DE102012025369A1

DE102012025369A1 - Hybridantriebsanordnung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102012025369A1
Application number: DE102012025369.9A
Authority: DE
Inventors: Norbert Scholz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-03
Also published as: WO2014102030A1

Abstract

Hybridantriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend – eine erste und eine zweite elektrische Maschine (10, 20), die jeweils einen Rotor (12, 22) und einen mit einem Getriebegehäuse fest verbundenen Stator (11, 21) aufweisen und sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb betreibbar sind und über eine Leistungselektronik miteinander verbindbar sowie an einen elektrischen Energiespeicher anschließbar sind, – eine an eine Verbrennungskraftmaschine anschließbare Eingangswelle (1) und eine an einen Abtriebsstrang anschließbare Ausgangswelle (2), – einen ersten Planetensatz (100), dessen Sonne (110) mit dem Rotor (12) der ersten elektrischen Maschine (10) verbunden ist, dessen Steg (120) mit dem Gehäuse gekoppelt ist und dessen Hohlrad (130) mit der Eingangswelle (1) gekoppelt ist, – einen zweiten Planetensatz (200), dessen Sonne (210) mit dem Rotor (12) der ersten elektrischen Maschine (10) verbunden ist, wobei • entweder dessen Steg (220) über eine erste Kupplung (51) mit der Eingangswelle (1) gekoppelt und dessen Hohlrad (230) mit der Ausgangswelle (2) verbunden ist • oder dessen Steg (220) mit der Eingangswelle (1) verbunden und dessen Hohlrad (230) über die erste Kupplung (51) mit der Ausgangswelle gekoppelt ist, – eine weitere Übersetzungseinheit, über die der Rotor der zweiten elektrischen Maschine mit der Ausgangswelle verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hybridantriebsanordnung für Kraftfahrzeuge.
Hybridantriebsanordnungen in Form leistungsverzweigter Getriebe sind dem Fachmann in vielfacher Ausgestaltung bekannt. Aus der WO 2010/113537 A1 ist eine Antriebsanordnung mit einer ersten und einer zweiten elektrischen Maschine bekannt, die in Innenläuferbauweise ausgestaltet sind und jeweils einen innenliegenden Rotor und einen äußeren, gehäusefesten Stator aufweisen und sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb betreibbar sind. Die beiden elektrischen Maschinen sind über eine Leistungselektronik miteinander verbunden. Über die Leistungselektronik sind die elektrischen Maschinen weiter an einen elektrischen Energiespeicher anschließbar. Eine Eingangswelle des Getriebes ist an eine Verbrennungskraftmaschine anschließbar. Eine Ausgangswelle des Getriebes ist an einen Abtriebsstrang abschließbar, der insbesondere ein Differenzial sowie die Antriebsräder umfassen kann. Die bekannte Anordnung umfasst weiter drei Planetensätze. Der erste Planetensatz umfasst, wie üblich, eine zentrale Sonne, ein äußeres Hohlrad sowie einen Steg, auf dem wenigstens ein Satz Planeten, die einerseits mit der Sonne und andererseits mit dem Hohlrad kämmen, rotierbar angeordnet sind. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe Sonne und Sonnenrad bzw. Planet und Planetenrad synonym verwendet, wobei jeweils das entsprechende funktionale Element mit dem eigentlichen, üblicherweise als Stirnrad ausgebildeten Rad und der zugeordneten Welle gemeint ist. Der zweite und der dritte Planetensatz weisen den gleichen prinzipiellen Aufbau auf. Bei der bekannten Vorrichtung ist die Sonne des ersten Planetensatzes mit dem Rotor der ersten elektrischen Maschine verbunden, sein Hohlrad ist mit der Ausgangswelle verbunden und sein Steg ist über eine erste Kupplung mit dem Steg des zweiten Planetensatzes und dem Hohlrad des dritten Planetensatzes gekoppelt. Die Sonne des zweiten Planetensatzes ist mit dem Rotor der zweiten elektrischen Maschine verbunden und sein Hohlrad ist am Getriebegehäuse festgelegt. Die Sonne des dritten Planetensatzes ist über eine erste Bremse mit dem Getriebegehäuse und über eine zweite Kupplung mit dem Rotor der zweiten elektrischen Maschine gekoppelt und sein Steg ist mit der Ausgangswelle verbunden.
Der Begriff „verbunden” wird hier im Sinne einer festen, nicht schaltbaren Verbindung, die jedoch nicht schalbare Übersetzungselemente enthalten kann, benutzt. Im Gegensatz dazu umfasst der Begriff „gekoppelt” im Rahmen der vorliegenden Beschreibung sowohl feste als auch schalt- oder variierbare Verbindungen. Ist konkret der letztere Fall gemeint, wird in der Regel das entsprechende Schaltelement, insbesondere eine Bremse oder eine Kupplung, explizit angegeben. Ist hingegen konkret der erstere Fall gemeint, wird in der Regel auf die Verwendung des Begriffs „gekoppelt” zugunsten des konkreteren Begriffs „verbunden” verzichtet. Die Verwendung des Begriffs „gekoppelt” ohne Angabe eines konkreten Schaltelementes deutet somit auf den beabsichtigten Einschluss beider Fälle hin. Diese Unterscheidung erfolgt allein zugunsten der besseren Verständlichkeit und insbesondere zur Verdeutlichung, wo das Vorsehen einer schalt- oder variierbaren Verbindung anstelle einer in der Regel leichter realisierbaren festen Verbindung zwingend erforderlich ist. Die obige Definition des Begriffs „verbunden” ist daher keinesfalls so eng auszulegen, dass willkürlich zu Umgehungszwecken eingefügte Kupplungen aus seinem Wortsinn herausführten.
