DE102012022089A1 - Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs und Verfahren zur Einstellung einer Drehzahl - Google Patents

Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs und Verfahren zur Einstellung einer Drehzahl Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang (1) eines Hybridfahrzeugs, wobei der Antriebsstrang (1) mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (2) und mindestens eine Doppelrotormaschine (3) umfasst, wobei die Doppelrotormaschine (3) einen Innenläufer (4) und einen Außenläufer (5) umfasst, wobei einer der Läufer (4, 5) mechanisch mit einer Abtriebswelle (7) der Verbrennungskraftmaschine (2) verbindbar oder verbunden ist, wobei der verbleibende Läufer (5, 4) mit mindestens einem drehbaren Rad (8) des Hybridfahrzeugs verbindbar oder verbunden ist, wobei die Doppelrotormaschine (3) mindestens einen Stator (6) umfasst, wobei der Stator (6) konzentrisch zwischen dem Innenläufer (4) und dem Außenläufer (5) angeordnet ist und ein Verfahren zur Einstellung einer Drehzahl.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges sowie ein Verfahren zur Einstellung einer Drehzahl mindestens eines drehbaren Rades des Hybridfahrzeugs.
  • Hybridfahrzeuge können sowohl eine Verbrennungskraftmaschine als auch eine Elektromaschine umfassen. Je nach mechanischer Verbindung der Verbrennungskraftmaschine und der Elektromaschine können antreibbare, drehbare Räder des Hybridfahrzeugs durch die Verbrennungskraftmaschine und/oder die Elektromaschine angetrieben werden.
  • Aus dem Stand der Technik bekannt sind so genannte Doppelrotormaschinen. So offenbart die DE 10 2005 062 781 A1 eine elektrische Drehstrommaschine, insbesondere für einen Kraftfahrzeug-Hybridantrieb, mit einem ein magnetisches Drehfeld erzeugenden Innenläufer und mit einer konzentrisch zum Innenläufer angeordneten äußeren Erregeranordnung mit mehreren äußeren Magnetfelderregern, wobei der Innenläufer und die äußere Erregeranordnung zwischen sich einen Umfangsspalt einschließen. Hierbei ist der Innenläufer als Lüfterrad, vorzugsweise als Radiallüfterrad, mit mindestens einer Lüfterschaufel ausgebildet. Die offenbarte elektrische Drehstrommaschine umfasst keinen Stator.
  • Die DE 40 23 791 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Innen- und Außenläufer und einem konzentrisch zwischen diesen beiden Läufern angeordneten Ständer, wobei die beiden Läufer gemeinsam drehfest auf der Welle der Maschine angeordnet sind und der Ständer mit einer sowohl auf den Innen- als auch Außenläufer wirkenden Ringwicklung versehen ist, die derart verschaltet ist, dass in abwechselnder Folge Pole unterschiedlicher Polarität am Innen- und Außenumfang des Ständers gebildet sind.
  • Es stellt sich das technische Problem, einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Einstellung einer Drehzahl eines drehbaren Rades des Hybridfahrzeugs zu schaffen, welche eine hohe Energieeffizienz beim Antrieb des Hybridfahrzeugs und eine flexible Skalierbarkeit bezogen auf verschiedene Leistungsanforderungen ermöglichen sowie eine hohe Leistungsdichte aufweisen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Vorgeschlagen wird ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs.
  • Es ist eine Grundidee der Erfindung, dass einer der Läufer einer elektrischen Doppelrotormaschine mit einer Abtriebswelle einer Verbrennungskraftmaschine verbindbar oder verbunden ist, wobei mindestens ein antreibbares Rad mit dem verbleibenden Läufer der Doppelrotormaschine verbunden oder verbindbar ist. Ein gemeinsamer Stator der Doppelrotormaschine kann somit zur Einstellung einer gewünschten Drehzahl verwendet werden.
