DE102013112388A1 - Alternatives Antriebskonzept für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, der als hybridisierter Antriebsstrang für mehrere verschiedene Antriebsmaschinen ausgeführt ist. In verschiedenen Betriebszuständen des Antriebsstrangs kommen eine Verbrennungskraftmaschine sowie mindestens eine elektrische Maschine zum Einsatz. Diese Maschinen sind je nach Betriebszustand unterschiedlich eingebunden bzw. angekuppelt. Die Maschinen werden in verschiedenen Betriebszuständen einzeln oder in Gruppen funktional in den Antriebsstrang eingebunden. Die Betriebszustände sind an die jeweiligen Anforderungen des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs angepasst. Dabei können die eine oder die mehreren elektrischen Maschinen sowohl als Antriebsmotoren als auch als Stromgeneratoren betrieben werden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein geeignetes Verfahren zum Betrieb des Antriebstrangs.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, der als hybridisierter Antriebsstrang für mehrere verschiedene Antriebsmaschinen ausgeführt ist. In verschiedenen Betriebszuständen des Antriebsstrangs kommen eine Verbrennungskraftmaschine sowie mindestens eine elektrische Maschine zum Einsatz. Diese Maschinen sind je nach Betriebszustand unterschiedlich eingebunden bzw. angekuppelt. Die Maschinen werden in verschiedenen Betriebszuständen einzeln oder in Gruppen funktional in den Antriebsstrang eingebunden. Die Betriebszustände sind an die jeweiligen Anforderungen des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs angepasst. Dabei können die eine oder die mehreren elektrischen Maschinen sowohl als Antriebsmotoren als auch als Stromgeneratoren betrieben werden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein geeignetes Verfahren zum Betrieb des Antriebstrangs.
• Stand der Technik
• Ein Hybridantrieb für Nutzfahrzeuge mit Verbrennungsmotor und mehreren Generatoren sowie Elektromotoren für einen seriellen oder einen parallelen Betriebsmodus ist in der Patentschrift DE 603 15 828 T2 (Inhaberin: Oshkosh Truck Corp.; Prioritätstag: 02.05.2003) beschrieben. Der Antriebsstrang ist mit einem Kraftteilungs-Planetengetriebe ausgeführt. Bei einem Systemübergang zwischen einem parallelen Betriebsmodus und einem seriellen Betriebsmodus wird ein Sekundärgenerator bzw. sekundärer Motor/Generator zur Synchronisation der Teilsysteme und ihren Systemträgheiten verwendet.
• Ein elektrisch-variables Hybridgetriebe mit dualen Leistungswegen und selektiver Motorverbindung ist Gegenstand von DE 10 2007 050 414 A1 (Anmelderin: GM Global Technology Operations, Inc.; Prioritätstag: 25.10.2006). Die hierin beschriebene Konfiguration beruht auf einer Hohlwellenanordnung mit einer Antriebsmaschine und zwei elektrischen Maschinen, die jeweils über eine Kupplung mit einem Getriebe in Verbindung gebracht werden können. Verschiedene Betriebsmodi, beispielsweise mit einer Eingangsleistungsverzweigung, lassen sich realisieren. Während ein erster der Motoren/Generatoren kontinuierlich mit einem der Zahnradelemente verbunden ist, ist ein zweiter Motor/Generator separat selektiv zuschaltbar. Möglicherweise wird ein festes Übersetzungsverhältnis über ein Differenzialgetriebesatz nach Ravigneaux erzielt.
• Ähnliche Kombinationen von Kraftmaschinen und mindestens zwei Motor/Generator-Einheiten werden in der DE 10 2007 033 722 A1 (Anmelderin: GM Global Technology Operations, Inc.; Prioritätstag: 24.07.2006) in Zusammenhang mit einem Reihenhybrid-Rückwärtsbetrieb und einem elektrisch verstellbaren Getriebe, das einen stufenlos verstellbaren Bereich von Drehzahlverhältnissen verfügbar macht, oder in der US 7 637 333 B2 (Patentinhaberin: Bayerische Motorenwerke AG; Anmeldetag: 18.10.2002) mit einer Kombination aus einer Verbrennungskraftmaschine und zwei in einem Gehäuse untergebrachten elektrischen Motoren/Generatoren mit einem Getriebe mit variablen Übersetzungsverhältnissen oder in der DE 696 11 745 T2 (Inhaberin: General Motors Corp.; Anmeldetag: 20.07.1995) in Verbindung mit einem Planetengetriebe diskutiert. Aus der PCT-Patentanmeldung WO 00/063 041 A1 (Anmelderin: ZF Friedrichshafen AG; Anmeldetag: 19.04.1999) geht ein Hybridantrieb mit schaltbaren Kupplungen hervor, bei dem in einem Antriebsstrang zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe eine erste elektrische Maschine und eine mit einer Getriebeeingangswelle permanent verbundene, zweite elektrische Maschine angeordnet sind, jeweils mit einer schaltbaren Kupplung. Durch die jeweilige Kupplung ist die dazugehörige elektrische Maschine von dem Verbrennungsmotor trennbar. Eine serielle Anordnung der ersten und zweiten elektrischen Maschine im Antriebsstrang ist vorgesehen.