Mit der bekannten Antriebsanordnung lassen sich fünf Betriebsmodi, nämlich zwei Fahrbereiche in leistungsverzweigter Betriebsart, wobei der erste leistungsverzweigte Modus mit zwei Übersetzungsverhältnissen für die zweite elektrische Maschine betrieben werden kann, und zwei Festgänge in parallelhybrider Betriebsart sowie drei rein elektrische Betriebsmodi realisieren. Aus jedem der leistungsverzweigten Betriebsmodi lässt sich die Verbrennungskraftmaschine abstellen. Im Fall, dass die Verbrennungskraftmaschine aus dem ersten leistungsverzweigten Modus mit über die ersten Bremse oder die zweite Kupplung an den Getriebeausgang gekoppelter zweiter elektrischer Maschine heraus abgestellt wird, wird die Leistung zum rein elektrischen Fahren von der zweiten elektrischen Maschine erzeugt. Dabei muss die erste elektrische Maschine lastlos mitgedreht werden, was nachteilige Schleppmomente zur Folge hat. Im fall, dass die Verbrennungskraftmaschine hingegen aus dem zweiten leistungsverzweigten Modus mit über die zweite Kupplung mit der Eingangswelle gekoppelter zweiter elektrische Maschine abgestellt wird, wird die Leistung zum rein elektrischen fahren von der ersten elektrischen Maschine über den Steg des ersten Planetensatzes zum Abtrieb geleitet. Das Reaktionsmoment am Hohlrad des ersten Planetensatzes muss von der zweiten elektrischen Maschine erzeugt werden, die dafür zu bestromen ist, was ebenfalls nachteilige Verluste zur Folge hat. Es ist mit dieser Getriebestruktur nicht möglich, sämtliche Fahrbereiche gleich effizient zu gestalten. Die Getriebeauslegung erfolgt daher so, dass der hauptsächlich verwendete Modus besonders effizient gestaltet wird. Durch zunehmende Fortschritte in der Elektrifizierung von Hybridantrieben verschieben sich jedoch die Nutzungsanteile der unterschiedlichen Modi. Bei rein stärker elektrifizierten Fahrzeugen werden die rein elektrischen Modi häufiger verwendet, sodass diese besonders effizient gestaltet sein sollten.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Struktur für eine Hybridantriebsvorrichtung mit insgesamt verbessertem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, mit der insbesondere auch ein effizienter rein elektrischer Betriebsmodus realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch eine Hybridantriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend

– eine erste und eine zweite elektrische Maschine, die jeweils einen Rotor und einen mit einem Getriebegehäuse fest verbundenen Stator aufweisen und sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb betreibbar sind und über eine Leistungselektronik miteinander verbindbar sowie an einen elektrischen Energiespeicher anschließbar sind,
– eine an eine Verbrennungskraftmaschine anschließbare Eingangswelle und eine an einen Abtriebsstrang anschließbare Ausgangswelle,
– einen ersten Planetensatz, dessen Sonne mit dem Rotor der ersten elektrischen Maschine verbunden ist, dessen Steg mit dem Gehäuse gekoppelt ist und dessen Hohlrad mit der Eingangswelle gekoppelt ist,
– einen zweiten Planetensatz, dessen Sonne mit dem Rotor der ersten elektrischen Maschine verbunden ist, wobei • entweder dessen Steg über eine erste Kupplung mit der Eingangswelle gekoppelt und dessen Hohlrad mit der Ausgangswelle verbunden ist • oder dessen Steg mit der Eingangswelle verbunden und dessen Hohlrad über die erste Kupplung mit der Ausgangswelle gekoppelt ist,
– eine weitere Übersetzungseinheit, über die der Rotor der zweiten elektrischen Maschine mit der Ausgangswelle verbunden ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die hauptsächlichen Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen die Ankopplung des ersten und des zweiten Planetensatzes. Die weitere Übersetzungseinheit stellt eine einfache Übersetzungsstufe dar und kann daher entweder als ein Planetensatz mit einer am Gehäuse festgelegten Welle oder als Stirnradstufe ausgebildet sein. In besonderen Fällen, in denen hier eine Übersetzung 1 angestrebt ist, kann anstelle der Stirnradstufe selbstverständlich auch eine Direktverbindung gewählt werden. Die Ausbildung als einfache Stirnradstufe ist aus Kostengründen besonders vorteilhaft. Einige der weiter unten beschriebenen Weiterbildungen der Erfindung setzen jedoch die Realisierung der weiteren Übersetzungseinheit als dritter Planetensatz voraus. Soweit nichts anderes gesagt wird, beziehen sich die nachfolgenden Ausführungen jedoch auf beide Ausgestaltungen der weiteren Übersetzungseinheit. Die Ankopplung des zweiten Planetensatzes lässt eine Aufteilung in zwei Variantengruppen der Erfindung zu. Bei der ersten Variantengruppe ist der Steg des zweiten Planetensatzes über eine erste Kupplung mit der Eingangswelle gekoppelt und sein Hohlrad ist mit der Ausgangswelle verbunden. Bei der zweiten Variantengruppe ist der Steg des zweiten Planetensatzes mit der Eingangswelle verbunden und sein Hohlrad über die erste Kupplung mit der Ausgangswelle gekoppelt.
