtung des Ladezustands des Energiespeichers bei guten Wirkungsgraden auch rein elektrisch gefahren werden.
Im höheren Geschwindigkeitsbereich verbietet sich aufgrund des schlechten Wirkungsgrades und der begrenzten Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers ein rein elektrischer Fahrbetrieb. Deshalb wird in der Regel mit starrer mechanischer Verbindung gefahren. Zusätzlich kann eine oder beide elektrische/n Maschine/n 2, 3 im Boost-Betrieb, beispielsweise zum schnellen Beschleunigen, genutzt werden.
2 zeigt sehr schematisch in einem Blockschaltbild ein zweites Ausführungsbeispiel als Variante des Hybridantriebs aus 1. Gegenüber dem Konzept aus 1 ist hier zwischen der Kupplung 1 und Differenzialgetriebe 16, über das die Räder 21 des Kraftfahrzeugs antreibbar sind, ein mehrstufiges drittes Getriebe 22 zwischengeschaltet. Dabei weist die Kupplung 1 eine erste Synchroneinheit zum formschlüssigen koppeln von einem ersten Getriebe 23 und bevorzugt als Achsmotor ausgeführte erste elektrische Maschine 2 sowie eine zweite Synchroneinheit zum formschlüssigen Koppeln eines zweiten Getriebes 24, zur Anbindung des Verbrennungsmotors 4 und des Hybridkopfs bzw. der zweiten elektrischen Maschine 3 auf. Erstes und zweites Getriebe 23, 24 sind bei dieser Variante jeweils einstufig ausgeführt. Hierbei kann das erste Getriebe 23 beispielsweise als einstufiges Planetenradgetriebe und das zweite Getriebe als einfacher Stirnrad-Kettentrieb ausgeführt sein. Weiterhin kann das dritte Getriebe 22 auch schaltbar, insbesondere lastschaltbar, ausgebildet sein. Außerdem ist es möglich, das dritte Getriebe 22 als kompaktes, bauraumsparendes und geräuscharmes mehrstufiges Planetenradgetriebe auszuführen. Die Kupplung und das ggf. schaltbare dritte Getriebe 22 werden über eine Aktuatorik 25 betätigt.
Bezugszeichenliste

1: Kupplung
2: Elektrische Maschine
3: Elektrische Maschine
4: Verbrennungsmotor
5: Abtriebswelle
6: Getriebeausgang
7: Getriebeausgang
8: Schaltelement
9: Schaltelement
10: Synchronkörper
11: Synchronkörper
12: Synchronkörperträger
13: Rotor
14: Zwischenwelle
15: Antriebsritzel
16: Differenzialgetriebe
17: Achswelle
18: Achswelle
19: Kupplungskörper
20: Kupplungskörper
21: Räder
22: Getriebe
23: Getriebe
24: Getriebe
25: Aktuatorik

