DE102011120514A1 - Hybridgetriebe mit drei Planetenradsätzen und drei Verbindungselementen und mit synchronem Schalten zwischen einem Reihen-Betriebsmodus und einem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung - Google Patents

Hybridgetriebe mit drei Planetenradsätzen und drei Verbindungselementen und mit synchronem Schalten zwischen einem Reihen-Betriebsmodus und einem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung Download PDF

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Norman K. Bucknor
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Abstract

Es ist ein Hybridgetriebe vorgesehen, das sowohl einen Hybrid-Reihen-Betriebsmodus als auch einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung aufweist. Das Getriebe umfasst ein Eingangselement, das funktional mit der Maschine verbunden ist, ein Ausgangselement und mehrere selektiv einrückbare Drehmomentübertragungsmechanismen. Es sind auch eine Zahnradanordnung und ein erster und zweiter Motor/Generator vorgesehen, die funktional mit der Zahnradanordnung verbunden sind. Die Zahnradanordnung umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Planetenradsatz, die jeweils ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweisen. Ein Paar Verbindungselemente verbindet zwei jeweilige der Elemente von einem der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation mit zwei jeweiligen der Elemente von einem anderen der Planetenradsätze. Ein anderes Verbindungselement verbindet ein drittes der Elemente von dem einen der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation mit einem der Elemente von einem nochmals anderen der Planetenradsätze.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe, das einen Reihen-Betriebsmodus sowie einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung aufweist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Hybridantriebsstränge für Fahrzeuge benutzen unter unterschiedlichen Fahrzeugbetriebsbedingungen unterschiedliche Leistungsquellen. Ein elektromechanischer Hybridantriebsstrang weist typischerweise eine Brennkraftmaschine, wie etwa eine Diesel- oder Benzinmaschine, und einen oder mehrere Motoren/Generatoren auf. Unterschiedliche Betriebsmodi, wie etwa ein Betriebsmodus nur mit Maschine, ein rein elektrischer Betriebsmodus und ein Hybridbetriebsmodus, werden hergestellt, indem Bremsen und/oder Kupplungen in unterschiedlichen Kombinationen eingerückt werden und die Maschine und die Motoren/Generatoren gesteuert werden. Die verschiedenen Betriebsmodi sind vorteilhaft, da sie dazu verwendet werden können, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. Jedoch können die zusätzlichen Bauteile, die für einen Hybridantriebsstrang erforderlich sind, wie etwa die Motoren/Generatoren, Bremsen und/oder Kupplungen, die Gesamtfahrzeugkosten und Bauraumanforderungen erhöhen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Hybridgetriebe vorgesehen, das sowohl einen Hybrid-Reihen-Betriebsmodus als auch einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung aufweist. Das Getriebe umfasst ein Eingangselement, das funktional mit der Maschine verbunden ist, ein Ausgangselement und mehrere selektiv einrückbare Drehmomentübertragungsmechanismen. Es sind auch eine Zahnradanordnung und ein erster und zweiter Motor/Generator vorgesehen, die funktional mit der Zahnradanordnung verbunden sind. Die Zahnradanordnung umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Planetenradsatz, die jeweils ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweisen. Ein Paar Verbindungselemente verbindet zwei jeweilige der Elemente von einem der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation mit zwei jeweiligen der Elemente von einem anderen der Planetenradsätze. Ein anderes Verbindungselement verbindet ein anderes der Elemente von dem einen der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation mit einem der Elemente von einem nochmals anderen der Planetenradsätze. Keines der Verbindungselemente verbindet Elemente von allen drei der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation. Ein erster Motor/Generator ist funktional mit dem ersten Planetenradsatz verbunden. Ein zweiter Motor/Generator ist funktional mit dem zweiten Planetenradsatz verbunden. Ein erster der Drehmomentübertragungsmechanismen wird eingerückt, um einen Hybrid-Reihen-Betriebsmodus zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement herzustellen. Ein zweiter der Drehmomentübertragungsmechanismen wird eingerückt, um einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement herzustellen.
  • Aufgrund der oben erwähnten Drehmomentübertragungsmechanismen und Verbindungselemente kann das Schalten zwischen dem Hybrid-Reihen-Betriebsmodus und dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung synchron ohne Schlupfen der Drehmomentübertragungsmechanismen erfolgen und kann auftreten, während die Maschine eingeschaltet ist. So wie es hierin verwendet wird, bedeutet ”synchron” ohne wesentlichen Schlupf irgendwelcher der eingerückten Drehmomentübertragungsmechanismen, so dass eine Ausrückung von einem oder mehreren Drehmomentübertragungsmechanismen und eine Einrückung von einem oder mehreren Drehmomentübertragungsmechanismen von dem Controller im Wesentlichen gleichzeitig befohlen werden kann. Eine Rückkopplung des Einrückungs- oder Ausrückungszustandes der Kupplungen während des Schaltens ist nicht wesentlich, wie in einer Situation mit gesteuertem Schlupf, wodurch der Kupplungssteueralgorithmus und das hydraulische Versorgungssystem vereinfacht werden.
  • Der Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann während hoher Fahrzeuggeschwindigkeiten verwendet werden, um elektrische Verluste, die zum Reihen-Betrieb gehören, insbesondere bei auf hoher Drehzahl befindlichen Motoren, zu minimieren. Weil der Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung die Planetenradsätze benutzt, können die Motoren mit einer relativ niedrigen Drehzahl arbeiten. Indem ein synchrones Schalten ermöglicht und Schlupf vermieden wird, kann jeder Modus leicht ausgewählt werden und Verluste sind minimiert. Das Schalten findet mit einem Getriebedrehmomentverhältnis statt, das einem Festgangpunkt entspricht, bei dem es möglich ist, das im Wesentlichen die gesamte Leistung von dem Eingangselement mechanisch auf das Ausgangselement übertragen werden kann, wenn beide Kupplungen in dem angelegten Zustand verbleiben und Motor/Generator-Leistung weggenommen wird, wobei keine wesentliche Leistung elektrisch übertragen wird.
  • Die obigen Merkmale und Vorteil und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Prinzipdiagrammdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs;
  • 2 ist ein Schaubild, das das Verhältnis von Motordrehzahl und -drehmoment zu Getriebeeingangsdrehzahl bzw. -drehmoment über Getriebedrehmomentverhältnis für den Antriebsstrang von 1 zeigt;
  • 3 ist eine schematische Prinzipdiagrammdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs;
  • 4 ist ein Schaubild, das das Verhältnis von Motordrehzahl und -drehmoment zu Getriebeeingangsdrehzahl bzw. -drehmoment über Getriebedrehmomentverhältnis für den Antriebsstrang von 3 zeigt;
  • 5 ist eine schematische Prinzipdiagrammdarstellung einer dritten Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs;
  • 6 ist ein Schaubild, das das Verhältnis von Motordrehzahl und -drehmoment zu Getriebeeingangsdrebzahl bzw. -drehmoment über Getriebedrehmomentverhältnis für den Antriebsstrang von 5 zeigt;
  • 7 ist eine schematische Prinzipdiagrammdarstellung einer vierten Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs;
  • 8 ist ein Schaubild, das das Verhältnis von Motordrehzahl und -drehmoment zu Getriebeeingangsdrehzahl bzw. -drehmoment über Getriebedrehmomentverhältnis für den Antriebsstrang von 7 zeigt;
  • 9 ist eine schematische Prinzipdiagrammdarstellung einer fünften Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs;
  • 10 ist ein Schaubild, das das Verhältnis von Motordrehzahl und -drehmoment zu Getriebeeingangsdrehzahl bzw. -drehmoment über Getriebedrehmomentverhältnis für den Antriebsstrang von 9 zeigt;
  • 11 ist eine schematische Prinzipdiagrammdarstellung einer sechsten Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs; und
  • 12 ist ein Schaubild, das das Verhältnis von Motordrehzahl und -drehmoment zu Getriebeeingangsdrehzahl bzw. -drehmoment über Getriebedrehmomentverhältnis für den Antriebsstrang von 11 zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 einen Hybridantriebsstrang 10, der eine Maschine 12 umfasst, die funktional mit einem Hybridgetriebe 14 verbunden ist. Ein Maschinenausgangselement, wie etwa eine Kurbelwelle, ist funktional zur Rotation mit einem Eingangselement 16 des Getriebes 14 verbunden. So wie es hierin verwendet wird, umfasst eine ”Maschine” jede Leistungsquelle, die verbunden ist, um Drehmoment an dem Eingangselement 16 zur Verfügung zu stellen, das nicht durch die elektrische Leistung, die in Batterie 60 gespeichert ist, beaufschlagt wird. Zum Beispiel umfasst eine Maschine eine Brennkraftmaschine, eine Dieselmaschine, eine Rotationsmaschine usw. Der Antriebsstrang 10 ist betreibbar, um Traktionsdrehmoment an dem Ausgangselement 17 des Getriebes 14 in sowohl einem Reihenhybrid-Betriebsmodus als auch einem Hybrid-Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung bereitzustellen, wie es nachstehend beschrieben wird.
  • Das Getriebe 14 weist drei Planetenradsätze 20, 30 und 40 auf, von denen jeder ein einfacher Planetenradsatz ist. Planetenradsatz 20 weist ein Sonnenradelement 22, ein Hohlradelement 24 und ein Trägerelement 26 auf. Planetenräder 27, die auf Trägerelement 26 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 24 als auch dem Sonnenradelement 22. Planetenradsatz 30 weist ein Sonnenradelement 32, ein Hohlradelement 34 und ein Trägerelement 36 auf. Planetenräder 37, die auf Trägerelement 36 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 34 als auch dem Sonnenradelement 32. Planetenradsatz 40 weist ein Sonnenradelement 42, ein Hohlradelement 44 und ein Trägerelement 46 auf. Planetenräder 47, die auf Trägerelement 46 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 44 als auch dem Sonnenradelement 42. Das Eingangselement 16 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Trägerelement 26 verbunden. Das Ausgangselement 17 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Trägerelement 46 verbunden.
  • Das Getriebe umfasst einen ersten Motor/Generator 50 und einen zweiten Motor/Generator 51. Der Motor/Generator 50 weist einen Rotor 52 auf, der zur gemeinsamen Rotation mit Sonnenradelement 22 verbunden ist, und einen Stator 54, der an einem feststehenden Element 80, wie etwa einem Getriebekasten, festgelegt ist. Der zweite Motor/Generator 51 weist einen Rotor 53 und einen Stator 55 auf. Der Stator 55 ist an dem feststehenden Element 80 festgelegt. Eine Energiespeichereinrichtung, wie etwa eine Batterie 60, ist durch Übertragungsleiter funktional mit den Statoren 54, 55 verbunden. Ein Controller 62 steuert eine elektrische Übertragung zwischen der Batterie 60 und den Statoren 54, 55 durch ein Stromumrichtermodul 64, das Gleichstrom, der durch die Batterie 60 geliefert wird, in Wechselstrom umwandelt, der für den Betrieb der Motoren/Generatoren 50, 51 erforderlich ist (und umgekehrt, wenn die Motoren/Generatoren 50, 51 als Generatoren betreibbar sind). Das Umrichtermodul 64 kann zwei separate Umrichter, einen für jeden Motor/Generator 50, 51, beherbergen.
  • Hohlradelement 24 und Trägerelement 36 sind ständig zur gemeinsamen Rotation mit einander durch ein erstes Verbindungselement 70 verbunden. Hohlradelement 34 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit Trägerelement 46 durch ein zweites Verbindungselement 72 verbunden. Sonnenradelemente 32, 42 sind zur gemeinsamen Rotation durch ein drittes Verbindungselement 74 verbunden. Eine Rotornabe von Rotor 53 ist ebenfalls zur gemeinsamen Rotation mit Verbindungselement 74 verbunden, so dass Sonnenradelemente 32 und 42 mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor 53 rotieren. Keines der Verbindungselemente 70, 72, 74 ist mit Elementen von allen dreien der Planetenradsätze 20, 30, 40 verbunden; d. h. die Verbindungselemente 70, 72, 74 verbindet jeweils nur zwei Elemente von zwei unterschiedlichen Planetenradsätzen. Darüber hinaus sind die Verbindungselemente 72 und 74 ein Paar Verbindungselemente, von denen jedes ein jeweiliges Element des Planetenradsatzes 30 mit einem jeweiligen Element des Planetenradsatzes 40 verbindet, so dass zwei unterschiedliche Elemente des Planetenradsatzes 30 zur gemeinsamen Rotation mit zwei unterschiedlichen Elementen des Planetenradsatzes 40 verbunden sind. So wie es hierin verwendet wird, ist Planetenradsatz 20 ein erster Planetenradsatz, Planetenradsatz 30 ist ein zweiter Planetenradsatz und Planetenradsatz 40 ist ein dritter Planetenradsatz. Trägerelement 26 ist ein erstes Element, Sonnenradelement 22 ist ein zweites Element und Hohlradelement 24 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 20. Trägerelement 36 ist ein erstes Element, Hohlradelement 34 ist ein zweites Element und Sonnenradelement 32 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 30. Trägerelement 46 ist ein erstes Element, Sonnenradelement 42 ist ein zweites Element und Hohlradelement 44 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 40.