Ankopplungsdetails des ersten Planetensatzes lassen zusammen mit der obigen, den zweiten Planetensatz betreffenden Unterteilung in Variantengruppen eine Unterscheidung von insgesamt vier Basisvarianten der Erfindung zu. So kann vorgesehen sein, dass der Steg des ersten Planetensatzes mit dem Gehäuse verbunden ist. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass der Steg des ersten Planetensatzes über eine erste Bremse mit dem Gehäuse gekoppelt ist. Als ein weiteres Ankopplungsdetail ist es möglich, dass das Hohlrad des ersten Planetensatzes mit der Eingangswelle verbunden ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das Hohlrad des ersten Planetensatzes über eine zweite Kupplung mit der Eingangswelle gekoppelt ist. Zur Erleichterung der nachfolgenden Beschreibung werden auf Grundlage dieser Ankopplungsdetails folgende vier Basisvarianten definiert:
Basisvariante 1 zeichnet sich dadurch aus, dass der Steg des ersten Planetensatzes über eine erste Bremse mit dem Gehäuse gekoppelt und sein Hohlrad mit der Eingangswelle verbunden ist, wobei der Steg des zweiten Planetensatzes mit der Eingangswelle verbunden und sein Hohlrad über die erste Kupplung mit der Ausgangswelle gekoppelt ist.
Basisvariante 2 zeichnet sich dadurch aus, dass der Steg des ersten Planetensatzes ebenfalls über die erste Bremse mit dem Gehäuse gekoppelt und sein Hohlrad mit der Eingangswelle verbunden ist, wobei der Steg des zweiten Planetensatzes über die erste Kupplung mit der Eingangswelle gekoppelt und sein Hohlrad mit der Ausgangswelle verbunden ist.
Basisvariante 3 zeichnet sich dadurch aus, dass der Steg des ersten Planetensatzes mit dem Gehäuse verbunden und sein Hohlrad über eine zweite Kupplung mit der Eingangswelle gekoppelt ist, wobei der Steg des zweiten Planetensatzes mit der Eingangswelle verbunden und sein Hohlrad über die erste Kupplung mit der Ausgangswelle gekoppelt ist.
Basisvariante 4 zeichnet sich dadurch aus, dass der Steg des ersten Planetensatzes mit dem Gehäuse verbunden und sein Hohlrad über die zweite Kupplung mit der Eingangswelle gekoppelt ist, wobei der Steg des zweiten Planetensatzes über die erste Kupplung mit der Eingangswelle gekoppelt und sein Hohlrad mit der Ausgangswelle verbunden ist.
Diese vier Basisvarianten sind kinematisch gleichwertig. Die nachfolgende Funktionsbeschreibung kann daher grundsätzlich als für sämtliche Basisvarianten gültig angesehen werden, wobei konkrete Bezugnahmen auf einzelne Elemente, insbesondere einzelne Wellen im Hinblick auf Basisvariante 1 zu verstehen sind, vom Fachmann jedoch ohne Schwierigkeiten auf die entsprechenden Elemente der übrigen Basisvarianten zu übertragen sind.
Die erfindungsgemäße Hybridantriebsanordnung stellt vier Betriebsmodi zu Verfügung, nämlich einen ersten stufenlosen Modus in leistungsverzweigter Betriebsart, einen langen Overdrive-Festgang in parallelhybrider Betriebsart, einen zweiten stufenlosen Modus in seriellhybrider Betriebsart und einen rein elektrischen Modus, der als spezieller Zustand des vorgenannten zweiten stufenlosen Betriebsmodus angesehen werden kann. Der erste stufenlose Modus ist realisiert bei geschlossener erster Kupplung und geöffneter erster Bremse bzw. zweiter Kupplung. Bei geeigneter Auslegung deckt dieser Modus die Übersetzungen von unendlich bis etwa 0,45 ab. Die Antriebsanordnung arbeitet hier in leistungsverzweigter Betriebsart, wobei die zweite elektrische Maschine in einem festen Drehzahlverhältnis zur Ausgangswellendrehzahl dreht. Der Grund hierfür ist die Ankopplung der zweiten elektrischen Maschine über die als reine Übersetzungsstufe wirkende weitere Übersetzungseinheit, unabhängig von ihrer Ausgestaltung als Planetensatz mit einer festgelegten Welle oder als Stirnradstufe (oder als Direktverbindung). Bei der Grenzübersetzung von ca. 0,45 sind die Relativdrehzahlen der Schaltelemente, d. h. der ersten Kupplung und der ersten Bremse, Null, sodass die erste Bremse zusätzlich zur ersten Kupplung ohne Energieabfuhr geschlossen werden kann, um in den Festgang mit besagter Overdrive-Übersetzung zu überführen. Die Antriebsanordnung arbeitet nun in parallelhybrider Betriebsart.
Durch Öffnen der ersten Kupplung wird ein Übergang zum zweiten stufenlosen Modus realisiert. Die erste elektrische Maschine ist dabei vollständig von der Ausgangswelle abgekoppelt. Sie wird im Wesentlichen über den ersten Planetensatz, der aufgrund seines mittels der ersten Bremse bzw. einer Direktverbindung zum Gehäuse festgelegten Steges als reine Übersetzungsstufe wirkt, generatorisch betrieben. Die erzeugte elektrische Energie wird der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt, welche als alleiniges Aggregat die Ausgangswelle antreibt. Dieser Modus ist grundsätzlich unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine.