• In dem Patent US 6 880 664 B2 (Inhaberin: Magna Steyr Fahrzeugtechnik AG & Co. KG; Anmeldetag: 17.05.2003) wird ein Allrad-Hybrid-Antriebskonzept mit Planetengetriebemechanismus beschrieben. Dabei wird die doppelte Verwendung einer elektrischen Maschine zur Bremsdrehmomenterzeugung und als Additionsglied für ein zusätzliches Antriebsdrehmoment vorgestellt. Betriebsweisen z. B. für Stadtfahrzyklen unter Trennung der Verbrennungskraftmaschine vom Antriebsstrang mit Hilfe einer Kupplung zur Realisierung eines reinen elektrischen Betriebs oder eines Start-Stopp-Betriebs werden in der Beschreibung diskutiert.
• Eine Familie von Hybrid-Antriebsstrangsystemen, bei denen ein Verbrennungsmotor und Elektromotor/Generator-Kombinationen einem Getriebe vorgeschaltet sind, geht aus der Patentanmeldung DE 10 2008 051 306 A1 (Anmelderin: GM Global Technology Operations, Inc.; Anmeldetag: 11.10.2007) hervor. Das Mehrganggetriebe steht hierbei mit einem Achsantrieb in Verbindung und eine Dreifachkupplung ermöglicht es, selektiv eine Brennkraftmaschine und eine Motor/Generator-Einheit zur Leistungsübertragung zu verbinden.
• Eine weitere Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs mit Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Elektromotor und mit einem Mehrganggetriebe ist in der DE 10 2009 020 177 A1 (Anmelderin: GM Global Technology Operations, Inc.; Prioritätstag: 09.05.2008) offengelegt. Dieser Schrift ist ein Torsionsschwingungsdämpfer zu entnehmen, der zwischen der Brennkraftmaschine und einer ersten Kupplungseinrichtung eingebaut ist. Weiterhin sind zwischen der Kupplungseinrichtung und einem Planetengetriebe ein erster und ein zweiter Elektromotor angeordnet. Der erste Elektromotor kann sowohl zum Antrieb als auch als Kuppelwellenstartergenerator ausgeführt sein. Die zweite Elektromaschine dient dem Antrieb einer Hydraulikpumpe, wobei die Hydraulikpumpe über ein Kupplungselement oder einen Drehmomentwandler mit dem Antriebsstrang und somit mit der ersten Elektromaschine und der Brennkraftmaschine antreibbar ist. Verschiedene Anordnungen von Planetenradsätzen, Sonnenrädern und Hohlrädern werden für eine Getriebeausführung diskutiert. Der Betrieb der Hydraulikpumpe über den zweiten Elektromotor dient einem schnelleren Öldruckaufbau beim Starten des Fahrzeugs, sodass die Schaltbarkeit des Getriebes durch Öldruck früher erreichbar sein soll.
• Die Patentanmeldung US 2006/247 086 A1 (Anmelderin: Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho; Prioritätstag: 28.04.2005) beschreibt ein Leistungsübertragungssystem, bei dem eine erste Elektromaschine als Anlasser/Generator über eine Kraftübertragungseinrichtung mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist, der eine parallele Anordnung aus einem variablen Getriebe und einem Räderumlaufgetriebe antreibt. Hierbei wird Leistung in ein Planetengetriebe eingekoppelt, welches weiterhin mit einer zweiten Elektromaschine in Verbindung steht. Die zweite Elektromaschine kann in Verbindung mit einer Batterie als Motor oder Generator betrieben werden.
• Aus der DE 10 2008 020 555 A1 (Anmelderin: ESW GmbH; Anmeldetag: 22.04.2008) gehen Antriebssysteme auf Hybridbasis hervor, wobei Kombinationen einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Elektromotor in zweifacher Ausführung über ein Getriebe eine Allradeinheit antreiben. Durch beliebige Steuerung der mechanischen und elektrischen Antriebseinheiten sollen Aspekte der Energieeinsparung und der Sicherung der Antriebsmöglichkeit von Kraftfahrzeugen verwirklicht werden.