  • Das Getriebe 14 enthält nur zwei Drehmomentübertragungsmechanismen. Eine Bremse 56 ist selektiv einrückbar, um das Trägerelement 36 und das Hohlradelement 24 an dem feststehenden Element 80 durch Festlegen des Verbindungselements 70 festzulegen. Kupplung 58 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenradelement 22 und Motor/Generator 50 zur gemeinsamen Rotation mit dem Hohlradelement 44 zu verbinden. Durch Steuern der Motoren/Generatoren 50, 51, der Kupplung 58 und der Bremse 56 sind mehrere unterschiedliche Betriebsmodi für den Vorwärtsvortrieb verfügbar. Die Motoren/Generatoren 50, 51 können auch Bremsenergie in einem regenerativen Bremsmodus auffangen und gesteuert werden, um die Maschine 12 entweder aus einem Kaltstart oder aus einem Stopp/Start (d. h. wenn sie temporär ausgeschaltet ist, während das Fahrzeug in einem anderen Modus betrieben wird) zu starten.
  • Ein Reihen-Betriebsmodus wird hergestellt, indem Bremse 56 eingerückt wird, Kupplung 58 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war), Motor/Generator 50 gesteuert wird, um als Generator zu fungieren, und Motor/Generator 51 gesteuert wird, um als Motor zu fungieren. Mit eingerückter Bremse 56 sind Trägerelement 36 und Hohlradelement 24 feststehend. Drehmoment von der Maschine 12 wird dem Rotor 52 mit einem Übersetzungsverhältnis zugeführt, das durch den Planetenradsatz 20 hergestellt wird. Das Drehmoment wird in elektrische Energie umgewandelt, die in der Batterie 60 gespeichert oder direkt zu dem Motor/Generator 51 über Umrichter 64 übertragen wird, um den Motor/Generator 51 mit Leistung zu beaufschlagen, um als Motor zu fungieren, wobei Drehmoment an dem Sonnenradelement 32 bereitgestellt wird. Das Drehmoment wird durch den Planetenradsatz 30 vervielfacht und an dem Ausgangselement 17 bereitgestellt. Weil Hohlradelement 44 nicht mit irgendeinem anderen Element oder mit dem feststehenden Element 80 verbunden ist, ist Planetenradsatz 40 in dem Reihen-Betriebsmodus inaktiv.
  • Ein Reihen-Betriebsmodus erfordert zwei Gruppen von Zahnradelementen, die derart angeordnet sind, dass die Drehzahlen der zweiten Gruppe durch elektrische Leistung, die an einen Motor/Generator geliefert wird, der mit einem Element der zweiten Gruppe verbunden ist, bestimmt wird. Die erste Gruppe verbindet die Maschine 12 mit dem ersten Motor/Generator 50, und die zweite Gruppe verbindet den zweiten Motor/Generator 51 mit dem Ausgangselement 17. Ein Reihen-Betriebsmodus ist vorteilhaft, weil es keinen reinen mechanischen Leistungsflussweg zwischen der Maschine 12 und dem Ausgangselement 17 gibt. Somit sind Umlaufverluste und die Unterbrechung im Ausgangsdrehmoment, um die Maschine 12 unter Verwendung der Motoren/Generatoren 50, 51 neu zu starten, niedriger. In dem Reihen-Betriebsmodus umfasst die erste Gruppe von Zahnradelementen jene Zahnradelemente, die einen Leistungsflussweg von der Maschine 12 zu dem Motor/Generator 51 bereitstellen (d. h. Trägerelement 26, Sonnenradelement 22 und verbundene Hohlradelement 24 und Trägerelement 36). Die zweite Gruppe von Zahnradelementen umfasst jene Zahnradelemente, die einen Leistungsflussweg von dem zweiten Motor/Generator 51 zu dem Ausgangselement 17 bereitstellen (d. h. verbundene Sonnenradelemente 32, 42, Trägerelement 36 und Trägerelement 46). Um darüber hinaus die Motorgröße relativ klein zu halten, sollte der Motor/Generator 51, der das Ausgangselement 17 im Reihen-Modus antreibt, ein übersetztes Verhältnis zu dem Ausgangselement 17 aufweisen. Dies erfordert ein festgelegtes Element, in diesem Fall Trägerelement 36.
  • Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung wird zur Verfügung gestellt, wenn Kupplung 58 eingerückt wird und Bremse 56 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war). Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung ist für einen effizienten Betrieb während Hochgeschwindigkeitsfahrt vorteilhaft, da er reduzierte Motordrehzahlen verringerte Leistung durch den elektrischen Leistungsweg zulässt. D. h. es wird durch Motoren/Generatoren 50, 51 nicht die gesamte mechanische Leistung in elektrische Leistung umgewandelt und dann wieder in mechanische Leistung umgewandelt, wie es in einem Reihen-Betriebsmodus der Fall ist.
  • Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfordert vier Planetenradelemente, die nicht zur gemeinsamen Rotation miteinander verbunden sind, die aber miteinander durch eine Differenzialzahnradanordnung verbunden sind (d. h. ein Element (Trägerelement 26), das zur Rotation mit dem Eingangselement 16 verbunden ist, ein Element (Sonnenradelement 22), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 50 verbunden ist, ein Element (verbundene Sonnenradelemente 32, 42), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 51 verbunden ist, und ein Element (verbunden Trägerelement 46 und Hohlradelement 34), das zur Rotation mit dem Ausgangselement 17 verbunden ist). Ein fünftes Element (das Hohlradelement 44) ist nicht mit irgendeinem anderen Zahnradsatzelement in dem Reihen-Betriebsmodus verbunden, und hilft somit, die vier erforderlichen Elemente in eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe zu trennen, wie es in dem Reihen-Betriebsmodus notwendig ist, wie es oben beschrieben wurde. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, um in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung überzugehen, so dass das Sonnenradelement 22 und das Hohlradelement 44 verbunden sind, um als ein einziges Element zu fungieren, und verbundene Hohlradelement 24 und Trägerelement 36 verfügbar sind, um während eines Schaltens in den Reihen-Betriebsmodus festgelegt zu werden, während noch zugelassen wird, dass sich die anderen vier Elemente bewegen können, wie es für den Reihen-Betriebsmodus erforderlich ist, wodurch die Anforderung des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfüllt wird, dass durch die Differenzialzahnradanordnung vier Elemente verbunden sind.
  • In dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung stellt die Maschine 12 Drehmoment an dem Trägerelement 26 bereit, und der Motor/Generator 50 liefert Drehmoment an oder empfängt Drehmoment von dem Sonnenradelement 22 und dem Hohlradelement 44. Das Drehmoment von der Maschine 12 und dem Motor/Generator 50 wird durch den Planetenradsatz 20 kombiniert, um zu dem Hohlradelement 44 zu fließen. Drehmoment wird von dem oder an den Motor/Generator 51 an den verbundenen Sonnenradelementen 32, 42 bereitgestellt. Drehmoment, das bei Hohlradelement 44 bereitgestellt wird, und Drehmoment, das von dem Motor/Generator 51 bei dem Sonnenradelement 42 empfangen oder an diesen geliefert wird, wird durch Planetenradsatz 40 verzweigt, um Drehmoment an dem Trägerelement 46 und dem Ausgangselement 17 bereitzustellen. Somit wird Drehmoment an Planetenradsatz 20 verzweigt (Eingangsleistungsverzweigung) und wieder an Planetenradsatz 40 verzweigt (Ausgangsleistungsverzweigung), was den Betriebsmodus zu einem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung macht.
  • Ein Umschalten von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann mit einem synchronen Schalten der Kupplung 58 und Bremse 56 erfolgen, indem der Motor/Generator 50 gesteuert wird, um die Drehzahl des Sonnenradelements 22 auf die gleiche Drehzahl wie das Hohlradelement 44 zu bringen. Die Zahnradelemente, die gesteuert werden, um auf der gleichen Drehzahl zu liegen (Hohlradelement 44 und Sonnenradelement 22) müssen andere sein als die vier Zahnradelemente, die für den Reihen-Betrieb erforderlich sind, da all jene Zahnradelemente in dem Reihen-Betriebsmodus rotieren müssen. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, während Bremse 56 gelöst wird. Es besteht keine Notwendigkeit, die Kupplung 58 schlupfen zu lassen, da es keine Drehzahldifferenz zwischen dem Sonnenradelement 22 und dem Hohlradelement 44 gibt. Somit gibt es keine mechanischen Verluste aufgrund von Schlupf.
  • Darüber hinaus kann Kupplung 58 bei dieser Synchrondrehzahl eingerückt werden, während Bremse 56 eingerückt bleibt, wobei ein Betriebsmodus mit festem Verhältnis hergestellt wird. Wenn zum Beispiel die Verhältnisse von Hohlradelement zu Sonnenradelement der Planetenradsätze 20 und 40 1,5 betragen, und das Verhältnis von Hohlradelement zu Sonnenradelement des Planetenradsatzes 30 3,0 beträgt, dann wird, wenn sowohl Kupplung 58 als auch Bremse 56 eingerückt sind, ein festes Übersetzungsverhältnis von 1,47 zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 17 resultieren, falls die Motoren/Generatoren 50 und 51 keine Leistung übertragen.
  • Ein rein elektrischer Betriebsmodus wird hergestellt, wenn die Maschine 12 gestoppt ist, Bremse 56 eingerückt ist und Motor/Generator 51 als Motor für den Vorwärtsvortrieb betrieben wird.
  • Wenn Bremse 56 eingerückt ist, falls die Maschine 12 gestoppt ist, kann der Motor/Generator 50 gesteuert werden, um als Motor zum Starten der Maschine 12 zu arbeiten. Weil die Kupplung 58 nicht eingerückt ist und der Motor/Generator 51 ausgeschaltet ist, sind die Planetenradsätze 30 und 40 inaktiv (transportieren kein Drehmoment) und es wird kein Drehmoment zu dem Ausgangselement 17 übertragen, während die Maschine 12 gestartet wird.
  • Während des Reihen-Betriebsmodus sowie des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann der Motor/Generator 51 gesteuert werden, um als Generator zu arbeiten und somit während des Fahrzeugbremsens etwas von dem Drehmoment an dem Ausgangselement 17 in elektrische Energie umzuwandeln.
  • Nun unter Bezugnahme auf 2 ist der Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung veranschaulicht, wobei die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 50 zu dem Drehmoment des Eingangselement 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 als Kurve 90 veranschaulicht ist. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 51 zu dem Drehmoment des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 92 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 50 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 94 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 51 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 96 veranschaulicht.
  • 2 stellt einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung des Antriebsstrangs 10 dar, wobei angenommen wird, dass keine Batterieleistung verwendet wird und somit die Motoren/Generatoren 50 und 51 bezüglich der Leistung ausgeglichen sind (d. h. das Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 50 ist gleich dem Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 50). Bei Punkt 91 kann im Reihen-Modus bei eingerückter Bremse 56 Kupplung 58 eingerückt werden. Der Übergang von dem Reihen-Modus in den Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfolgt bei einem konstanten Getriebedrehmomentverhältnis 1,40 (Punkt 91 bis 93), wobei Motor/Generator 50 allmählich das Drehmoment umkehrt und dadurch Drehmomentlast an Bremse 56 wegnimmt und Drehmomentlast an Kupplung 58 aufbringt. Gleichzeitig erhöht dies den Bruchteil mechanischer Leistung, der direkt von der Maschine 12 an den Ausgang 17 übertragen wird, von Null (Reihen-Modus) zu irgendeiner dazwischen liegenden Verzweigung zwischen mechanischer und elektrischer Leistung. Wenn die Last vollständig von der Bremse 56 weggenommen ist, wird sie ausgerückt und das Getriebe kann hoch- oder runterschalten. In dem in 2 dargestellten Manöver startet das Getriebe 14 das Drehmomentverhältnis abwärts zu übersetzen (d. h. nach links in 2) im Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung nach dem Übergang mit konstantem Verhältnis von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung. Alternativ könnte das Drehmoment des Motors/Generators 50 auf Null reduziert werden, indem sich zu Punkt 95 in 2 herunter bewegt wird. An diesem Punkt befindet sich das Getriebe 14 im Festgangmodus mit 100% mechanischer Leistungsübertragung und ohne elektrischen Verlust. Es ist anzumerken, dass in dem Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung es zwei weitere Punkte 97 und 99 gibt, an denen es auch 100% mechanische Leistungsübertragung gibt, weil einer der Motoren/Generatoren 50 oder 51 feststehend ist. Jedoch ist an diesen Punkten das Motordrehmoment an dem feststehenden Motor nicht Null, was elektrische Leistung von der Batterie 60 verbraucht.