Bei Stillstand der Verbrennungskraftmaschine, jedoch ungeänderter Schaltstellung der Schaltelemente, d. h. der ersten Bremse und der ersten und ggf. zweiten Kupplung, arbeitet die erfindungsgemäße Hybridantriebsanordnung im rein elektrischen Betrieb. In diesem Modus wird die Vortriebsleistung von der zweiten elektrischen Maschine erbracht. Verluste werden vermieden, da die erste Elektrische Maschine weder mitdreht noch ein Haltemoment erzeugen muss.
Bei einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor der ersten elektrischen Maschine über eine zweite Bremse mit dem Gehäuse gekoppelt ist. Hierdurch wird ein weiterer Festgang realisiert, dessen Übersetzungslage bei üblicher Auslegung einem typischen 6. Gang herkömmlicher Getriebe entspricht. Dieser zusätzliche Festgang wird bei geöffneter erster Bremse bzw. zweiter Kupplung und geschlossener erster Kupplung sowie geschlossener zweiter Bremse realisiert. Die Hybridantriebsvorrichtung arbeitet dabei in parallelhybrider Betriebsart. Der erste Planetensatz ist in diesem Zustand wirkungslos geschaltet. Das Moment der Eingangswelle wird über den aufgrund seiner zusammen mit dem Rotor der ersten elektrischen Maschine festgelegten Welle als reine Übersetzungsstufe wirkenden zweiten Planetensatz auf die Ausgangswelle übertragen, wobei zusätzliches Moment von der zweiten elektrischen Maschine über die weitere Übersetzungseinheit eingeleitet werden kann. Alle übrigen Betriebsmodi lassen sich wie zuvor beschrieben, jeweils mit geöffneter zweiter Bremse realisieren.
Bei einer zweiten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hohlrad des ersten Planetensatzes über eine dritte Kupplung mit dessen Steg gekoppelt ist. Durch diese Zusammenschaltung zweier Wellen des ersten Planetensatzes wird dieser verblockt, sodass er zusammen mit dem zweiten Planetensatz als Einheit und ohne innere Reibung umlaufen kann. Realisierbar werden dadurch ein zusätzlicher Festgang in parallelhybrider Betriebsart, der bei herkömmlicher Getriebeauslegung einem vierten Gang entspricht, ein dritter stufenloser Modus in seriellhybrider Betriebsart sowie ein zweiter rein elektrischer Modus, der als Sonderfall des vorgenannten dritten stufenlosen Modus mit stehender Verbrennungsmaschine angesehen werden kann. Der zusätzliche Festgang ist realisiert bei geöffneter erster Bremse bzw. zweiter Kupplung und geschlossener erster und dritter Kupplung. Der dritte stufenlose Modus ist realisiert bei geöffneter erster Bremse bzw. zweiter Kupplung und erster Kupplung und geschlossener dritter Kupplung. Ein Vorteil des zusätzlichen Betriebsmodus in seriellhybrider Betriebsart besteht darin, dass der Rotor der ersten elektrischen Maschine unmittelbar mit der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ohne Übersetzung ins Schnelle durch den ersten Planetensatz angetrieben werden kann. Die übrigen Betriebsmodi lassen sich wie oben beschrieben, jeweils mit geöffneter dritter Kupplung realisieren.
Die beiden vorgenannten Weiterbildungen der Erfindung sind unabhängig von der Ausgestaltung der weiteren Übersetzungseinheit als Stirnradstufe, Direktverbindung oder dritter Planetensatz ausgebildet. Die nachfolgend beschriebenen Erweiterungen lassen sich jedoch nur dann realisieren, wenn die weitere Übersetzungsstufe als ein dritter Planetensatz ausgebildet ist, dessen Sonne mit dem Rotor der zweiten elektrischen Maschine verbunden ist, dessen Steg mit der Ausgangswelle verbunden ist und dessen Hohlrad mit dem Gehäuse verbunden ist.
In diesem Rahmen ist bei einer dritten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Sonne des zweiten Planetensatzes über eine vierte Kupplung mit der Sonne des dritten Planetensatzes verbunden ist. Hierdurch lässt sich ein weiterer Festgang in parallelhybrider Betriebsart realisieren, der bei üblichen Getriebeübersetzungen einem 4. Gang entsprechen würde. Er eignet sich insbesondere für den Stadtverkehr bei höheren Beschleunigungen, wenn die elektrischen Energiespeicher aufgrund eines geringen Ladezustandes keinen rein elektrischen oder effizienten elektrisch geboosteten Betrieb mehr zulassen. Dann nämlich fließt im stufenlosen leistungsverzweigten Betrieb ein erheblicher Anteil der Verbrennungskraftmaschinenleistung in den elektrischen Pfad mit den entsprechenden Wirkungsgradeinbußen. Der zusätzliche Festgang im typischen Übersetzungsbereich zwischen 1,9 und 2,5 löst dieses Problem. Der zusätzliche Festgang wird realisiert bei geöffneter erster Bremse bzw. zweiter Kupplung und geschlossener erster und vierter Kupplung. Die übrigen Betriebsmodi lassen sich wie oben beschrieben, jeweils mit geöffneter vierter Kupplung realisieren.