  • Insbesondere kann das Hybridfahrzeug ein so genanntes serielles Hybridfahrzeug sein, wobei eine Verbrennungskraftmaschine des Hybridfahrzeugs keine unmittelbare mechanische Verbindung zu dem mindestens einen antreibbaren, drehbaren Rad des Hybridfahrzeugs aufweist, sondern lediglich einen elektrischen Generator antreibt. Vorstellbar ist jedoch auch, dass das Hybridfahrzeug ein so genanntes leistungsverzweigendes Hybridfahrzeug ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine entweder den elektrischen Generator antreibt oder mechanisch mit dem antreibbaren Rad gekoppelt sein kann.
  • Auch kann das Fahrzeug ein so genanntes Mikrohybridfahrzeug, ein Mildhybrid-Fahrzeug, ein Vollhybrid-Fahrzeug oder ein Plug-In-Hybridfahrzeug sein.
  • Der Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs umfasst mindestens eine Verbrennungskraftmaschine und mindestens eine Doppelrotormaschine. Die Doppelrotormaschine umfasst einen Innenläufer und einen Außenläufer. Der Innenläufer und der Außenläufer sind konzentrisch um eine zentrale Rotationsachse der Doppelrotormaschine angeordnet.
  • Einer der Läufer ist mechanisch mit einer Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine verbindbar oder verbunden. Beispielsweise kann einer der Läufer über eine Kupplung mit der Abtriebswelle verbindbar sein. Der verbleibende Läufer ist mit mindestens einem drehbaren Rad des Hybridfahrzeugs verbindbar oder verbunden. Beispielsweise kann der verbleibende Läufer mit einer Antriebsachse des Hybridfahrzeugs mechanisch verbindbar oder verbunden sein, wobei über die Antriebsachse Antriebsenergie von dem verbleibenden Läufer an das mindestens eine antreibbare Rad übertragen werden kann. Auch ist vorstellbar, dass der verbleibende Läufer über eine Kupplung mit dem mindestens einen drehbaren Rad des Fahrzeugs mechanisch verbindbar ist.
  • Beispielsweise kann der Innenläufer mechanisch mit der Abtriebswelle und der Außenläufer mechanisch mit dem mindestens einen drehbaren Rad des Hybridfahrzeugs verbindbar oder verbunden sein. Auch die umgekehrte Anordnung ist jedoch vorstellbar.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Doppelrotormaschine mindestens einen Stator, wobei der Stator konzentrisch zwischen dem Innenläufer und dem Außenläufer angeordnet ist. Somit ist auch der Stator konzentrisch um die zentrale Rotationsachse angeordnet. Der Stator kann beispielsweise hohlzylinderförmig ausgebildet sein, wobei der Innenläufer in einem von dem Hohlzylinder ausgebildeten Innenvolumen und der Außenläufer außerhalb des Hohlzylinders angeordnet ist. Zwischen dem Innenläufer und dem Stator ist hierbei ein erster Luftspalt angeordnet, wobei zwischen dem Stator und dem Außenläufer ein weiterer Luftspalt angeordnet ist. Der Stator kann hierbei mit Statorwicklungen versehen sein, die z. B. drei Phasen einer Wechselspannung tragen können. Hierbei kann der Stator erste Statorwicklungen, die dem Innenläufer zugeordnet sind, und weitere Statorwicklungen, die dem Außenläufer zugeordnet sind, aufweisen. In diesem Fall kann mittels der ersten Statorwicklungen eine Rotation des Innenläufers und mittels der weiteren Statorwicklungen eine Rotation des Außenläufers gesteuert werden.
  • Durch den Stator kann ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt werden, welches mit Magnetfeldern der Läufer Wechselwirken kann. Hierfür kann der Stator sowohl mit dem Innenläufer als auch dem Außenläufer flussverkettet sein.