  • 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs 110, der ein Hybridgetriebe 114 umfasst und betreibbar ist, um Traktionsdrehmoment an das Ausgangselement 17 in sowohl einem Reihen-Hybrid-Betriebsmodus als auch einem Hybrid-Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung zu liefern, wie es nachstehend besprochen wird. Bauteile, die identisch oder im Wesentlichen ähnlich mit jenen in den 1 und 2 sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Der Antriebsstrang 110 und das Getriebe 114 sind identisch mit Antriebsstrang 10 und Getriebe 14 von 1, außer dass die Lagen des Eingangselements 16 und des Ausgangselements 17 vertauscht sind, so dass das Eingangselement 16 zur gemeinsamen Rotation mit Trägerelement 26 verbunden ist und Ausgangselement 17 zur gemeinsamen Rotation mit Trägerelement 26 verbunden ist.
  • Ein Reihen-Betriebsmodus wird hergestellt, indem Bremse 56 eingerückt wird, Kupplung 58 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war), Motor/Generator 51 gesteuert wird, um als Generator zu fungieren, und Motor/Generator 50 gesteuert wird, um als Motor zu fungieren. Mit eingerückter Bremse 56 sind Trägerelement 36 und Hohlradelement 24 feststehend. Drehmoment von der Maschine 12 wird dem Rotor 53 mit einem Übersetzungsverhältnis zugeführt, das durch den Planetenradsatz 30 hergestellt wird. Das Drehmoment wird in elektrische Energie umgewandelt, die in der Batterie 60 gespeichert oder direkt zu Motor/Generator 50 über Umrichter 64 übertragen wird, um Motor/Generator 50 mit Leistung zu beaufschlagen, so dass er als Motor fungiert, wobei Drehmoment an dem Sonnenradelement 22 bereitgestellt wird. Das Drehmoment wird durch den Planetenradsatz 20 vervielfacht und an dem Ausgangselement 17 bereitgestellt. Weil Hohlradelement 44 nicht mit irgendeinem anderen Element oder mit dem feststehenden Element 80 verbunden ist, ist Planetenradsatz 40 in dem Reihen-Betriebsmodus inaktiv.
  • Wie es oben besprochen wurde, erfordert ein Reihen-Betriebsmodus zwei Gruppen von Zahnradelementen, die miteinander zur Leistungsübertragung durch die elektrische Verbindung zwischen den zwei Motoren/Generatoren verbunden sind. Eine Gruppe verbindet die Maschine 12 mit dem zweiten Motor/Generator 51, und die andere Gruppe verbindet den ersten Motor/Generator 50 mit dem Ausgangselement 17. Im Reihen-Betriebsmodus liefert die erste Gruppe von Zahnradelementen einen Leistungsfluss von der Maschine 12 zu dem Motor/Generator 51 (d. h. verbundene Trägerelement 46 und Hohlradelement 34, verbundene Sonnenradelement 32 und Sonnenradelement 42 und festgelegtes Trägerelement 36). Die zweite Gruppe von Zahnradelementen umfasst jene Zahnradelemente, die einen Leistungsflussweg von dem Motor/Generator 50 zu dem Ausgangselement 17 bereitstellen (d. h. Sonnenradelement 22, festgelegtes Hohlradelement 24 und Trägerelement 26). Um darüber hinaus die Motorgröße relativ klein zu halten, sollte der Motor/Generator 50, der das Ausgangselement 17 im Reihen-Modus antreibt, ein übersetztes Verhältnis zu dem Ausgangselement 17 aufweisen. Dies erfordert ein festgelegtes Element, in diesem Fall Hohlradelement 24.
  • Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung wird zur Verfügung gestellt, wenn Kupplung 58 eingerückt wird und Bremse 56 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war). Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfordert vier Planetenradelemente, die nicht zur gemeinsamen Rotation miteinander verbunden sind, die aber miteinander durch eine Differenzialzahnradanordnung verbunden sind (d. h. ein Element (Trägerelement 46), das zur Rotation mit dem Eingangselement 16 verbunden ist, ein Element (verbundene Sonnenradelement 32 und Sonnenradelement 42), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 51 verbunden ist, ein Element (verbundene Sonnenradelement 22 und Hohlradelement 44), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 50 verbunden ist, und ein Element (Trägerelement 26), das zur Rotation mit dem Ausgangselement 17 verbunden ist). Ein fünftes Element, das Hohlradelement 44, ist nicht mit irgendeinem anderen Zahnradsatzelement in dem Reihen-Betriebsmodus verbunden, und hilft somit, die vier erforderlichen Elemente in eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe zu trennen, wie es in dem Reihen-Betriebsmodus notwendig ist, wie es oben beschrieben wurde. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, um in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung überzugehen, so dass das Hohlradelement 44 und das Sonnenradelement 22 verbunden sind, um als ein einziges Element zu fungieren, und so dass die verbundenen Trägerelement 36 und Hohlradelement 24 verfügbar sind, um während eines Schaltens in den Reihen-Betriebsmodus festgelegt zu werden, während noch zugelassen wird, dass sich die anderen vier Elemente bewegen können, wie es für den Reihen-Betriebsmodus erforderlich ist, wodurch die Anforderung des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfüllt wird, dass durch die Differenzialzahnradanordnung vier Elemente verbunden sind.
  • In dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung stellt die Maschine 12 Drehmoment an dem Trägerelement 46 bereit, und der Motor/Generator 51 liefert Drehmoment an oder empfängt Drehmoment von dem Sonnenradelement 42. Das Drehmoment von der Maschine 12 und dem Motor/Generator 51 wird durch den Planetenradsatz 40 kombiniert, um zu den verbundenen Trägerelement 36 und Hohlradelement 24 zu fließen. Drehmoment wird von oder zu den Motor/Generator 50 an dem Sonnenradelement 22 geliefert. Drehmoment, das bei Sonnenradelement 22 von dem Planetenradsatz 40 bereitgestellt wird, und Drehmoment, das von dem Motor/Generator 51 an dem Sonnenradelement 22 empfangen oder an diesen geliefert wird, wird durch Planetenradsatz 20 verzweigt, um Drehmoment an dem Trägerelement 26 und dem Ausgangselement 17 bereitzustellen. Somit wird Drehmoment an Planetenradsatz 40 verzweigt (Eingangsleistungsverzweigung) und wieder an Planetenradsatz 20 verzweigt (Ausgangsleistungsverzweigung), was den Betriebsmodus zu einem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung macht.
  • Ein Umschalten von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann mit einem synchronen Schalten der Kupplung 58 und Bremse 56 erfolgen, indem der Motor/Generator 50 gesteuert wird, um die Drehzahl des Sonnenradelements 22 auf die gleiche Drehzahl wie das Hohlradelement 44 zu bringen. Die Zahnradelemente, die gesteuert werden, um auf der gleichen Drehzahl zu liegen (Sonnenradelement 22 und Hohlradelement 44) müssen andere sein als die vier Zahnradelemente, die für den Reihen-Betrieb erforderlich sind, da all jene Zahnradelemente in dem Reihen-Betriebsmodus rotieren müssen. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, während Bremse 56 gelöst wird. Es besteht keine Notwendigkeit, die Kupplung 58 schlupfen zu lassen, da es keine Drehzahldifferenz zwischen dem Sonnenradelement 22 und dem Hohlradelement 44 gibt. Somit gibt es keine mechanischen Verluste aufgrund von Schlupf.
  • Darüber hinaus kann Kupplung 58 bei dieser Synchrondrehzahl eingerückt werden, während 56 eingerückt bleibt, wobei ein Betriebsmodus mit fester Verhältnis hergestellt wird. Wenn zum Beispiel das Verhältnis von Hohlradelement zu Sonnenradelement des Planetenradsatzes 20 3,0 beträgt, des Planetenradsatzes 30 1,5 beträgt und des Planetenradsatzes 40 1,75 beträgt, dann wird, wenn sowohl Kupplung 58 als auch Bremse 56 eingerückt sind, ein festes Übersetzungsverhältnis von 1,65 zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 17 resultieren, falls die Motoren/Generatoren 50 und 51 keine Leistung übertragen.
  • Wenn Bremse 56 eingerückt ist, falls die Maschine 12 gestoppt ist, kann der Motor/Generator 51 gesteuert werden, um als Motor zum Starten der Maschine 12 zu arbeiten. Weil die Kupplung 58 nicht eingerückt ist und der Motor/Generator 50 ausgeschaltet ist, sind die Planetenradsätze 20 und 40 inaktiv (transportieren kein Drehmoment) und es wird kein Drehmoment zu dem Ausgangselement 17 übertragen, während die Maschine 12 gestartet wird. Darüber hinaus kann bei eingerückter Bremse 56 kein Drehmoment von dem Eingangsplanetenradsatz 20 zu den anderen Zahnradsätzen 30, 40 übertragen werden, wenn die Maschine 12 gestartet wird.
  • Während des Reihen-Betriebsmodus sowie des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann der Motor/Generator 50 gesteuert werden, um als Generator zu arbeiten und somit während des Fahrzeugbremsens etwas von dem Drehmoment an dem Ausgangselement 17 in elektrische Energie umzuwandeln. Im Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann der Motor/Generator 51 auch als Generator wirken, um mechanische Leistung während des Fahrzeugbremsens in elektrische Leistung umzuwandeln.
  • Nun unter Bezugnahme auf 4 ist der Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung veranschaulicht, wobei die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 50 zu dem Drehmoment des Eingangselement 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 als Kurve 190 veranschaulicht ist. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 51 zu dem Drehmoment des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 192 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 50 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 194 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 50 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 196 veranschaulicht.
  • 4 stellt einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung des Antriebsstrangs 110 dar, wobei angenommen wird, dass keine Batterieleistung verwendet wird und somit die Motoren/Generatoren 50 und 51 bezüglich der Leistung ausgeglichen sind (d. h. das Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 50 ist gleich dem Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 51). Bei Punkt 191 kann im Reihen-Modus bei eingerückter Bremse 56 Kupplung 58 eingerückt werden. Der Übergang von dem Reihen-Modus in den Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfolgt bei einem konstanten Getriebedrehmomentverhältnis 1,65 (Punkt 191 bis 193), wobei Motor/Generator 51 Drehmoment reduziert und dadurch Drehmomentlast an Bremse 56 wegnimmt und Drehmomentlast an Kupplung 58 aufbringt. Gleichzeitig erhöht dies den Bruchteil mechanischer Leistung, der direkt von der Maschine 12 an den Ausgang 17 übertragen wird, von Null (Reihen-Modus) zu irgendeiner dazwischen liegenden Verzweigung zwischen mechanischer und elektrischer Leistung. Wenn die Last vollständig von der Bremse 56 weggenommen ist, wird sie ausgerückt und das Getriebes 114 kann hoch- oder runterschalten. In dem durch 4 dargestellten Manöver startet das Getriebe 114 das Drehmomentverhältnis abwärts zu übersetzen (d. h. nach links in 4) im Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung nach dem Übergang mit konstantem Verhältnis von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung. Alternativ könnte bei angelegter Bremse 56 Drehmoment des Motor/Generators 51 auf Null verringert werden, indem sich zu Punkt 195 in 4 bewegt wird. An diesem Punkt befindet sich das Getriebe 114 im Festgangmodus mit 100% mechanischer Leistungsübertragung und ohne elektrischen Verlust. Es ist anzumerken, dass in dem Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung es zwei weitere Punkte 197 und 199 gibt, an denen es auch 100% mechanische Leistungsübertragung gibt, weil einer der Motoren/Generatoren 50 oder 51 feststehend ist. Jedoch ist an diesen Punkten das Motordrehmoment an dem feststehenden Motor nicht Null, was elektrische Leistung von der Batterie 60 verbraucht.