• Technische Schwierigkeiten
• Die bekannten hybridisierten Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge, ausgeführt als Kombination eines Verbrennungsmotors mit einer gewissen Anzahl an Elektroantrieben, stellen komplexe Lösungen dar, die insbesondere in geräumigen Oberklassefahrzeugen oder Nutzfahrzeugen einsetzbar sind. Die Drehmomentzusammenführung wird in der Regel über zahlreiche Kupplungen realisiert, sodass ein Nutzen, der unter dem Aspekt der Energieeinsparung durch Verwendung eines hybridisierten Antriebsstrangs angegeben wird, durch Reibungsverluste bei Kupplungsvorgängen oder Kupplungsschlupf zu einem beachtlichen Anteil zu Nichte gemacht werden. Weiterhin nachteilig ist das hohe Gewicht der Antriebsstränge nach vielen der zuvor angeführten Druckschriften hervorzuheben.
• Aufgabenstellung
• Ein guter Antriebsstrang soll in effizienter und kompakter Bauweise einen betriebszustandsgerechten Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungskraftmaschine und Elektromotoren ausschließlich durch die Verbrennungskraftmaschine oder durch einen reinen elektromotorischen Antrieb oder als Hybrid, d. h. unter Kombination verschiedener Antriebsmaschinen, ermöglichen.
• Erfindungsbeschreibung
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen hybridisierten Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder einen hybridisierten Antriebsstrang nach Anspruch 11 gelöst. Verschiedene Aspekte der Aufgabenstellung lassen sich insbesondere in einem erfindungsgemäßen Betrieb nach Anspruch 15 verwirklichen. Aus den jeweils abhängigen Ansprüchen gehen weitere vorteilhafte Ausführungsmerkmale hervor.
• In einem hybridisierten Antriebsstrang werden zwei oder mehr Drehmomenterzeugungseinrichtungen wirksam kombiniert. Derartige Antriebsstränge werden zum Betrieb von Kraftfahrzeugen, wie Personenkraftwagen, insbesondere in einer Ausführung als Kleinwagen auf Grund kompakter Bauweise oder in einer Ausführung als Mittelklasse- bzw. Oberklassepersonenkraftwagen, auf Grund von nutzerfreundlichen Betriebsmerkmalen, wie einer fließenden Beschleunigungscharakteristik oder leistungsergänzender Vorzüge, unter Verwirklichung höchster Effizienz, eingesetzt. Die Anpassungsfähigkeit erfindungsgemäßer Konzepte an betriebsbedingte Erfordernisse lässt ebenfalls einen Einsatz derartiger Antriebsstränge für Nutz- und andere Fahrzeuge bspw. auch für Rennsportfahrzeuge vorteilhaft zu. Ein hybridisierter Antriebsstrang ist vorzugsweise mit einer Verbrennungskraftmaschine, wie einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine oder einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine, ausgestattet. Durch die Verbrennungskraftmaschine wird Antriebsenergie in den Antriebsstrang eingebracht. Eine Aufgabe des Antriebsstrangs besteht darin, diese Antriebsenergie in eine Schubkraft zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs gegenüber einem Untergrund auf Antriebsvorrichtungen, wie Straßenräder, zu leiten. Eine weitere Aufgabe besteht darin, Bewegungsenergie zu erzeugen und den Antriebseinheiten zuzuführen. Energie aus Bewegung rückzugewinnen und insbesondere für eine spätere Verwendung im Antrieb oder zur allgemeinen Energieversorgung des Kraftfahrzeugs zu speichern, fördert ebenfalls die Energieeffizienz des Antriebsstrangs. Entsprechend der momentanen Betriebssituation, insbesondere entsprechend dem Fahrzustand, des Kraftfahrzeugs werden verschiedene Betriebsmodi oder Betriebszustände des Antriebsstrangs ausgeführt. Eine Doppelfunktion in Form einer bidirektionalen Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie wird durch Einsatz von elektrischen Maschinen, wie einer ersten elektrischen Maschine und/oder einer zweiten elektrischen Maschine, im hybridisierten Antriebsstrang in Ergänzung der Verbrennungskraftmaschine verwirklicht. Sofern vorhanden, sind die beiden elektrischen Maschinen im Antriebsstrang in einer Anordnungsfolge