  • Der vorgeschlagene Antriebsstrang ermöglicht in vorteilhaftere Weise eine einfache Ausbildung eines Antriebsstranges eines Hybridfahrzeugs, wobei nur eine einzige als Doppelrotormaschine ausgebildete Elektromaschine vorgesehen ist. Durch eine entsprechende Skalierung von Dimensionen der Bauelemente der Doppelrotormaschine, z. B. einer Länge des Innenläufers, des Stators und/oder des Außenläufers, kann in einfacher Weise eine Anpassung an unterschiedliche Leistungs-/Drehmomentanforderungen erreicht werden. Hierdurch kann der Antriebsstrang für verschiedene Leistungs-/Drehmomentanforderungen einfacher skaliert und somit einfacher gefertigt werden. Zusätzlich lässt sich eine hohe Leistungsdichte des vorgeschlagenen Antriebsstranges erzielen, wobei Bauraumanforderungen reduziert werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind der Innenläufer und der Außenläufer als Permanentmagnetläufer ausgebildet. Hierbei sind jeweils am Innenläufer und am Außenläufer Permanentmagnete angeordnet. Das durch die Permanentmagnete bereitgestellte magnetische Feld kann hierbei mit einem durch den Stator erzeugten elektromagnetischen Feld Wechselwirken, wodurch z. B. der mit dem drehbaren Rad des Hybridfahrzeugs verbindbare oder verbundene Läufer angetrieben werden kann.
  • Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Ausbildung der Läufer, da keine zusätzlichen Elemente, z. B. Schleifringe, für eine Fremderregung vorgesehen werden müssen.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der Außenläufer eine Polzahl auf, die von einer Polzahl des Innenläufers verschieden ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine magnetische Wechselwirkung zwischen Innenläufer, Stator und Außenläufer verringert werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist mindestens einer der Läufer als fremderregbarer Läufer ausgebildet. Hierzu kann der Läufer Erreger- oder Läuferwicklungen aufweisen, die an dem Läufer angeordnet sind. Auch kann der Läufer Mittel zur elektrischen Kontaktierung der Erregerwicklungen, z. B. Schleifringe, aufweisen. Es ist vorstellbar, dass die Erregerwicklungen des Läufers durch einen dem Läufer zugeordneten Wechselrichter bestromt werden, wobei der Wechselrichter einen zeitlichen Strom-/Spannungsverlauf an den Erregerwicklungen einstellt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein vom Läufer bereitgestelltes Magnetfeld zeitlich und räumlich variabel eingestellt werden kann, wodurch wiederum eine Variabilität der Einstellung der Drehzahl des drehbaren Rades erhöht wird.
  • Auch kann der fremderregbare Läufer elektrisch passiv gestellt werden, wobei Erregerwicklungen dieses Läufers nicht bestromt werden. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Wechselwirkungen mit dem Statorfeld als auch mit einem Magnetfeld des verbleibenden Läufers minimiert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind sowohl der Innenläufer als auch der Außenläufer als fremderregbare Läufer ausgebildet. Wie vorhergehend erläutert kann auch hier einer der Läufer elektrisch passiv gestellt werden.
  • Durch die Ausbildung beider Läufer als fremderregbare Läufer kann eine Variabilität der Einstellung der Drehzahl des drehbaren Rades maximiert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist/sind der Stator und/oder der Innenläufer und/oder der Außenläufer derart ausgebildet, dass eine Drehzahl des Außenläufers unabhängig von einer Drehzahl des Innenläufers einstellbar ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Drehzahl des drehbaren Rades unabhängig von einer Drehzahl der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Antriebsstrang einen einzigen Wechselrichter zur Einstellung eines zeitlichen Strom-/Spannungsverlaufs an Statorwicklungen des Stators. Durch die Verwendung eines einzigen Wechselrichters, beispielsweise eines dreiphasigen Wechselrichters, ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Kostenreduktion und eine Bauraumreduktion bei der Realisierung des vorgeschlagenen Antriebsstranges. Der Wechselrichter kann hierbei derart betrieben werden, dass eine gewünschte Drehzahl des drehbaren Rades, vorzugsweise unabhängig von der Drehzahl der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine, eingestellt wird.
  • Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Einstellung einer Drehzahl mindestens eines drehbaren Rades eines Hybridfahrzeugs, wobei eine Doppelrotormaschine einen Innenläufer und einen Außenläufer umfasst, wobei einer der Läufer mechanisch mit einer Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine und der verbleibende Läufer mit mindestens einem drehbaren Rad des Hybridfahrzeugs mechanisch verbunden wird. Der Innenläufer ist mit einem Stator der Doppelrotormaschine, der zwischen dem Außenläufer und dem Innenläufer angeordnet ist, flussverkettet. Auch ist der Außenläufer mit diesem Stator der Doppelrotormaschine flussverkettet. Ein zeitlicher Strom-/Spannungsverlauf an Statorwicklungen des Stators wird derart eingestellt, dass eine gewünschte Drehzahl des drehbaren Rades eingestellt wird.
  • Weiter kann die Verbrennungskraftmaschine mit einer vorbestimmten Drehzahl oder mit einer Drehzahl aus einem vorbestimmten Drehzahlbereich betrieben werden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein optimaler Arbeitspunkt der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden und das Hybridfahrzeug in diesem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, wobei trotzdem unterschiedliche Drehzahlen an dem drehbaren Rad einstellbar sind.
  • Durch das vorgeschlagene Verfahren ergibt sich in vorteilhafter Weise eine variable Einstellung der Drehzahl des drehbaren Rades mit einem einfach skalierbaren und eine hohe Leistungsdichte aufweisenden Antriebsstrang.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird der zeitliche Strom-/Spannungsverlauf an Statorwicklungen des Stators derart eingestellt, dass eine Drehzahl des mit dem drehbaren Rad mechanisch verbundenen Läufers unabhängig von einer Drehzahl des verbleibenden Läufers eingestellt wird. Somit kann der verbleibende Läufer, der mechanisch mit der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, z. B. mit einer konstanten Drehzahl oder mit einer Drehzahl aus einem vorbestimmten Drehzahlbereich betrieben werden, wobei an dem drehbaren Rad eine Drehzahl einstellbar ist, die von der Drehzahl der Abtriebswelle unabhängig ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Verfahren, welches eine Einstellung der Drehzahl mit einer hohen Variabilität ermöglicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird der zeitliche Strom-/Spannungsverlauf an Statorwicklungen des Stators durch einen einzigen Wechselrichter eingestellt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Verfahren zur Einstellung einer Drehzahl eines drehbaren Rades des Hybridfahrzeugs mit einer minimalen Anzahl an elektrischen Bauelementen.
  • Die Erfindung wird anhand eines einzigen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Antriebsstranges.