  • Getriebe 114 ist besonders vorteilhaft, da es in einem rein elektrischen Betriebsmodus mit ausgeschalteter Maschine 12, eingerückter Bremse 56 und ausgerückter Kupplung 58 betreibbar ist. Wenn der Motor/Generator 50 gesteuert wird, um als Motor in diesem Betriebsmodus zu arbeiten, rotieren nur Elemente des Planetenradsatzes 20 (d. h. Sonnenradelement 22 und Trägerelement 26). Elemente des Planetenradsatzes 30 und des Planetenradsatzes 40 rotieren nicht. Umlaufverlust sind somit minimiert.
  • 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs 210, der ein Hybridgetriebe 214 umfasst und der betreibbar ist, um Traktionsdrehmoment an dem Ausgangselement 17 in sowohl einem Reihen-Hybrid-Betriebsmodus als auch einem Hybrid-Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung bereitzustellen, wie es nachstehend besprochen wird. Bauteile, die identisch oder im Wesentlichen ähnlich mit jenen in den 1 und 2 sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Das Getriebe 214 weist drei Planetenradsätze 220, 230 und 240 auf. Planetenradsatz 220 ist ein doppelter Planetenradsatz, und Planetenradsätze 230 und 240 sind einfache Planetenradsätze. Planetenradsatz 220 weist ein Sonnenradelement 222, ein Hohlradelement 224 und ein Trägerelement 226 auf. Planetenräder 227, die an Trägerelement 226 drehbar gelagert sind, kämmen mit Sonnenradelement 222. Planetenräder 228, die an Trägerelement 226 drehbar gelagert sind, kämmen mit Planetenrädern 227 und mit dem Hohlradelement 224. Planetenradsatz 230 weist ein Sonnenradelement 232, ein Hohlradelement 234 und ein Trägerelement 236 auf. Planetenräder 237, die auf Trägerelement 236 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 234 als auch dem Sonnenradelement 232. Planetenradsatz 240 weist ein Sonnenradelement 242, ein Hohlradelement 244 und ein Trägerelement 246 auf. Planetenräder 247, die auf Trägerelement 246 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 244 als auch dem Sonnenradelement 242. Das Eingangselement 16 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Trägerelement 226 verbunden. Das Ausgangselement 17 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Trägerelement 246 verbunden.
  • Das Getriebe 214 umfasst einen ersten Motor/Generator 250 und einen zweiten Motor/Generator 251. Motor/Generator 250 weist einen Rotor 252 auf, der zur gemeinsamen Rotation mit Sonnenradelement 222 verbunden ist, und einen Stator 254, der an dem feststehenden Element 80 festgelegt ist. Der zweite Motor/Generator 251 weist einen Rotor 253 auf, der zur gemeinsamen Rotation mit Sonnenradelement 242 und Sonnenradelement 232 verbunden ist, und einen Stator 255, der an dem feststehenden Element 80 festgelegt ist. Die Batterie 60 ist funktional durch Übertragungsleiter mit den Statoren 254, 255 verbunden. Der Controller 62 steuert die elektrische Übertragung zwischen der Batterie 60 und den Statoren 254, 255 durch den Stromumrichter 64.
  • Hohlradelement 224 und Hohlradelement 234 sind ständig zur gemeinsamen Rotation mit einander durch ein erstes Verbindungselement 270 verbunden. Trägerelement 236 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit Trägerelement 246 und mit dem Ausgangselement 17 durch ein zweites Verbindungselement 272 verbunden. Sonnenradelement 232 und Sonnenradelement 242 sind zur gemeinsamen Rotation mit einander und mit Motor/Generator 251 durch ein drittes Verbindungselement 274 verbunden. Keines der Verbindungselemente 270, 272, 274 ist mit Elementen aller drei Planetenradsätze 220, 230, 240 verbunden; d. h. die Verbindungselemente 270, 272, 274 verbinden jeweils nur zwei Elemente von zwei unterschiedlichen Planetenradsätzen. Darüber hinaus sind die Verbindungselemente 272 und 274 ein Paar Verbindungselemente, von denen jedes ein jeweiliges Element des Planetenradsatzes 230 mit einem jeweiligen Element des Planetenradsatzes 240 verbindet, so dass zwei unterschiedliche Elemente des Planetenradsatzes 230 zur gemeinsamen Rotation mit zwei unterschiedlichen Elementen des Planetenradsatzes 240 verbunden sind. So wie es hierin verwendet wird, ist Planetenradsatz 220 ein erster Planetenradsatz, Planetenradsatz 230 ist ein zweiter Planetenradsatz und Planetenradsatz 240 ist ein dritter Planetenradsatz. Trägerelement 226 ist ein erstes Element, Sonnenradelement 222 ist ein zweites Element und Hohlradelement 224 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 220, Hohlradelement 234 ist ein erstes Element, Trägerelement 236 ist ein zweites Element und Sonnenradelement 232 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 30. Trägerelement 246 ist ein erstes Element, Sonnenradelement 242 ist ein zweites Element und Hohlradelement 244 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 240.
  • Das Getriebe 214 umfasst nur die zwei Drehmomentübertragungsmechanismen 56 und 58. In dieser Ausführungsform ist die Bremse 56 selektiv einrückbar, um das Hohlradelement 224 und Hohlradelement 234 an dem feststehenden Element 80 festzulegen, indem das Verbindungselement 270 festgelegt wird. Kupplung 58 ist selektiv einrückbar, um Hohlradelement 244 zur gemeinsamen Rotation mit Sonnenradelement 222 und Motor/Generator 250 zu verbinden. Durch Steuern der Motoren/Generatoren 250, 251, der Kupplung 58 und der Bremse 56 sind mehrere unterschiedliche Betriebsmodi für den Vorwärtsvortrieb verfügbar. Die Motoren/Generatoren 250, 251 können auch Bremsenergie in einem regenerativen Bremsmodus auffangen und gesteuert werden, um die Maschine 12 entweder aus einem Kaltstart oder aus einem Stopp/Start (d. h. wenn sie temporär ausgeschaltet ist, während das Fahrzeug in einem anderen Modus betrieben wird) zu starten.
  • Ein Reihen-Betriebsmodus wird hergestellt, indem Bremse 56 eingerückt wird, Kupplung 58 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war), Motor/Generator 250 gesteuert wird, um als Generator zu fungieren, und Motor/Generator 251 gesteuert wird, um als Motor zu fungieren. Mit eingerückter Bremse 56 sind Hohlradelement 224 und Hohlradelement 234 feststehend. Drehmoment von der Maschine 12 wird dem Rotor 252 mit einem Übersetzungsverhältnis zugeführt, das durch den Planetenradsatz 220 hergestellt wird. Das Drehmoment wird in elektrische Energie umgewandelt, die in der Batterie 60 gespeichert oder direkt zu Motor/Generator 251 über Umrichter 64 übertragen wird, um Motor/Generator 251 mit Leistung zu beaufschlagen, so dass er als Motor fungiert, wobei Drehmoment an dem Sonnenradelement 232 bereitgestellt wird. Das Drehmoment wird durch den Planetenradsatz 230 vervielfacht und an dem Ausgangselement 17 bereitgestellt. Weil Hohlradelement 244 nicht mit irgendeinem anderen Element oder mit dem feststehenden Element 80 verbunden ist, ist Planetenradsatz 240 in dem Reihen-Betriebsmodus inaktiv.
  • Wie es oben besprochen wurde, erfordert ein Reihen-Betriebsmodus zwei Gruppen von Zahnradelementen, die miteinander zur Leistungsübertragung nur durch die elektrische Verbindung zwischen den zwei Motoren/Generatoren verbunden sind. Eine Gruppe verbindet die Maschine 12 mit dem ersten Motor/Generator 250, und die andere Gruppe verbindet den zweiten Motor/Generator 251 mit dem Ausgangselement 17. In dem Reihen-Betriebsmodus umfasst die erste Gruppe von Zahnradelementen einen Leistungsflussweg von der Maschine 12 zu dem Motor/Generator 250 (d. h. Trägerelement 226, festgelegtes Hohlradelement 224 und Sonnenradelement 222). Die zweite Gruppe von Zahnradelementen stellt einen Leistungsflussweg von dem Motor/Generator 251 zu dem Ausgangselement 17 bereit (d. h. Sonnenradelement 232, festgelegtes Hohlradelement 234 und Trägerelement 236). Um darüber hinaus die Motorgröße relativ klein zu halten, sollte der Motor/Generator 251, der das Ausgangselement 17 im Reihen-Modus antreibt, ein übersetztes Verhältnis zu dem Ausgangselement 17 aufweisen. Dies erfordert ein festgelegtes Element, in diesem Fall Hohlradelement 234.
  • Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung wird zur Verfügung gestellt, wenn Kupplung 58 eingerückt wird und Bremse 56 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war). Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfordert vier Planetenradsatzelemente, die nicht zur gemeinsamen Rotation miteinander verbunden sind, die aber miteinander durch eine Differenzialzahnradanordnung verbunden sind (d. h. ein Element (Trägerelement 226), das zur Rotation mit dem Eingangselement 16 verbunden ist, ein Element (Sonnenradelement 222), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 250 verbunden ist, ein Element (verbundene Sonnenradelemente 232, 242), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 251 verbunden ist, und ein Element (verbundene Trägerelemente 236, 246), das zur gemeinsamen Rotation mit dem Ausgangselement 17 verbunden ist). Ein fünftes Element, das Hohlradelement 244, ist nicht mit irgendeinem anderen Zahnradsatzelement in dem Reihen-Betriebsmodus verbunden, und hilft somit, die vier erforderlichen Elemente in eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe zu trennen, wie es in dem Reihen-Betriebsmodus notwendig ist, wie es oben beschrieben wurde. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, um in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung überzugehen, so dass das Sonnenradelement 222 und das Hohlradelement 244 verbunden sind, um als ein einziges Element zu fungieren, wodurch die Anforderung des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfüllt wird, dass vier Elemente durch eine Differenzialzahnradanordnung verbunden sind.
  • In dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung stellt die Maschine 12 Drehmoment an dem Trägerelement 226 bereit, und der Motor/Generator 250 liefert Drehmoment an oder empfängt Drehmoment von dem Sonnenradelement 222. Das Drehmoment von der Maschine 12 und dem Motor/Generator 250 durch den Planetenradsatz 220 wird kombiniert, um zu den verbundenen Hohlradelement 224 und Hohlradelement 234 zu fließen. Drehmoment wird von oder zu dem Motor/Generator 251 an den verbundenen Sonnenradelement 232 und Sonnenradelement 242 geliefert. Drehmoment von der Maschine 12 und dem Motor/Generator 250, das an Hohlradelement 234 bereitgestellt wird, und Drehmoment, das von dem Motor/Generator 251 an dem Sonnenradelement 232 empfangen oder an diesen geliefert wird, wird durch Planetenradsatz 230 verzweigt, um Drehmoment an dem Trägerelement 236 und dem Ausgangselement 17 bereitzustellen. Somit wird Drehmoment an Planetenradsatz 220 verzweigt (Eingangsleistungsverzweigung) und wieder an Planetenradsatz 230 verzweigt (Ausgangsleistungsverzweigung), was den Betriebsmodus zu einem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung macht.
  • Ein Umschalten von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann mit einem synchronen Schalten der Kupplung 58 und Bremse 56 erfolgen, indem der Motor/Generator 250 gesteuert wird, um die Drehzahl des Sonnenradelements 222 auf die gleiche Drehzahl wie das Hohlradelement 244 zu bringen. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, während Bremse 56 gelöst wird. Es besteht keine Notwendigkeit, die Kupplung 58 schlupfen zu lassen, da es keine Drehzahldifferenz zwischen dem Sonnenradelement 222 und dem Hohlradelement 244 gibt. Somit gibt es keine mechanischen Verluste aufgrund von Schlupf.
  • Darüber hinaus kann Kupplung 58 bei dieser Synchrondrehzahl eingerückt werden, während 56 eingerückt bleibt, wobei ein Betriebsmodus mit festem Verhältnis hergestellt wird. Wenn zum Beispiel das Verhältnis von Hohlradelement zu Sonnenradelement des Planetenradsatzes 220 1,75 beträgt, des Planetenradsatzes 230 3,0 beträgt und des Planetenradsatzes 240 1,5 beträgt, dann wird, wenn sowohl Kupplung 58 als auch Bremse 56 eingerückt sind, ein festes Übersetzungsverhältnis von 1,33 zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 17 resultieren, falls die Motoren/Generatoren 250 und 251 keine Leistung übertragen.