Claims

Hybridantrieb für ein Fahrzeug mit zumindest einer antreibbaren Achse, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch betreibbarer erster Leistungspfad und ein elektrisch und verbrennungsmotorisch betreibbarer zweiter Leistungspfad vorgesehen sind, wobei die Achse über eine zwischengeschaltete Kupplung (1) durch den ersten Leistungspfad und/oder durch den zweiten Leistungspfad antreibbar ist und im ersten Leistungspfad eine erste elektrische Maschine (2) mit einem ersten Getriebe gekoppelt ist und im zweiten Leistungspfad ein Verbrennungsmotor (4) mit einem zweiten Getriebe gekoppelt und eine zweite elektrische Maschine (3) mit dem zweiten Getriebe gekoppelt oder koppelbar ist, wobei an der Kupplung (1) eine mit der antreibbaren Achse des Fahrzeugs in Antriebsverbindung stehende Abtriebswelle (5) mit einem Getriebeausgang (6) des ersten Getriebes und/oder mit einem Getriebeausgang (7) des zweiten Getriebes koppelbar ist, wobei erste elektrische Maschine (2), erstes Getriebe, Kupplung (1) und Abtriebwelle (5) koaxial zur antreibbaren Achse des Fahrzeugs angeordnet sind
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (1) als eine Synchroneinheit mit zwei unabhängig voneinander aus einer Neutralstellung heraus hin- und herverschiebbaren Schaltelementen (8, 9) ausgeführt ist, die in der Neutralstellung mit einer Abtriebswelle (5) des Abtriebs drehfest verbunden sind, wobei an der Synchroneinheit - in einer ersten Kupplungsstellung ein erstes Schaltelement (8) aus der Neutralstellung heraus verschiebbar und dabei die Abtriebswelle (5) mit dem Getriebeausgang (6) des ersten Getriebes formschlüssig synchronisierbar ist, während ein zweites Schaltelement (9) in der Neutralstellung haltbar oder in diese verschiebbar ist, sowie - in einer zweiten Kupplungsstellung das zweite Schaltelement (9) aus der Neutralstellung heraus verschiebbar und dabei die Abtriebswelle (5) mit dem Getriebeausgang (7) des zweiten Getriebes formschlüssig synchronisierbar ist, während das erste Schaltelement (8) in der Neutralstellung haltbar oder in diese verschiebbar ist, sowie - in einer dritten Kupplungsstellung erstes und zweites Schaltelement (8, 9) zugleich aus der Neutralstellung heraus verschiebbar sind und dabei die Abtriebswelle (5) mit dem Getriebeausgang (6) des ersten Getriebes und mit dem Getriebeausgang (7) des zweiten Getriebes formschlüssig synchronisierbar ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebswelle (5) zum Synchronisieren mit dem Getriebeausgang (6) des ersten Getriebes ein erster Synchronkörper (10) und zum Synchronisieren mit dem Getriebeausgang (7) des zweiten Getriebes ein zweiter Synchronkörper (11) zugeordnet ist, wobei in der Neutralstellung das erste Schaltelement (8) mit dem ersten Synchronkörper (10) und das zweite Schaltelement (9) mit dem zweiten Synchronkörper (11) drehfest verbunden ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Getriebe als zweistufiges Planetenradgetriebe ausgeführt ist, wobei ein Rotor (13) der ersten elektrischen Maschine ein Sonnenrad einer ersten Stufe des Planetenradgetriebes antreibt, ein Hohlrad der ersten Stufe an ein Gehäuse gekoppelt ist, ein Planetenradträger der ersten Stufe über eine Zwischenwelle (14) ein Sonnenrad einer zweiten Stufe antreibt, ein Hohlrad der zweiten Stufe ebenfalls an ein Gehäuse gekoppelt ist und ein Planetenradträger der zweiten Stufe mit dem Getriebeausgang (6) verbunden ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebeausgang (7) des zweiten Getriebes als äußere Hohlwelle koaxial zur Abtriebswelle (5) angeordnet ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (5) mit dem Differenzialgehäuse eines Differenzialgetriebes (16) in Verbindung steht, über das eine Achse des Fahrzeugs antreibbar ist und das mit zwei Achswellen (17, 18) der Achse verbunden ist, wobei über jede Achswelle (17, 18) ein Rad des Fahrzeugs antreibbar ist.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (13) der ersten elektrischen Maschine an einer Rotorwelle, die Zwischenwelle (14) und der Getriebeausgang (6) des ersten Getriebes, sowie die Abtriebswelle (5) jeweils als Hohlwelle ausgeführt und koaxial zu einer Achswelle (17, 18) der antreibbaren Achse des Fahrzeugs angeordnet sind.
Hybridantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle des Getriebeausgangs (6) des ersten Getriebes einerseits und die Abtriebswelle (5) sowie die Hohlwelle des Getriebeausgangs (7) des zweiten Getriebes andererseits koaxial gegenüberliegend angeordnet sind.
Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kupplung (1) und Differenzialgetriebe (16) ein drittes Getriebe (22) zwischengeschaltet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs für ein Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine antreibbare Achse des Fahrzeugs in einem ersten Betriebsmodus durch den ersten Leistungspfad elektrisch und in einem zweiten Betriebsmodus durch den zweiten Leistungspfad elektrisch und/oder verbrennungsmotorisch sowie in einem dritten Betriebsmodus durch den ersten Leistungspfad elektrisch und durch den zweiten Leistungspfad elektrisch und/oder verbrennungsmotorisch betrieben wird und in einem neutralen Betriebsmodus die antreibbare Achse des Fahrzeugs sowie der erste und zweite Leistungspfad im Leerlauf betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die antreibbare Achse des Fahrzeugs an einer zwischengeschalteten Kupplung (1) - im ersten Betriebsmodus mit dem ersten Leistungspfad gekoppelt wird, während der zweite Leistungspfad in einem von der antreibbaren Achse des Fahrzeugs abgekoppeltem Zustand gehalten oder in diesen überführt wird, und - im zweiten Betriebsmodus mit dem zweiten Leistungspfad gekoppelt wird, während der erste Leistungspfad in von der antreibbaren Achse des Fahrzeugs abgekoppeltem Zustand gehalten oder in diesen überführt wird, sowie - im dritten Betriebsmodus mit dem ersten Leistungspfad und dem zweiten Leistungspfad gekoppelt wird und - im neutralen Betriebsmodus vom ersten Leistungspfad und vom zweiten Leistungspfad abgekoppelt wird.