Alternativ zu der vorgenannten dritten Weiterbildung der Erfindung kann im Rahmen einer vierten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Steg des zweiten Planetensatzes über eine fünfte Kupplung mit der Sonne des dritten Planetensatzes verbunden ist. Auch hierdurch entsteht ein zusätzlicher Festgang in parallelhybrider Betriebsart, der allerdings einem dritten Gang herkömmlicher Getriebeübersetzungen entsprechen würde. Durch diesen zusätzlichen Festgang mit hoher Getriebeübersetzung lassen sich Spitzenbelastungen an der zweiten elektrischen Maschine, die hier im stufenlosen Betriebsmodus entstünden, vermeiden. Realisiert wird der zusätzliche Festgang bei geöffneter erster Bremse und geschlossener erster und fünfter Kupplung. Die übrigen Betriebsmodi lassen sich in der zuvor erläuterten Weise, jeweils mit geöffneter fünfter Kupplung realisieren.
Schließlich ist eine fünfte Weiterbildung der Erfindung denkbar, die wie die oben erläuterte dritte und vierte Weiterbildung die Ausgestaltung der weiteren Übersetzungsstufe als ein dritter Planetensatz voraussetzt, jedoch mit abweichender Ankopplung im Vergleich zum oben beschriebenen. Insbesondere ist im Rahmen der fünften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die weitere Übersetzungsstufe als ein dritter Planetensatz ausgebildet ist, dessen Sonne mit dem Gehäuse verbunden ist, dessen Steg mit der Ausgangswelle verbunden ist und dessen Hohlrad mit dem Rotor der zweiten elektrischen Maschine verbunden ist, wobei der Steg des ersten Planetensatzes über eine sechste Kupplung mit dem Hohlrad des dritten Planetensatzes verbunden ist. Auch hierdurch lässt sich ein zusätzlicher Festgang in parallelhybrider Betriebsart realisieren, der bei herkömmlichen Getriebeübersetzungen einem dritten Gang entsprechen würde. Der zusätzliche Gang ist realisiert bei geöffneter erster Bremse bzw. zweiter Kupplung und geschlossener erster und sechster Kupplung. Alle übrigen Betriebsmodi werden wie oben erläutert, jeweils mit geöffneter sechster Kupplung realisiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 1,
2 eine Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 2,
3 eine Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 3,
4 eine Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 4,
5 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer ersten Weiterbildung von Basisvariante 1,
6 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer ersten Weiterbildung von Basisvariante 2,
7 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer ersten Weiterbildung von Basisvariante 3,
8 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer ersten Weiterbildung von Basisvariante 4,
9 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer zweiten Weiterbildung von Basisvariante 1,
10 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer zweiten Weiterbildung von Basisvariante 2,
11 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer zweiten Weiterbildung von Basisvariante 3,
12 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer zweiten Weiterbildung von Basisvariante 4,
13 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer dritten Weiterbildung von Basisvariante 1,
14 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer dritten Weiterbildung von Basisvariante 2,
15 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer dritten Weiterbildung von Basisvariante 3,
16 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer dritten Weiterbildung von Basisvariante 4,
17 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer vierten Weiterbildung von Basisvariante 1,
18 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer vierten Weiterbildung von Basisvariante 2,
19 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer vierten Weiterbildung von Basisvariante 3,
20 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer vierten Weiterbildung von Basisvariante 4,
21 eine Ausführungsform der Erfindung gem. einer fünften Weiterbildung von Basisvariante 1,
22 eine alternative Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 1,
23 eine alternative Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 2,
24 eine alternative Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 3,
25 eine Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 1 mit Stirnradstufenankopplung der zweiten elektrischen Maschine,
26 eine Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 2 mit Stirnradstufenankopplung der zweiten elektrischen Maschine,
27 eine Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 3 mit Stirnradstufenankopplung der zweiten elektrischen Maschine,
28 eine Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 4 mit Stirnradstufenankopplung der zweiten elektrischen Maschine,
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleich oder analoge Elemente hin.
1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung gem. Basisvariante 1. Hierzu alternative Ausführungsformen, die ebenfalls Basisvariante 1 repräsentieren, sich aber von der Ausführungsform gem. 1 durch eine konstruktive Umgruppierung der einzelnen Elemente unterscheiden, sind in den 22, 23 und 24 dargestellt. Die Hybridantriebsanordnung gem. 1 weist eine Eingangswelle 1 auf, die mit einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor verbindbar bzw. im Montageendzustand im Kraftfahrzeug verbunden ist.
Eine Ausgangswelle 2 ist mit einem Abtrieb verbindbar bzw. in Montageendstellung im Kraftfahrzeug verbunden. Der Abtrieb umfasst typischerweise ein Differential sowie wenigstens eine angetriebene Achse, kann jedoch auch weitere Komponenten, beispielsweise zusätzliche Übersetzungsstufen umfassen. Weiter weist die Hybridantriebsanordnung eine erste elektrische Maschine 10 mit einem gehäusefesten Stator 11 und einem drehbeweglichen Rotor 12 auf. Die erste elektrische Maschine 10 ist sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar. Weiter weist die Hybridantriebsanordnung eine zweite elektrische Maschine 20 mit einem gehäusefesten Stator 21 und einem drehbeweglichen Rotor 22 auf. Auch die zweite elektrische Maschine 20 ist sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar. Beide elektrischen Maschinen 10, 20 sind über eine nicht dargestellte Leistungselektronik miteinander sowie mit wenigstens einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einem Akkumulator, verbindbar bzw. in Montageendstellung im Kraftfahrzeug verbunden.