  • In 1 ist ein Antriebsstrang 1 eines Hybridfahrzeugs dargestellt. Der Antriebsstrang 1 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 2 und eine Doppelrotormaschine 3. Die Doppelrotormaschine 3 umfasst einen Innenläufer 4 und einen Außenläufer 5. Weiter umfasst die Doppelrotormaschine 3 einen Stator 6, der hohlzylinderförmig ausgebildet ist, wobei der Stator 6 konzentrisch zwischen dem Innenläufer 4 und dem Außenläufer 5 angeordnet ist. Der Innenläufer 4 ist hierbei innerhalb des Stators 6 angeordnet. Der Innenläufer 4, der Stator 6 und der Außenläufer 5 sind hierbei konzentrisch um eine gemeinsame zentrale Rotationsachse angeordnet. In 1 ist dargestellt, dass der Innenläufer 4 mechanisch mit einer Abtriebswelle 7 der Verbrennungskraftmaschine 2 verbunden ist. Weiter dargestellt ist, dass drehbare, antreibbare Räder 8 mechanisch über einen Antriebsachse 9 mit dem Außenläufer 5 der Doppelrotormaschine 3 verbunden sind. Hierbei ist exemplarisch nur ein drehbares, antreibbares Rad 8 dargestellt. Der Innenläufer 4 und der Außenläufer 5 können hierbei als Permanentmagnetläufer oder als fremderregbare Läufer ausgebildet sein. Nicht dargestellt sind Statorwicklungen des Stators 5, die zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, welches mit den Läufern 4, 5 bereitgestellt wird, wechselwirken.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebsstrang
    2
    Verbrennungskraftmaschine
    3
    Doppelrotormaschine
    4
    Innenläufer
    5
    Außenläufer
    6
    Stator
    7
    Abtriebswelle
    8
    drehbare Räder
    9
    Antriebsachse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005062781 A1 [0003]
    • DE 4023791 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs, wobei der Antriebsstrang (1) mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (2) und mindestens eine Doppelrotormaschine (3) umfasst, wobei die Doppelrotormaschine (3) einen Innenläufer (4) und einen Außenläufer (5) umfasst, wobei einer der Läufer (4, 5) mechanisch mit einer Abtriebswelle (7) der Verbrennungskraftmaschine (2) verbindbar oder verbunden ist, wobei der verbleibende Läufer (5, 4) mit mindestens einem drehbaren Rad (8) des Hybridfahrzeugs verbindbar oder verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelrotormaschine (3) mindestens einen Stator (6) umfasst, wobei der Stator (6) konzentrisch zwischen dem Innenläufer (4) und dem Außenläufer (5) angeordnet ist.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenläufer (4) und der Außenläufer (5) als Permanentmagnetläufer ausgebildet sind.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenläufer (5) eine Polzahl aufweist, die von einer Polzahl des Innenläufers (4) verschieden ist.
  4. Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Läufer (4, 5) als fremderregbarer Läufer ausgebildet ist.
  5. Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Innenläufer als auch der Außenläufer als fremderregbarer Läufer ausgebildet sind.
  6. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (6) und/oder der Innenläufer (4) und/oder der Außenläufer (5) derart ausgebildet ist/sind, dass eine Drehzahl des Außenläufers (5) unabhängig von einer Drehzahl des Innenläufers (4) einstellbar ist.
  7. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang einen einzigen Wechselrichter zur Einstellung eines zeitlichen Strom-/Spannungsverlaufs an Statorwicklungen des Stators (6) umfasst.
  8. Verfahren zur Einstellung einer Drehzahl mindestens eines drehbaren Rades eines Hybridfahrzeugs, wobei eine Doppelrotormaschine (3) einen Innenläufer (4) und einen Außenläufer (5) umfasst, wobei einer der Läufer (4, 5) mechanisch mit einer Abtriebswelle (7) der Verbrennungskraftmaschine (2) und der verbleibende Läufer (5, 4) mit mindestens einem drehbaren Rad (8) des Hybridfahrzeugs mechanisch verbunden wird, wobei der Innenläufer (4) mit einem Stator (6) der Doppelrotormaschine (3) flussverkettet ist, wobei der Außenläufer (5) mit dem Stator (6) der Doppelrotormaschine (3) flussverkettet ist, wobei ein zeitlicher Strom-/Spannungsverlauf an Statorwicklungen des Stators (6) derart eingestellt wird, dass eine gewünschte Drehzahl des drehbaren Rades (8) eingestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Strom-/Spannungsverlauf an Statorwicklungen des Stators (6) derart eingestellt wird, dass eine Drehzahl des mit dem drehbaren Rad (8) mechanisch verbundenen Läufers (5) unabhängig von dem verbleibenden Läufer (4) eingestellt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Strom-/Spannungsverlauf an Statorwicklungen des Stators (6) durch einen einzigen Wechselrichter eingestellt wird.
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