  • Ein rein elektrischer Betriebsmodus wird hergestellt, wenn die Maschine 12 gestoppt ist, Bremse 56 eingerückt ist und Motor/Generator 251 als Motor für den Vorwärtsvortrieb betrieben wird.
  • Wenn Bremse 56 eingerückt ist, falls die Maschine 12 gestoppt ist, kann der Motor/Generator 250 gesteuert werden, um als Motor zum Starten der Maschine 12 zu arbeiten. Weil die Kupplung 58 nicht eingerückt ist, ist Planetenradsatz 240 inaktiv (transportiert kein Drehmoment). Motor/Generator 251 kann ebenfalls ausgeschaltet sein, so dass Planetenradsatz 230 auch inaktiv ist, und es wird kein Drehmoment zu dem Ausgangselement 17 übertragen, während die Maschine 12 gestartet wird.
  • Während des Reihen-Betriebsmodus sowie des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann der Motor/Generator 251 gesteuert werden, um als Generator zu arbeiten und somit während des Fahrzeugbremsens etwas von dem Drehmoment an dem Ausgangselement 17 in elektrische Energie umzuwandeln.
  • Nun unter Bezugnahme auf 6 ist der Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung veranschaulicht, wobei die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 250 zu dem Drehmoment des Eingangselement 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Eingangselements 16 zu Drehmoment des Ausgangselements 17 als Kurve 290 veranschaulicht ist. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 251 zu dem Drehmoment des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 292 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 250 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 294 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 251 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 296 veranschaulicht.
  • 6 stellt einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung des Antriebsstrangs 210 dar, wobei angenommen wird, dass keine Batterieleistung verwendet wird und somit die Motoren/Generatoren 250 und 251 bezüglich der Leistung ausgeglichen sind (d. h. das Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 250 ist gleich dem Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 251). Bei Punkt 291 kann im Reihen-Modus bei eingerückter Bremse 56 Kupplung 58 eingerückt werden. Der Übergang von dem Reihen-Modus in den Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfolgt bei einem konstanten Getriebedrehmomentverhältnis 1,33 (Punkt 291 bis Punkt 293), wobei Motor/Generator 250 Drehmoment reduziert und dadurch Drehmomentlast an Bremse 56 wegnimmt und Drehmomentlast an Kupplung 58 aufbringt. Gleichzeitig erhöht dies den Bruchteil mechanischer Leistung, der direkt von der Maschine 12 an den Ausgang 17 übertragen wird, von Null (Reihen-Modus) zu irgendeiner dazwischen liegenden Verzweigung zwischen mechanischer und elektrischer Leistung. Wenn die Last vollständig von der Bremse 56 weggenommen ist, wird sie ausgerückt und das Getriebe 214 kann hoch- oder runterschalten. In dem in 6 dargestellten Manöver startet das Getriebe 214 das Drehmomentverhältnis abwärts zu übersetzen (d. h. nach links in 6) im Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung nach dem Übergang mit konstantem Verhältnis von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung. Alternativ könnte das Drehmoment des Motors/Generators 250 auf Null reduziert werden, indem sich zu Punkt 295 in 6 bewegt wird. An diesem Punkt befindet sich das Getriebe 214 im Festgangmodus mit 100% mechanischer Leistungsübertragung und ohne elektrischen Verlust, Es ist anzumerken, dass in dem Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung es zwei weitere Punkte 297 und 299 gibt, an denen es auch 100% mechanische Leistungsübertragung gibt, weil einer der Motoren/Generatoren 250 oder 251 feststehend ist. Jedoch ist an diesen Punkten das Motordrehmoment an dem feststehenden Motor nicht Null, was elektrische Leistung von der Batterie 60 verbraucht.
  • 7 zeigt eine andere Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs 310, der ein Hybridgetriebe 314 umfasst und betreibbar ist, um Traktionsdrehmoment an das Ausgangselement 17 in sowohl einem Reihen-Hybrid-Betriebsmodus als auch einem Hybrid-Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung zu liefern, wie es nachstehend besprochen wird. Bauteile, die identisch oder im Wesentlichen ähnlich mit jenen in den 1 und 2 sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Das Getriebe 314 weist drei Planetenradsätze 320, 330 und 340 auf, von denen jeder ein einfacher Planetenradsatz ist. Planetenradsatz 320 weist ein Sonnenradelement 322, ein Hohlradelement 324 und ein Trägerelement 326 auf. Planetenräder 327, die auf Trägerelement 326 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 324 als auch dem Sonnenradelement 322. Planetenradsatz 330 weist ein Sonnenradelement 332, ein Hohlradelement 334 und ein Trägerelement 336 auf. Planetenräder 337, die auf Trägerelement 336 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 334 als auch dem Sonnenradelement 332. Planetenradsatz 340 weist ein Sonnenradelement 342, ein Hohlradelement 344 und ein Trägerelement 346 auf. Planetenräder 347, die auf Trägerelement 346 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 344 als auch dem Sonnenradelement 342. Das Eingangselement 16 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Hohlrad 324 verbunden. Das Ausgangselement 17 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Trägerelement 336 verbunden.
  • Das Getriebe 314 umfasst einen ersten Motor/Generator 350 und einen zweiten Motor/Generator 351. Motor/Generator 350 weist einen Rotor 352 auf, der zur gemeinsamen Rotation mit Sonnenradelement 322 verbunden ist, und einen Stator 354, der an dem feststehenden Element 80 festgelegt ist. Der zweite Motor/Generator 351 weist einen Rotor 353 und einen Stator 355 auf. Der Stator 355 ist an dem feststehenden Element 80 festgelegt. Die Batterie 60 ist funktional durch Übertragungsleiter mit den Statoren 354, 355 verbunden. Der Controller 62 steuert die elektrische Übertragung zwischen der Batterie 60 und den Statoren 354, 355 durch den Stromumrichter 64.
  • Trägerelement 326 und Hohlradelement 334 sind ständig zur gemeinsamen Rotation mit ein anderer durch ein erstes Verbindungselement 370 verbunden. Trägerelement 336 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit Trägerelement 346 und mit Ausgangselement 17 durch ein zweites Verbindungselement 372 verbunden. Sonnenradelement 332 und Hohlradelement 334 sind zur gemeinsamen Rotation mit Rotor 353 durch ein drittes Verbindungselement 374 verbunden. Keines der Verbindungselemente 370, 372, 374 ist mit Elementen aller drei Planetenradsätze 320, 330, 340 verbunden; d. h. die Verbindungselemente 370, 372, 374 verbinden jeweils nur zwei Elemente von zwei unterschiedlichen Planetenradsätzen. Darüber hinaus sind die Verbindungselemente 372 und 374 ein Paar Verbindungselemente, von denen jedes ein jeweiliges Element des Planetenradsatzes 330 mit einem jeweiligen Element des Planetenradsatzes 340 verbindet, so dass zwei unterschiedliche Elemente des Planetenradsatzes 330 zur gemeinsamen Rotation mit zwei unterschiedlichen Elementen des Planetenradsatzes 340 verbunden sind. So wie es hierin verwendet wird, ist Planetenradsatz 320 ein erster Planetenradsatz, Planetenradsatz 330 ist ein zweiter Planetenradsatz und Planetenradsatz 340 ist ein dritter Planetenradsatz. Hohlradelement 324 ist ein erstes Element, Sonnenradelement 322 ist ein zweites Element und Trägerelement 326 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 320. Hohlradelement 334 ist ein erstes Element, Trägerelement 336 ist ein zweites Element und Sonnenradelement 332 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 330. Trägerelement 346 ist ein erstes Element, Hohlradelement 344 ist ein zweites Element und Sonnenradelement 342 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 340.
  • Das Getriebe 314 umfasst nur die zwei Drehmomentübertragungsmechanismen 56 und 58. In dieser Ausführungsform ist Bremse 56 selektiv einrückbar, um das Trägerelement 326 und das Hohlradelement 334 an dem feststehenden Element 80 festzulegen, indem das Verbindungselement 370 festgelegt wird. Kupplung 58 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenradelement 342 und das Trägerelement 346 zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenradelement 322 und dem Rotor 352 zu verbinden. Durch Steuern der Motoren/Generatoren 350, 351, der Kupplung 58 und der Bremse 56 sind mehrere unterschiedliche Betriebsmodi für den Vorwärtsvortrieb verfügbar. Die Motoren/Generatoren 350, 351 können auch Bremsenergie in einem regenerativen Bremsmodus auffangen und gesteuert werden, um die Maschine 12 entweder aus einem Kaltstart oder aus einem Stopp/Start (d. h. wenn sie temporär ausgeschaltet ist, während das Fahrzeug in einem anderen Modus betrieben wird) zu starten.
  • Ein Reihen-Betriebsmodus wird hergestellt, indem Bremse 56 eingerückt wird, Kupplung 58 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war), Motor/Generator 350 gesteuert wird, um als Generator zu fungieren, und Motor/Generator 351 gesteuert wird, um als Motor zu fungieren. Bei eingerückter Bremse 56 sind Hohlradelement 334 und Trägerelement 326 feststehend. Drehmoment von der Maschine 12 wird dem Rotor 352 mit einem Übersetzungsverhältnis zugeführt, das durch den Planetenradsatz 320 hergestellt wird. Das Drehmoment wird in elektrische Energie umgewandelt, die in der Batterie 60 gespeichert oder direkt zu Motor/Generator 351 über Umrichter 64 übertragen wird, um Motor/Generator 351 mit Leistung zu beaufschlagen, so dass er als Motor fungiert, wobei Drehmoment an dem Sonnenradelement 332 bereitgestellt wird. Das Drehmoment wird durch den Planetenradsatz 330 vervielfacht und an dem Ausgangselement 17 bereitgestellt. Weil Sonnenradelement 342 nicht mit irgendeinem anderen Element oder mit dem feststehenden Element 80 verbunden ist, ist Planetenradsatz 340 in dem Reihen-Betriebsmodus inaktiv.
  • Wie es oben besprochen wurde, erfordert ein Reihen-Betriebsmodus zwei Gruppen von Zahnradelementen, die miteinander zur Leistungsübertragung nur durch die elektrische Verbindung zwischen den zwei Motoren/Generatoren verbunden sind. Eine Gruppe stellt einen Leistungsflussweg von der Maschine 12 zu dem ersten Motor/Generator 350 her, und die andere Gruppe stellt einen Leistungsflussweg von dem zweiten Motor/Generator 351 zu dem Ausgangselement 17 her. In dem Reihen-Betriebsmodus umfassen die Zahnradelemente der erste Gruppe Hohlradelement 324, Trägerelement 326 und Sonnenradelement 322. Die Zahnradelemente der zweiten Gruppe umfassen Sonnenradelement 332, Trägerelement 336 und Hohlradelement 334. Um darüber hinaus die Motorgröße relativ klein zu halten, sollte der Motor/Generator 351, der das Ausgangselement 17 im Reihen-Modus antreibt, ein übersetztes Verhältnis zu dem Ausgangselement 17 aufweisen. Dies erfordert ein festgelegtes Element, in diesem Fall Hohlradelement 334.
  • Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung wird zur Verfügung gestellt, wenn Kupplung 58 eingerückt wird und Bremse 56 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war). Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfordert vier Planetenradelemente, die nicht zur gemeinsamen Rotation miteinander verbunden sind, die aber miteinander durch eine Differenzialzahnradanordnung verbunden sind (d. h. ein Element (Hohlradelement 324), das zur Rotation mit dem Eingangselement 16 verbunden ist, ein Element (Sonnenradelement 322), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 350 verbunden ist, ein Element (Sonnenradelement 332), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 351 verbunden ist, und ein Element (verbundene Trägerelement 336 und Trägerelement 346), das zur Rotation mit dem Ausgangselement 17 verbunden ist). Ein fünftes Element, das Sonnenradelement 342, ist nicht mit irgendeinem anderen Zahnradsatzelement in dem Reihen-Betriebsmodus verbunden, und hilft somit, die vier erforderlichen Elemente in eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe zu trennen, wie es in dem Reihen-Betriebsmodus notwendig ist, wie es oben beschrieben wurde. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, um in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung überzugehen, so dass das Sonnenradelement 342 und das Sonnenradelement 322 verbunden sind, um als ein einziges fünftes Element zu fungieren, während noch zugelassen wird, dass sich die anderen vier Elemente bewegen können, wie es für den Reihen-Betriebsmodus erforderlich ist, wodurch die Anforderung des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfüllt wird, dass vier Elemente durch die Differenzialzahnradanordnung verbunden sind.