Weiter umfasst die Hybridantriebsanordnung gem. 1 einen ersten Planetensatz 100 mit einer Sonne 110, einem Steg 120, auf welchem wenigstens ein Satz Planetenräder 121 angeordnet ist, sowie mit einem Hohlrad 130. Die Planeten 121 kämmen einerseits mit der Sonne 110 und andererseits mit dem Hohlrad 130. Weiter umfasst die Hybridantriebsanordnung gem. 1 einen zweiten Planetensatz 200 mit einer Sonne 210, einem Steg 220, auf welchem ein Satz Planetenräder 221 gelagert ist, sowie mit einem Hohlrad 230. Die Planeten 221 kämmen einerseits mit der Sonne 210 und andererseits mit dem Hohlrad 230. Dieser grundsätzliche Aufbau ist bei allen gezeigten Ausführungsformen verwirklicht und soll bei der Beschreibung der weiteren Figuren nicht nochmal explizit wiederholt werden.
Weiter umfasst die Hybridantriebsanordnung gem. 1 einen dritten Planetensatz 300 mit einer Sonne 310, einem Steg 320, auf welchem ein Satz Planetenräder 321 gelagert ist sowie mit einem Hohlrad 330. Dieser dritte Planetensatz 300 ist bei sämtlichen Ausführungsformen der 1 bis 24 verwirklicht und soll dort nicht nochmals explizit wiederholt werden.
Bei der Ausführungsform gem. 1 ist das Hohlrad 130 des ersten Planetensatzes 100 mit der Eingangswelle 1 verbunden. Sein Steg 120 ist über eine erste Bremse 41 mit dem Gehäuse gekoppelt, d. h. an diesem festlegbar. Seine Sonne 110 ist mit dem Rotor 12 der ersten elektrischen Maschine 10 verbunden. Dieser ist auch mit der Sonne 210 des zweiten Planetensatzes 200 verbunden. Dessen Steg 220 ist mit der Eingangswelle 1 verbunden. Sein Hohlrad 230 ist über eine erste Kupplung 51 mit der Ausgangswelle 2 verbunden. Die zweite elektrische Maschine 20 ist über den dritten Planetensatz 300 an die Ausgangswelle 2 angekoppelt. insbesondere ist der Rotor 22 der zweiten elektrischen Maschine mit der Sonne 310 des dritten Planetensatzes verbunden. Dessen Steg 320 ist mit der Ausgangswelle 2 verbunden. Sein Hohlrad 330 ist am Gehäuse festgelegt, sodass der dritte Planetensatz 300 grundsätzlich nur als einfache Übersetzungsstufe wirken kann.
Dieses Kopplungsschema der einzelnen Elemente der Hybridantriebsanordnung definiert die Basisvariante 1 mit Planetensatz-Ankopplung der zweiten elektrischen Maschine. Es lässt sich in unterschiedlichen konstruktiven Varianten verwirklichen. 1 stellt eine für den Quereinbau im Kraftfahrzeug geeignete Variante dar. 22 zeigt dasselbe Kopplungsschema für eine alternative Quereinbau-Variante, wobei das Hohlrad 130 des ersten Planetensatzes und der Steg 220 des zweiten Planetensatzes nicht, wie in 1, durch die erste elektrische Maschine 10 räumlich getrennt voneinander mit der Eingangswelle 1 verbunden, sondern einander räumlich direkt benachbart angeordnet sind, was jedoch, wie der Fachmann verstehen wird, kinematisch keinerlei Unterschied bedeutet. Die 23 und 24 zeigen zwei Varianten, die für den Längseinbau im Kraftfahrzeug geeignet konstruiert sind. Auch die 23 und 24 unterscheiden sich untereinander durch die räumlich getrennte Anbindung an die Eingangswelle 1 (24) bzw. die direkt benachbarte Anordnung (23) des Hohlrades 130 des ersten Planetensatzes und des Steges 220 des zweiten Planetensatzes.
Die in 2 gezeigte Basisvariante 2 ist der Basisvariante 1 kinematisch äquivalent, unterscheidet sich konstruktiv jedoch dadurch, dass mittels der ersten Kupplung 51 der Steg 220 des zweiten Planetensatzes 200 mit der Eingangswelle 1 gekoppelt ist.
Auch die in 3 gezeigte Basisvariante 3 ist der Basisvariante 1 kinematisch äquivalent. Sie unterscheidet sich von der Basisvariante 1 dadurch, dass anstelle der ersten Bremse 41 eine zweite Kupplung 52 vorgesehen ist, die das Hohlrad 130 des ersten Planetensatzes 100 mit der Eingangswelle 1 koppelt.
Auch die in 4 gezeigte Basisvariante 4 ist der Basisvariante 1 äquivalent. Wie bei Basisvariante 2 koppelt die erste Kupplung 51 den Steg 220 des zweiten Planetensatzes 200 mit der Eingangswelle und wie bei Basisvariante 3 ist der Steg 120 des ersten Planetensatzes 100 fest mit dem Gehäuse verbunden, während das Hohlrad 130 des ersten Planetensatzes 100 über die zweite Kupplung 52 mit der Einganswelle 1 verbunden ist.
Der Fachmann wird erkennen, dass auch die Basisvarianten 2, 3 und 4 konstruktiv nicht auf die in den 2 bis 4 dargestellten Ausgestaltungen beschränkt sind. Vielmehr lassen sich auch diese Basisvarianten analog den in den 22 bis 24 gezeigten Alternativen zu Basisvariante 1 durch räumliche Umgruppierung ohne funktionale Veränderung variieren, um Platz- und Ausrichtungserfordernissen des konkreten Einzelfalls gerecht zu werden.