  • In dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung liefert die Maschine 12 Drehmoment an das Hohlradelement 324 und der Motor/Generator 350 liefert Drehmoment an oder empfängt Drehmoment von dem Sonnenradelement 322 und dem Sonnenradelement 342. Das Drehmoment von der Maschine 12 und dem Motor/Generator 350 wird durch den Planetenradsatz 320 kombiniert, um zu den verbundenen Hohlradelement 334 und Trägerelement 326 zu fließen. Drehmoment wird von dem oder an den Motor/Generator 351 an Sonnenradelement 332 geliefert. Drehmoment, das an Hohlradelement 334 bereitgestellt wird, und Drehmoment, das von dem Motor/Generator 351 an dem Sonnenradelement 332 empfangen oder an diesen geliefert wird, wird durch Planetenradsatz 330 verzweigt, um Drehmoment an dem Trägerelement 336 und dem Ausgangselement 17 bereitzustellen. Somit wird Drehmoment an Planetenradsatz 320 verzweigt (Eingangsleistungsverzweigung) und wieder an Planetenradsatz 330 verzweigt (Ausgangsleistungsverzweigung), was den Betriebsmodus zu einem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung macht.
  • Ein Umschalten von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann mit einem synchronen Schalten der Kupplung 58 und Bremse 56 erfolgen, indem der Motor/Generator 350 gesteuert wird, um die Drehzahl des Sonnenradelements 322 auf die gleiche Drehzahl wie das Sonnenradelement 342 zu bringen. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, während Bremse 56 gelöst wird. Es gibt keine Notwendigkeit, Kupplung 58 schlupfen zu lassen, da es keine Drehzahldifferenz zwischen den Sonnenradelementen 322, 342 gibt. Somit gibt es keine mechanischen Verluste aufgrund von Schlupf.
  • Darüber hinaus kann Kupplung 58 bei dieser Synchrondrehzahl eingerückt werden, während Bremse 56 eingerückt bleibt, wobei ein Betriebsmodus mit festem Verhältnis hergestellt wird. Wenn zum Beispiel das Verhältnis von Hohlradelement zu Sonnenradelement des Planetenradsatzes 320 1,75 beträgt, des Planetenradsatzes 330 3,0 beträgt und des Planetenradsatzes 340 1,5 beträgt, dann wird, wenn sowohl Kupplung 58 als auch Bremse 56 eingerückt sind, ein festes Übersetzungsverhältnis von 2,00 zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 17 resultieren, falls die Motoren/Generatoren 350 und 351 keine Leistung übertragen.
  • Ein rein elektrischer Betriebsmodus wird hergestellt, wenn die Maschine 12 gestoppt ist, Bremse 56 eingerückt ist und Motor/Generator 351 als Motor für den Vorwärtsvortrieb betrieben wird.
  • Wenn Bremse 56 eingerückt ist, falls die Maschine 12 gestoppt ist, kann der Motor/Generator 350 gesteuert werden, um als Motor zum Starten der Maschine 12 zu arbeiten. Weil Kupplung 58 nicht eingerückt ist und Motor/Generator 351 ausgeschaltet ist, so dass der Rotor 353 freilaufen kann, sind die Planetenradsätze 330 und 340 inaktiv (transportieren kein Drehmoment), und es wird kein Drehmoment zu dem Ausgangselement 17 übertragen, während die Maschine 12 gestartet wird.
  • Während des Reihen-Betriebsmodus sowie des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann der Motor/Generator 351 gesteuert werden, um als Generator zu arbeiten und somit während des Fahrzeugbremsens etwas von dem Drehmoment an dem Ausgangselement 17 in elektrische Energie umzuwandeln. Während des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann der Motor/Generator 350 auch als Generator wirken, um mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln.
  • Nun unter Bezugnahme auf 8 ist der Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung veranschaulicht, wobei die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 350 zu dem Drehmoment des Eingangselement 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 als Kurve 390 veranschaulicht ist. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 351 zu dem Drehmoment des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 392 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 350 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 394 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 351 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 396 veranschaulicht.
  • 8 stellt einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung des Antriebsstrangs 310 dar, wobei angenommen wird, dass keine Batterieleistung verwendet wird und somit die Motoren/Generatoren 350 und 351 bezüglich der Leistung ausgeglichen sind (d. h. das Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 350 ist gleich dem Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 351). Bei Punkt 391 kann im Reihen-Modus bei eingerückter Bremse 56 Kupplung 58 eingerückt werden. Der Übergang von dem Reihen-Modus in den Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfolgt bei einem konstanten Getriebedrehmomentverhältnis 2,0 (Punkt 391 bis Punkt 393), wobei Motor/Generator 351 Drehmoment reduziert und dadurch Drehmomentlast an Bremse 56 wegnimmt und Drehmomentlast an Kupplung 58 aufbringt. Gleichzeitig erhöht dies den Bruchteil mechanischer Leistung, der direkt von der Maschine 12 an den Ausgang 17 übertragen wird, von Null (Reihen-Modus) zu irgendeiner dazwischen liegenden Verzweigung zwischen mechanischer und elektrischer Leistung. Wenn die Last vollständig von der Bremse 56 weggenommen ist, wird sie ausgerückt und das Getriebe 314 kann hoch- oder runterschalten. In dem durch 8 dargestellten Manöver startet das Getriebe 314 das Drehmomentverhältnis abwärts zu übersetzen (d. h. nach links in 8) im Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung nach dem Übergang mit konstantem Verhältnis von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung. Alternativ könnte das Drehmoment des Motors/Generators 351 bei Null gehalten werden, indem sich nur von Punkt 391 zu Punkt 395 in 8 bewegt wird. An diesem Punkt befindet sich das Getriebe 314 im Festgangmodus mit 100% mechanischer Leistungsübertragung und ohne elektrischen Verlust. Es ist anzumerken, dass in dem Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung es zwei weitere Punkte 397 und 399 gibt, an denen es auch 100% mechanische Leistungsübertragung gibt, weil einer der Motoren/Generatoren 350 oder 351 feststehend ist. Jedoch ist an diesen Punkten das Motordrehmoment an dem feststehenden Motor nicht Null, was elektrische Leistung von der Batterie 60 verbraucht.
  • 9 zeigt eine andere Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs 410, der ein Hybridgetriebe 414 umfasst und betreibbar ist, um Traktionsdrehmoment an das Ausgangselement 17 in sowohl einem Reihen-Hybrid-Betriebsmodus als auch einem Hybrid-Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung zu liefern, wie es nachstehend besprochen wird. Bauteile, die identisch oder im Wesentlichen ähnlich mit jenen in den 1 und 2 sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Das Getriebe 414 weist drei Planetenradsätze 420, 430 und 440 auf, von denen jeder ein einfacher Planetenradsatz ist. Planetenradsatz 420 weist ein Sonnenradelement 422, ein Hohlradelement 424 und ein Trägerelement 426 auf. Planetenräder 427, die auf Trägerelement 426 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 424 als auch dem Sonnenradelement 422. Planetenradsatz 430 weist ein Sonnenradelement 432, ein Hohlradelement 434 und ein Trägerelement 436 auf. Planetenräder 437, die auf Trägerelement 436 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 434 als auch dem Sonnenradelement 432. Planetenradsatz 440 weist ein Sonnenradelement 442, ein Hohlradelement 444 und ein Trägerelement 446 auf. Planetenräder 447, die auf Trägerelement 446 drehbar gelagert sind, kämmen mit sowohl dem Hohlradelement 444 als auch dem Sonnenradelement 442. Das Eingangselement 16 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Trägerelement 426 verbunden. Das Ausgangselement 17 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem Trägerelement 446 verbunden.
  • Das Getriebe 414 umfasst einen ersten Motor/Generator 450 und einen zweiten Motor/Generator 451. Motor/Generator 450 weist einen Rotor 452 auf, der zur gemeinsamen Rotation mit Sonnenradelement 422 verbunden ist, und einen Stator 454, der an dem feststehenden Element 80 festgelegt ist. Der zweite Motor/Generator 451 weist einen Rotor 453 auf, der zur gemeinsamen Rotation mit Sonnenradelement 432 und Hohlradelement 444 verbunden ist, und einen Stator 455. Der Stator 455 ist an dem feststehenden Element 80 festgelegt. Die Batterie 60 ist funktional durch Übertragungsleiter mit den Statoren 454, 455 verbunden. Der Controller 62 steuert die elektrische Übertragung zwischen der Batterie 60 und den Statoren 454, 455 durch den Stromumrichter 64.
  • Hohlradelement 424 und Trägerelement 436 sind ständig zur gemeinsamen Rotation mit einander durch ein erstes Verbindungselement 470 verbunden. Hohlradelement 434 ist ständig zur gemeinsamen Rotation mit Trägerelement 446 und mit Ausgangselement 17 durch ein zweites Verbindungselement 472 verbunden. Sonnenradelement 432 und Hohlradelement 444 sind zur gemeinsamen Rotation mit Rotor 453 durch ein drittes Verbindungselement 474 verbunden. Keines der Verbindungselemente 470, 472, 474 ist mit Elementen aller drei Planetenradsätze 420, 430, 440 verbunden; d. h. die Verbindungselemente 470, 472, 474 verbinden jeweils nur zwei Elemente von zwei unterschiedlichen Planetenradsätzen. Darüber hinaus sind die Verbindungselemente 472 und 474 ein Paar Verbindungselemente, von denen jedes ein jeweiliges Element des Planetenradsatzes 430 mit einem jeweiligen Element des Planetenradsatzes 440 verbindet, so dass zwei unterschiedliche Elemente des Planetenradsatzes 430 zur gemeinsamen Rotation mit zwei unterschiedlichen Elementen des Planetenradsatzes 440 verbunden sind. So wie es hierin verwendet wird, ist Planetenradsatz 420 ein erster Planetenradsatz, Planetenradsatz 430 ist ein zweiter Planetenradsatz und Planetenradsatz 440 ist ein dritter Planetenradsatz. Trägerelement 426 ist ein erstes Element, Sonnenradelement 422 ist ein zweites Element und Hohlradelement 424 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 420. Trägerelement 436 ist ein erstes Element, Hohlradelement 434 ist ein zweites Element und Sonnenradelement 432 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 430. Trägerelement 446 ist ein erstes Element, Hohlradelement 444 ist ein zweites Element und Sonnenradelement 442 ist ein drittes Element des Planetenradsatzes 440.
  • Das Getriebe 414 umfasst nur die zwei Drehmomentübertragungsmechanismen 56 und 58. In dieser Ausführungsform ist Bremse 56 selektiv einrückbar, um das Trägerelement 436 und das Hohlradelement 424 an dem feststehenden Element 80 festzulegen, indem das Verbindungselement 470 festgelegt wird. Kupplung 58 ist selektiv einrückbar, um das Sonnenradelement 442 zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenradelement 422 und dem Rotor 452 zu verbinden. Durch Steuern der Motoren/Generatoren 450, 451, der Kupplung 58 und der Bremse 56 sind mehrere unterschiedliche Betriebsmodi für den Vorwärtsvortrieb verfügbar. Die Motoren/Generatoren 450, 451 können auch Bremsenergie in einem regenerativen Bremsmodus auffangen und gesteuert werden, um die Maschine 12 entweder aus einem Kaltstart oder aus einem Stopp/Start (d. h. wenn sie temporär ausgeschaltet ist, während das Fahrzeug in einem anderen Modus betrieben wird) zu starten.
  • Ein Reihen-Betriebsmodus wird hergestellt, indem Bremse 56 eingerückt wird, Kupplung 58 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war), Motor/Generator 450 gesteuert wird, um als Generator zu fungieren, und Motor/Generator 451 gesteuert wird, um als Motor zu fungieren. Bei eingerückter Bremse 56 sind Hohlradelement 424 und Trägerelement 436 feststehend. Drehmoment von der Maschine 12 wird dem Rotor 452 mit einem Übersetzungsverhältnis zugeführt, das durch den Planetenradsatz 420 hergestellt wird. Das Drehmoment wird in elektrische Energie umgewandelt, die in der Batterie 60 gespeichert oder direkt zu Motor/Generator 451 über Umrichter 64 übertragen wird, um Motor/Generator 451 mit Leistung zu beaufschlagen, so dass er als Motor fungiert, wobei Drehmoment an dem Sonnenradelement 432 bereitgestellt wird. Das Drehmoment wird durch den Planetenradsatz 430 vervielfacht und an dem Hohlradelement 434 und dem Ausgangselement 17 bereitgestellt. Weil Sonnenradelement 442 nicht mit irgendeinem anderen Element oder mit dem feststehenden Element 80 verbunden ist, ist Planetenradsatz 440 in dem Reihen-Betriebsmodus inaktiv.