Bezgl. der mit einer Antriebsanordnung gern. einer der Basisvarianten realisierbaren Betriebsmodi wird auf den obigen allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
Die 5 bis 8 stellen erste Weiterbildungen der Basisvarianten 1 bis 4 gern. den 1 bis 4 dar. Sie unterscheiden sich von diesen lediglich durch eine zusätzliche Bremse, nämlich die zweite Bremse 42, mit der der Rotor 12 der ersten elektrischen Maschine mit dem Gehäuse gekoppelt, d. h. an diesem festlegbar ist. Bzgl. der hieraus resultierenden zusätzlichen Betriebsmodi wird auf den obigen allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
Die 9 bis 12 stellen zweite Weiterbildungen der Basisvarianten 1 bis 4 gern. den 1 bis 4 dar. Sie unterscheiden sich von diesen durch eine zusätzliche Kupplung, nämlich die dritte Kupplung 53, mit der der Steg 120 des ersten Planetensatzes 100 mit dessen Hohlrad gekoppelt ist. Durch Schließen der dritten Kupplung 53 wird der erste Planetensatz verblockt, sodass er als Block und aufgrund seiner Verbindung mit dem zweiten Planetensatz auch gemeinsam mit diesem ohne innere Reibung umläuft. Bzgl. der sich hieraus ergebenden zusätzlichen Betriebsmodi wird auf den obigen allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
Die 13 bis 16 zeigen dritte Weiterbildungen der Basisvarianten 1 bis 4 gem. den 1 bis 4. Sie unterscheiden sich von diesen durch eine zusätzliche Kupplung, nämlich die vierte Kupplung 54, die den Rotor 22 der zweiten elektrischen Maschine 20 mit dem Rotor 12 der ersten elektrischen Maschine 10 koppelt. Aufgrund der übrigen Konstellation kann dieser Zusammenhang auch so beschrieben werden, dass die vierte Kupplung 54 die Sonne 210 des zweiten Planetensatzes bzw. die Sonne 110 des ersten Planetensatzes 100 mit der Sonne 310 des dritten Planetensatzes 300 koppelt. Bzgl. der sich hieraus ergebenden zusätzlichen Betriebsmodi wird auf den obigen, allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
Die 17 bis 20 zeigen vierte Weiterbildungen der Basisvarianten 1 bis 4 gem. den 1 bis 4. Sie unterscheiden sich von diesen durch eine weitere zusätzliche Kupplung, nämlich die fünfte Kupplung 55, die den Steg 220 des zweiten Planetensatzes mit der Sonne 310 des dritten Planetensatzes 300 koppelt. Bzgl. der sich hieraus ergebenden zusätzlichen Betriebsmodi wird auf den obigen allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
21 stellt eine fünfte Weiterbildung von Basisvariante 1 gem. 22 dar. Sie unterscheidet sich von dieser in zwei Aspekten. Zum einen ist die Ankopplung des dritten Planetensatzes 300 verändert. Hier ist die Sonne 310 mit dem Gehäuse verbunden, während das Hohlrad 330 mit dem Rotor 22 der zweiten elektrischen Maschine verbunden ist. Zum anderen unterscheidet sie sich durch eine weitere zusätzliche Kupplung, nämlich die sechste Kupplung 56, die das Hohlrad 330 des dritten Planetensatzes 300 mit dem Steg 120 des ersten Planetensatzes koppelt. Diese fünfte Erweiterung ist nur bei Basisvariante 1 möglich. Bzgl. der sich hieraus ergebenden zusätzlichen Betriebsmodi wird auf den obigen, allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
Die 25 bis 28 zeigen nochmals Hybridantriebsanordnungen gem. den Basisvarianten 1 (25), 2 (26), 3 (27) und 4 (28), wobei jedoch der dritte Planetensatz durch eine erste Stirnradstufe 400 ersetzt ist. Dies ist funktional gleichwertig, da, wie oben erläutert, der dritte Planetensatz 300 aufgrund der Festlegung einer seiner Wellen am Gehäuse ohnehin nur als einfache Übersetzungsstufe wirkt. Erst im Zusammenhang mit der dritten, vierten und fünften Erweiterung gem. den 13 bis 21 entfaltet er eine besondere Wirkung, die im obigen, allgemeinen Teil der Beschreibung bereits diskutiert wurde. Folglich sind die Basisvarianten mit Stirnradstufe gem. den 25 bis 26 nicht für die dritte, vierte und fünfte Weiterbildung geeignet. Modifikationen gem. der ersten und zweiten Weiterbildung analog den oben beschriebenen 5 bis 12 lassen sich jedoch ohne weiteres auch bei den Basisvarianten 1 bis 4 mit Stirnradstufe realisieren. Auch ist es möglich, konstruktive Umgruppierungen der einzelnen Elemente zur Anpassung an Platz- und Ausrichtungserfordernisse des konkreten Einzelfalls analog den Gestaltungen der 22 bis 24 vorzunehmen. Bzgl. der resultierenden Betriebsmodi, die sich nicht von denjenigen der Ausführungsformen mit drei Planetensätzen unterscheiden, wird auf den obigen, allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
Bei den in den 25 bis 28 gezeigten Ausführungsformen erfolgt die Kopplung des Hohlrades 230 des zweiten Planetensatzes 200 mit der Ausgangswelle 2 nicht direkt, sondern über eine zweite Stirnradstufe 500, die bei den gezeigten Ausführungsformen unter Verwendung desselben Stirnrades wie die erste Stirnradstufe 400 realisiert ist.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist es auch möglich, einzelne Planetensätze als Doppelplanetensätze auszuführen oder den dritten Planetensatz 300 bzw. die erste Stirnradstufe 400 durch eine Direktverbindung zu ersetzen, was der Ankopplung der zweiten elektrischen Maschine 20 mit einer Übersetzung 1 entsprechen würde. Auch könnte der dritte Planetensatz 300 derart mit der zweiten elektrischen Maschine 20, dem Gehäuse und der Ausgangswelle 2 verbunden sein, dass sein Sonnenrad 310 mit dem Rotor 22 der zweiten elektrischen Maschine 20, sein Steg 320 mit dem Gehäuse und sein Hohlrad 330 mit der die Ausgangswelle 2 verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Eingangswelle
2: Ausgangswelle
10: erste elektrische Maschine
11: Stator von 10
12: Rotor von 10
20: zweite elektrische Maschine
21: Stator von 20
22: Rotor von 20
41: erste Bremse
42: zweite Bremse
51: erste Kupplung
52: zweite Kupplung
53: dritte Kupplung
54: vierte Kupplung
55: fünfte Kupplung
56: sechste Kupplung
100: erster Planetensatz
110: Sonne von 100
120: Steg von 100
121: Planeten auf 120
130: Hohlrad von 100
200: zweiter Planetensatz
210: Sonne von 200
220: Steg von 200
221: Planeten auf 220
230: Hohlrad von 200
300: dritter Planetensatz
310: Sonne von 300
320: Steg von 300
321: Planeten auf 320
330: Hohlrad von 300
400: erste Stirnradstufe
500: zweite Stirnradstufe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/113537 A1 [0002]

Claims

Hybridantriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend – eine erste und eine zweite elektrische Maschine (10, 20), die jeweils einen Rotor (12, 22) und einen mit einem Getriebegehäuse fest verbundenen Stator (11, 21) aufweisen und sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb betreibbar sind und über eine Leistungselektronik miteinander verbindbar sowie an einen elektrischen Energiespeicher anschließbar sind, – eine an eine Verbrennungskraftmaschine anschließbare Eingangswelle (1) und eine an einen Abtriebsstrang anschließbare Ausgangswelle (2), – einen ersten Planetensatz (100), dessen Sonne (110) mit dem Rotor (12) der ersten elektrischen Maschine (10) verbunden ist, dessen Steg (120) mit dem Gehäuse gekoppelt ist und dessen Hohlrad (130) mit der Eingangswelle (1) gekoppelt ist, – einen zweiten Planetensatz (200), dessen Sonne (210) mit dem Rotor (12) der ersten elektrischen Maschine (10) verbunden ist, wobei • entweder dessen Steg (220) über eine erste Kupplung (51) mit der Eingangswelle (1) gekoppelt und dessen Hohlrad (230) mit der Ausgangswelle (2) verbunden ist • oder dessen Steg (220) mit der Eingangswelle (1) verbunden und dessen Hohlrad (230) über die erste Kupplung (51) mit der Ausgangswelle gekoppelt ist, – eine weitere Übersetzungseinheit, über die der Rotor der zweiten elektrischen Maschine mit der Ausgangswelle verbunden ist.
Hybridantriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (120) des ersten Planetensatzes (100) mit dem Gehäuse verbunden ist.
Hybridantriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (120) des ersten Planetensatzes (100) über eine erste Bremse (41) mit dem Gehäuse gekoppelt ist.
Hybridantriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (130) des ersten Planetensatzes (100) mit der Eingangswelle (1) verbunden ist.
Hybridantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (130) des ersten Planetensatzes (100) über eine zweite Kupplung (52) mit der Eingangswelle (1) gekoppelt ist.
Hybridantriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) der ersten elektrischen Maschine (10) über eine zweite Bremse (42) mit dem Gehäuse gekoppelt ist.
Hybridantriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (130) des ersten Planetensatzes (100) über eine dritte Kupplung (53) mit dessen Steg (120) gekoppelt ist.
Hybridantriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Übersetzungseinheit als eine Stirnradstufe (400) ausgebildet ist.
Hybridantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Übersetzungsstufe als ein dritter Planetensatz (300) ausgebildet ist, dessen Sonne (310) mit dem Rotor (22) der zweiten elektrischen Maschine (30) verbunden ist, dessen Steg (320) mit der Ausgangswelle (2) verbunden ist und dessen Hohlrad (330) mit dem Gehäuse verbunden ist.
Hybridantriebsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonne (210) des zweiten Planetensatzes (200) über eine vierte Kupplung (54) mit der Sonne (310) des dritten Planetensatzes (300) verbunden ist.
Hybridantriebsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (220) des zweiten Planetensatzes (200) über eine fünfte Kupplung (55) mit der Sonne (310) des dritten Planetensatzes (300) verbunden ist.
Hybridantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Übersetzungsstufe als ein dritter Planetensatz (300) ausgebildet ist, dessen Sonne (310) mit dem Gehäuse verbunden ist, dessen Steg (320) mit der Ausgangswelle (2) verbunden ist und dessen Hohlrad (330) mit dem Rotor (22) der zweiten elektrischen Maschine (20) verbunden ist, wobei der Steg (120) des ersten Planetensatzes (100) über eine sechste Kupplung (56) mit dem Hohlrad (330) des dritten Planetensatzes (300) verbunden ist.