  • Wie es oben besprochen wurde, erfordert ein Reihen-Betriebsmodus zwei Gruppen von Zahnradelementen, die miteinander zur Leistungsübertragung nur durch die elektrische Verbindung zwischen den zwei Motoren/Generatoren verbunden sind. Eine Gruppe stellt einen Leistungsflussweg von der Maschine 12 zu dem ersten Motor/Generator 450 her, und die andere Gruppe stellt einen Leistungsflussweg von dem zweiten Motor/Generator 451 zu dem Ausgangselement 17 her. In dem Reihen-Betriebsmodus umfassen die Zahnradelemente der ersten Gruppe Trägerelement 426, Hohlradelement 424 und Sonnenradelement 422. Die Zahnradelemente der zweiten Gruppe umfassen Sonnenradelement 432, Trägerelement 436 und Hohlradelement 434. Um darüber hinaus die Motorgröße relativ klein zu halten, sollte der Motor/Generator 451, der das Ausgangselement 17 im Reihen-Modus antreibt, ein übersetztes Verhältnis zu dem Ausgangselement 17 aufweisen. Dies erfordert ein festgelegtes Element, in diesem Fall Hohlradelement 434.
  • Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung wird zur Verfügung gestellt, wenn Kupplung 58 eingerückt wird und Bremse 56 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war). Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfordert vier Planetenradsatzelemente, die nicht zur gemeinsamen Rotation miteinander verbunden sind, die aber miteinander durch eine Differenzialzahnradanordnung verbunden sind (d. h. ein Element (Trägerelement 426), das zur Rotation mit dem Eingangselement 16 verbunden ist, ein Element (Sonnenradelement 422), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 450 verbunden ist, ein Element (Sonnenradelement 432), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 451 verbunden ist, und ein Element (verbundene Hohlelement 434 und Trägerelement 446), das zur Rotation mit dem Ausgangselement 17 verbunden ist). Ein fünftes Element, das Sonnenradelement 442, ist nicht mit irgendeinem anderen Zahnradsatzelement in dem Reihen-Betriebsmodus verbunden, und hilft somit, die vier erforderlichen Elemente in eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe zu trennen, wie es in dem Reihen-Betriebsmodus notwendig ist, wie es oben beschrieben wurde. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, um in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung überzugehen, so dass das Sonnenradelement 422 und das Sonnenradelement 442 verbunden sind, um als ein einziges Element zu fungieren, wodurch die Anforderung des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfüllt wird, dass vier Elemente durch eine Differenzialzahnradanordnung verbunden sind.
  • In dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung stellt die Maschine 12 Drehmoment an dem Trägerelement 426 bereit, und der Motor/Generator 450 liefert Drehmoment an oder empfängt Drehmoment von dem Sonnenradelement 422 und dem Sonnenradelement 442. Das Drehmoment von der Maschine 12 und dem Motor/Generator 450 wird durch den Planetenradsatz 420 kombiniert, um zu den verbundenen Hohlradelement 424 und Trägerelement 436 zu fließen. Drehmoment wird von dem oder zu dem Motor/Generator 451 an Sonnenradelement 432 geliefert. Drehmoment, das an Trägerelement 436 bereitgestellt wird, und Drehmoment, das von dem Motor/Generator 451 an dem Sonnenradelement 432 empfangen oder an diesen geliefert wird, wird durch Planetenradsatz 430 verzweigt, um Drehmoment an dem Hohlradelement 434 und dem Ausgangselement 17 bereitzustellen. Somit wird Drehmoment an Planetenradsatz 420 verzweigt (Eingangsleistungsverzweigung) und wieder an Planetenradsatz 430 verzweigt (Ausgangsleistungsverzweigung), was den Betriebsmodus zu einem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung macht.
  • Ein Umschalten von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann mit einem synchronen Schalten der Kupplung 58 und Bremse 56 erfolgen, indem der Motor/Generator 450 gesteuert wird, um die Drehzahl des Sonnenradelements 422 auf die gleiche Drehzahl wie das Sonnenradelement 442 zu bringen. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, während Bremse 56 gelöst wird. Es gibt keine Notwendigkeit, Kupplung 58 schlupfen zu lassen, da es keine Drehzahldifferenz zwischen den Sonnenradelementen 422, 442 gibt. Somit gibt es keine mechanischen Verluste aufgrund von Schlupf.
  • Darüber hinaus kann Kupplung 58 bei dieser Synchrondrehzahl eingerückt werden, während Bremse 56 eingerückt bleibt, wobei ein Betriebsmodus mit festem Verhältnis hergestellt wird. Wenn zum Beispiel das Verhältnis von Hohlradelement zu Sonnenradelement des Planetenradsatzes 420 2,25 beträgt, des Planetenradsatzes 430 3,0 beträgt und des Planetenradsatzes 440 1,5 beträgt, dann wird, wenn sowohl Kupplung 58 als auch Bremse 56 eingerückt sind, ein festes Übersetzungsverhältnis von 2,15 zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 17 resultieren, falls die Motoren/Generatoren 450 und 451 keine Leistung übertragen.
  • Ein rein elektrischer Betriebsmodus wird hergestellt, wenn die Maschine 12 gestoppt ist, Bremse 56 eingerückt ist und Motor/Generator 451 als Motor für den Vorwärtsvortrieb betrieben wird.
  • Wenn Bremse 56 eingerückt ist, falls die Maschine 12 gestoppt ist, kann der Motor/Generator 450 gesteuert werden, um als Motor zum Starten der Maschine 12 zu arbeiten. Weil Kupplung 58 nicht eingerückt ist und Motor/Generator 451 ausgeschaltet ist, so dass der Rotor 453 freilaufen kann, sind die Planetenradsätze 430 und 440 inaktiv (transportieren kein Drehmoment), und es wird kein Drehmoment zu dem Ausgangselement 17 übertragen, während die Maschine 12 gestartet wird.
  • Während des Reihen-Betriebsmodus sowie des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann der Motor/Generator 451 gesteuert werden, um als Generator zu arbeiten und somit während des Fahrzeugbremsens etwas von dem Drehmoment an dem Ausgangselement 17 in elektrische Energie umzuwandeln. Während des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann Motor/Generator 450 abhängig von dem Getriebeübersetzungsverhältnis entweder als Motor oder als Generator wirken.
  • Nun unter Bezugnahme auf 10 ist der Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung veranschaulicht, wobei die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 450 zu dem Drehmoment des Eingangselement 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 als Kurve 490 veranschaulicht ist. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 451 zu dem Drehmoment des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 492 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 450 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 494 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 451 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 496 veranschaulicht.
  • 10 stellt einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung des Antriebsstrangs 410 dar, wobei angenommen wird, dass keine Batterieleistung verwendet wird und somit die Motoren/Generatoren 450 und 451 bezüglich der Leistung ausgeglichen sind (d. h. das Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 450 ist gleich dem Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 451). Bei Punkt 491 kann im Reihen-Modus bei eingerückter Bremse 56 Kupplung 58 eingerückt werden. Der Übergang von dem Reihen-Modus in den Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfolgt bei einem konstanten Getriebedrehmomentverhältnis 2,15 (Punkt 491 bis Punkt 493), wobei Motor/Generator 451 Drehmoment reduziert und dadurch Drehmomentlast an Bremse 56 wegnimmt und Drehmomentlast an Kupplung 58 aufbringt. Gleichzeitig erhöht dies den Bruchteil mechanischer Leistung, der direkt von der Maschine 12 an den Ausgang 17 übertragen wird, von Null (Reihen-Modus) zu irgendeiner dazwischen liegenden Verzweigung zwischen mechanischer und elektrischer Leistung. Wenn die Last vollständig von der Bremse 56 weggenommen ist, wird sie ausgerückt und das Getriebe 414 kann hoch- oder runterschalten. In dem durch 10 dargestellten Manöver startet das Getriebe 414 das Drehmomentverhältnis abwärts zu übersetzen (d. h. nach links in 10) im Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung nach dem Übergang mit konstantem Verhältnis von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung. Alternativ könnte das Drehmoment des Motors/Generators 450 bei Null gehalten werden, wobei sich von Punkt 491 zu Punkt 495 in 10 bewegt wird. An diesem Punkt befindet sich das Getriebe 414 im Festgangmodus mit 100% mechanischer Leistungsübertragung und ohne elektrischen Verlust. Es ist anzumerken, dass in dem Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung es zwei weitere Punkte 497 und 499 gibt, an denen es auch 100% mechanische Leistungsübertragung gibt, weil einer der Motoren/Generatoren 450 oder 451 feststehend ist. Jedoch ist an diesen Punkten das Motordrehmoment an dem feststehenden Motor nicht Null, was elektrische Leistung von der Batterie 60 verbraucht.
  • 11 zeigt eine andere Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs 510, der ein Hybridgetriebe 514 umfasst und betreibbar ist, um Traktionsdrehmoment an das Ausgangselement 17 in sowohl einem Reihen-Hybrid-Betriebsmodus als auch einem Hybrid-Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung zu liefern, wie es nachstehend besprochen wird. Bauteile, die identisch oder im Wesentlichen ähnlich mit jenen in den 1 und 2 sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Der Antriebsstrang 510 und das Getriebe 514 sind identisch mit Antriebsstrang 210 und Getriebe 214 von 5, außer dass die Lagen des Eingangselements 16 und des Ausgangselements 17 vertauscht sind, so dass das Eingangselement 16 zur gemeinsamen Rotation mit Trägerelement 246 verbunden ist und Ausgangselement 17 zur gemeinsamen Rotation mit Trägerelement 226 verbunden ist.
  • Ein Reihen-Betriebsmodus wird hergestellt, indem Bremse 56 eingerückt wird, Kupplung 58 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war), Motor/Generator 251 gesteuert wird, um als Generator zu fungieren, und Motor/Generator 250 gesteuert wird, um als Motor zu fungieren. Mit eingerückter Bremse 56 sind Hohlradelement 224 und Hohlradelement 234 feststehend. Drehmoment von der Maschine 12 wird dem Rotor 253 mit einem Übersetzungsverhältnis zugeführt, das durch den Planetenradsatz 240 hergestellt wird. Das Drehmoment wird in elektrische Energie umgewandelt, die in der Batterie 60 gespeichert oder direkt zu Motor/Generator 250 über Umrichter 64 übertragen wird, um Motor/Generator 250 mit Leistung zu beaufschlagen, so dass er als Motor fungiert, wobei Drehmoment an dem Sonnenradelement 222 bereitgestellt wird. Das Drehmoment wird durch den Planetenradsatz 220 vervielfacht und an dem Ausgangselement 17 bereitgestellt. Weil Hohlradelement 244 nicht mit irgendeinem anderen Element oder mit dem feststehenden Element 80 verbunden ist, ist Planetenradsatz 240 in dem Reihen-Betriebsmodus inaktiv.
  • Wie es oben besprochen wurde, erfordert ein Reihen-Betriebsmodus zwei Gruppen von Zahnradelementen, die miteinander zur Leistungsübertragung nur durch die elektrische Verbindung zwischen den zwei Motoren/Generatoren verbunden sind. Eine Gruppe verbindet die Maschine 12 mit dem zweiten Motor/Generator 251, und die andere Gruppe verbindet den ersten Motor/Generator 250 mit dem Ausgangselement 17. In dem Reihen-Betriebsmodus umfasst die erste Gruppe von Zahnradelementen einen Leistungsflussweg von der Maschine 12 zu dem Motor/Generator 251 (d. h. Trägerelement 236, festgelegten Hohlradelement 234 und Sonnenradelement 232). Die zweite Gruppe von Zahnradelementen stellt einen Leistungsflussweg von dem Motor/Generator 250 zu dem Ausgangselement 17 bereit (d. h. Sonnenradelement 2322, festgelegtes Hohlradelement 224 und Trägerelement 226). Um darüber hinaus die Motorgröße relativ klein zu halten, sollte der Motor/Generator 250, der das Ausgangselement 17 im Reihen-Modus antreibt, ein übersetztes Verhältnis zu dem Ausgangselement 17 aufweisen. Dies erfordert ein festgelegtes Element, in diesem Fall Hohlradelement 224.
  • Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung wird zur Verfügung gestellt, wenn Kupplung 58 eingerückt wird und Bremse 56 nicht eingerückt wird (d. h. ausgerückt wird, wenn sie zuvor eingerückt war). Ein Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfordert vier Planetenradsatzelemente, die nicht zur gemeinsamen Rotation miteinander verbunden sind, die aber miteinander durch eine Differenzialzahnradanordnung verbunden sind (d. h. ein Element (Trägerelement 246), das zur Rotation mit dem Eingangselement 16 verbunden ist, ein Element (verbundene Sonnenradelemente 232 und 242), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 251 verbunden ist, ein Element (Sonnenradelement 222), das zur Rotation mit dem Motor/Generator 250 verbunden ist, und ein Element (Trägerelement 226, 246), das zur gemeinsamen Rotation mit dem Ausgangselement 17 verbunden ist). Ein fünftes Element, das Hohlradelement 244, ist nicht mit irgendeinem anderen Zahnradsatzelement in dem Reihen-Betriebsmodus verbunden, und hilft somit, die vier erforderlichen Elemente in eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe zu trennen, wie es in dem Reihen-Betriebsmodus notwendig ist, wie es oben beschrieben wurde. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, um in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung überzugehen, so dass das Sonnenradelement 222 und das Hohlradelement 244 verbunden sind, um als ein einziges Element zu fungieren, wodurch die Anforderung des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfüllt wird, dass vier Elemente durch eine Differenzialzahnradanordnung verbunden sind.
  • In dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung stellt die Maschine 12 Drehmoment an dem Trägerelement 226 bereit, und der Motor/Generator 251 liefert Drehmoment an oder empfängt Drehmoment von den Sonnenradelementen 232 und 234. Das Drehmoment von der Maschine 12 und dem Motor/Generator 251 durch den Planetenradsatz 230 wird kombiniert, um zu den verbundenen Hohlradelement 224 und Hohlradelement 234 zu fließen. Drehmoment wird von oder zu den Motor/Generator 250 an Sonnenradelement 222 geliefert. Drehmoment von der Maschine 12 und dem Motor/Generator 251, das an Hohlradelement 224 bereitgestellt wird, und Drehmoment, das von dem Motor/Generator 250 an dem Sonnenradelement 222 empfangen oder an diesen geliefert wird, wird durch Planetenradsatz 220 verzweigt, um Drehmoment an dem Trägerelement 226 und dem Ausgangselement 17 bereitzustellen. Somit wird Drehmoment an Planetenradsatz 240 verzweigt (Eingangsleistungsverzweigung) und wieder an Planetenradsatz 220 verzweigt (Ausgangsleistungsverzweigung), was den Betriebsmodus zu einem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung macht.
  • Ein Umschalten von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann mit einem synchronen Schalten der Kupplung 58 und Bremse 56 erfolgen, indem der Motor/Generator 250 gesteuert wird, um die Drehzahl des Sonnenradelements 222 auf die gleiche Drehzahl wie das Hohlradelement 244 zu bringen. Kupplung 58 kann dann eingerückt werden, während Bremse 56 gelöst wird. Es besteht keine Notwendigkeit, die Kupplung 58 schlupfen zu lassen, da es keine Drehzahldifferenz zwischen dem Sonnenradelement 222 und dem Hohlradelement 244 gibt. Somit gibt es keine mechanischen Verluste aufgrund von Schlupf.
  • Darüber hinaus kann Kupplung 58 bei dieser Synchrondrehzahl eingerückt werden, während Bremse 56 eingerückt bleibt, wobei ein Betriebsmodus mit festem Verhältnis hergestellt wird. Wenn zum Beispiel das Verhältnis von Hohlradelement zu Sonnenradelement des Planetenradsatzes 220 1,5 beträgt, des Planetenradsatzes 230 3,0 beträgt und des Planetenradsatzes 240 1,6 beträgt, dann wird, wenn sowohl Kupplung 58 als auch Bremse 56 eingerückt sind, ein festes Übersetzungsverhältnis von 1,71 zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 17 resultieren, falls die Motoren/Generatoren 250 und 251 keine Leistung übertragen.
  • Ein rein elektrischer Betriebsmodus wird hergestellt, wenn die Maschine 12 gestoppt ist, Bremse 56 eingerückt ist und Motor/Generator 250 als Motor für den Vorwärtsvortrieb betrieben wird.
  • Wenn Bremse 56 eingerückt ist, falls die Maschine 12 gestoppt ist, kann der Motor/Generator 251 gesteuert werden, um als Motor zum Starten der Maschine 12 zu arbeiten. Weil Kupplung 58 nicht eingerückt ist, ist Planetenradsatz 240 inaktiv (transportiert kein Drehmoment). Motor/Generator 250 kann ebenfalls ausgeschaltet sein, so dass Planetenradsatz 220 auch inaktiv ist, und es wird kein Drehmoment zu dem Ausgangselement 17 übertragen, während die Maschine 12 gestartet wird.
  • Während des Reihen-Betriebsmodus sowie des Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung kann der Motor/Generator 250 gesteuert werden, um als Generator zu arbeiten und somit während des Fahrzeugbremsens etwas von dem Drehmoment an dem Ausgangselement 17 in elektrische Energie umzuwandeln.
  • Nun unter Bezugnahme auf 12 ist der Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung veranschaulicht, wobei die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 250 zu dem Drehmoment des Eingangselement 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 als Kurve 590 veranschaulicht ist. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von dem Drehmoment des Motors/Generators 251 zu dem Drehmoment des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 592 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 250 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 594 veranschaulicht. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis von der Drehzahl des Motors/Generators 251 zu der Drehzahl des Eingangselements 16 über das Verhältnis von Drehmoment des Ausgangselements 17 zu Drehmoment des Eingangselements 16 ist als Kurve 596 veranschaulicht.
  • 12 stellt einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung des Antriebsstrangs 510 dar, wobei angenommen wird, dass keine Batterieleistung verwendet wird und somit die Motoren/Generatoren 250 und 251 bezüglich der Leistung ausgeglichen sind (d. h. das Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 250 ist gleich dem Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors/Generators 251). Bei Punkt 591 kann im Reihen-Modus bei eingerückter Bremse 56 Kupplung 58 eingerückt werden. Der Übergang von dem Reihen-Modus in den Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung erfolgt bei einem konstanten Getriebedrehmomentverhältnis 1,71 (Punkt 591 bis Punkt 593), wobei Motor/Generator 251 Drehmoment reduziert und dadurch Drehmomentlast an Bremse 56 wegnimmt und Drehmomentlast an Kupplung 58 aufbringt. Gleichzeitig erhöht dies den Bruchteil mechanischer Leistung, der direkt von der Maschine 12 an den Ausgang 17 übertragen wird, von Null (Reihen-Modus) zu irgendeiner dazwischen liegenden Verzweigung zwischen mechanischer und elektrischer Leistung. Wenn die Last vollständig von der Bremse 56 weggenommen ist (bei Punkt 593), wird sie ausgerückt und das Getriebes 514 kann hoch- oder runterschalten. In dem in 12 dargestellten Manöver startet das Getriebe 514 das Drehmomentverhältnis abwärts zu übersetzen (d. h. nach links in 12) im Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung nach dem Übergang mit konstantem Verhältnis von dem Reihen-Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung. Alternativ könnte der Motor/Generator 251 Drehmoment auf Null verringern, indem sich von Punkt 593 zu Punkt 595 in 12 bewegt wird, wobei wieder Drehmomentlast an der Bremse 56 aufgebracht wird (und die Richtung umgekehrt wird). An diesem Punkt befindet sich das Getriebe 514 im Festgangmodus mit 100% mechanischer Leistungsübertragung und ohne elektrischen Verlust. Es ist anzumerken, dass in dem Modus mit kombinierter Leistungsverzweigung es zwei weitere Punkte 597 und 599 gibt, an denen es auch 100% mechanische Leistungsübertragung gibt, weil einer der Motoren/Generatoren 250 oder 251 feststehend ist. Jedoch ist an diesen Punkten das Motordrehmoment an dem feststehenden Motor nicht Null, was elektrische Leistung von der Batterie 60 verbraucht.
  • Obwohl die Planetenradsätze 20, 30, 40; 220, 230, 240; 320, 330, 340 und 420, 430, 440 als einfache Planetenradsätze veranschaulicht und beschrieben sind, können auch zusammengesetzte Planetenradsätze und Planetenradsätze mit doppelten Planeten im Umfang der beanspruchten Erfindung verwendet werden.
  • Obgleich die besten Ausführungsarten der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims (10)

  1. Hybridgetriebe, das funktional mit einer Maschine verbunden ist, umfassend: ein Eingangselement, das funktional mit der Maschine verbunden ist; ein Ausgangselement; mehrere selektiv einrückbare Drehmomentübertragungsmechanismen; eine Zahnradanordnung, die einen ersten, einen zweiten und einen dritten Planetenradsatz umfasst, wobei jeder der Planetenradsätze ein erstes Element, ein zweites Element und ein drittes Element aufweist; ein Paar Verbindungselemente, die zwei jeweilige der Elemente von einem der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation mit zwei jeweiligen der Elemente von einem anderen der Planetenradsätze verbinden; ein weiteres Verbindungselement, das ein weiteres der Elemente von dem einen der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation mit einem der Elemente von einem nochmals weiteren der Planetenradsätze verbindet; wobei keines der Verbindungselemente Elemente von allen dreien der Planetenradsätze zur gemeinsamen Rotation verbindet; einen ersten Motor/Generator, der funktional mit dem ersten Planetenradsatz verbunden ist; einen zweiten Motor/Generator, der funktional mit dem zweiten Planetenradsatz verbunden ist; wobei ein erster der Drehmomentübertragungsmechanismen eingerückt ist, um einen Hybrid-Reihen-Betriebsmodus zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement herzustellen; und wobei ein zweiter der Drehmomentübertragungsmechanismen eingerückt ist, um einen Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement herzustellen.
  2. Getriebe nach Anspruch 1, wobei ein Schalten zwischen dem Hybrid-Reihen-Betriebsmodus und dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung synchron ohne Schlupfen von einem oder beiden von dem ersten und dem zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus ist.
  3. Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die mehreren selektiv einrückbaren Drehmomentübertragungsmechanismen nur den ersten und den zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus umfassen.
  4. Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei in dem Reihen-Betriebsmodus der Leistungsfluss von einer ersten Gruppe der Elemente der Planetenradsätze zu einer zweiten Gruppe der Elemente der Planetenradsätze über einen elektrischen Weg durch die Motoren/Generatoren ist; und wobei in dem Betriebsmodus mit kombinierter Leistungsverzweigung der Leistungsfluss von der ersten Gruppe der Elemente der Planetenradsätze zu der zweiten Gruppe der Elemente der Planetenradsätze über einen mechanischen Weg ist, der hergestellt ist, indem der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt ist.
  5. Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei eines von dem Eingangselement und dem Ausgangselement zur gemeinsamen Rotation mit einem ersten Element des ersten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator zur gemeinsamen Rotation mit einem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei das dritte Element des ersten Planetenradsatzes an dem feststehend Element durch Einrückung des ersten Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv festgelegt ist und ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei der zweite Motor/Generator ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes und mit dem zweiten Element des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; wobei das andere von dem Eingangselement und dem Ausgangselement ständig zur gemeinsamen Rotation mit dem ersten Element des dritten Planetenradsatzes verbunden ist; und wobei der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv einrückbar ist, um das zweite Element des ersten Planetenradsatzes zur gemeinsamen Rotation mit dem dritten Element des dritten Planetenradsatzes zu verbinden.
  6. Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei das erste Element des ersten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist und das dritte Element des ersten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist; wobei das erste Element des zweiten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist und das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist; und wobei das erste Element des dritten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des dritten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist und das dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist.
  7. Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei das erste Element des ersten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist und das dritte Element des ersten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist; wobei das erste Element des zweiten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist, das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist und das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist; und wobei das erste Element des dritten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des dritten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist und das dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist.
  8. Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei das erste Element des ersten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist und das dritte Element des ersten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist; wobei das erste Element des zweiten Planetenradsatzes ein Trägerradelement ist, das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist und das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist; und wobei das erste Element des dritten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des dritten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist und das dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist.
  9. Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei das erste Element des ersten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist und das dritte Element des ersten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist; wobei das erste Element des zweiten Planetenradsatzes ein Trägerradelement ist, das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist und das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist; und wobei das erste Element des dritten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des dritten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist und das dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist.
  10. Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei das erste Element des ersten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des ersten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist und das dritte Element des ersten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist; wobei das erste Element des zweiten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist, das zweite Element des zweiten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist und das dritte Element des zweiten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist; und wobei das erste Element des dritten Planetenradsatzes ein Trägerelement ist, das zweite Element des dritten Planetenradsatzes ein Sonnenradelement ist und das dritte Element des dritten Planetenradsatzes ein Hohlradelement ist.
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