der Verbrennungskraftmaschine nachgeordnet. An dem Antriebsstrang vorgesehene Trennelemente, wie Doppelkupplungen, Kupplungen oder Schaltelemente, ermöglichen das Einbringen oder Einbinden von elektrischen Maschinen oder Verbrennungskraftmaschinen in den Antriebsstrang. Über ein Trennelement ist ein Drehmoment, insbesondere in einer Schlussstellung des Trennelements, einbringbar oder anders gesagt übertragbar. Hierbei befindet sich ein Schaltelement des hybridisierten Antriebsstrangs vorzugsweise innerhalb eines Getriebes des Kraftfahrzeugs. Ein Getriebe weist mindestens eine Antriebskomponente, wie mindestens eine Antriebswelle, zur Einleitung eines Drehmoments in das Getriebe auf. Das Getriebe ist zwischen der Verbrennungskraftmaschine und den über den Antriebsstrang anzutreibenden Straßenrädern angeordnet. In einer erfindungsgemäßen Ausführung ist das Getriebe als Zahnradwechselgetriebe ausgebildet. In den Zahnradwechselgetrieben werden Schaltelemente zur Erstellung einer festen Verbindung zwischen drehbar gelagerten Zahnrädern bzw. Losrädern, die auf drehbaren Wellen angeordnet sind, und den Wellen eingesetzt. Damit wird eine Kraftübertragung zwischen Losrad und Getriebewelle möglich. Ein übliches Zahnradwechselgetriebe kann eine Mehrzahl von Zahnrädern, wie Festräder und Losräder, sowie mindestens ein Schaltelement umfassen. Ein Zahnradwechselgetriebe kann mit einer Vorgelegewelle, auf der Zahnräder zur Kraftübertragung angeordnet sind arbeiten. Besonders vorteilhaft sind automatisierte Zahnradwechselgetriebe, bei denen der Fahrer von dem Ablauf der Schaltsynchronisation befreit ggf. nur eine Gangwahl durchführen muss. Eine erste elektrische Maschine ist vorteilhaft zwischen Verbrennungskraftmaschine und Zahnradwechselgetriebe angeordnet, um z. B. die Drehmomenteinbringung in Betriebssituationen wie einer Beschleunigung eines Kraftfahrzeugs zu begünstigen. In einer derartigen Anordnung ist eine Eingangswelle des Zahnradwechselgetriebes sowohl von der Verbrennungskraftmaschine als auch von der ersten elektrischen Maschine antreibbar. Es kann allerdings in einer Betriebssituation, wie dem abschüssigen Rollen oder dem ebenerdigen Ausrollen, eines Kraftfahrzeugs auch eine Drehmomentübertragung durch das Zahnradwechselgetriebe hindurch, insbesondere auf eine elektrische Maschine erfolgen.
• Eine zweite elektrische Maschine, sofern vorhanden, ist vorzugsweise nicht spiegelident zur ersten elektrischen Maschine bzw. zwischen der ersten elektrischen Maschine und der Verbrennungskraftmaschine, sondern vorteilhaft am Zahnradwechselgetriebe angeordnet. Damit ist mit der zweiten elektrischen Maschine ein Drehmoment einer Zahnradwechselgetriebewelle zuführbar. Weiterhin kann die zweite elektrische Maschine in einer Drehmomentübertragungsverbindung stehen, insbesondere für Drehmomente aus dem Zahnradwechselgetriebe, vorzugsweise für Drehmomente, die über Getriebeuntereinheiten wie Zahnräder an der zweiten elektrischen Maschine anliegen. Die zweite elektrische Maschine kann mit einer Welle, insbesondere einer Vorgelegewelle des Zahnradwechselgetriebes, verbunden sein. Es kann eine Antriebsverbindung der zweiten elektrischen Maschine mit einer Nebenwelle des Zahnradwechselgetriebes vorgesehen sein. Vorteilhaft ist nach einem weiteren Aspekt auch eine drehkraftschlüssige Verbindung zwischen der zweiten elektrischen Maschine und einer Zahnradantriebsstruktur, wobei insbesondere das Zahnrad mit seiner Verzahnung in einem auf eine Getriebeabtriebswelle angeordneten Zahnrad, wie ein Losrad oder ein Festrad, eingreift. Die zweite elektrische Maschine kann mit ihrer Drehachse beziehungsweise ihrer Motorwelle in einer Antriebsverbindung zu einer Parallelwelle des Zahnradwechselgetriebes stehen. In diesem Fall erfolgt ein direkter Eingriff der zweiten elektrischen Maschine in den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs. Eine Variante dieser Konfigurationen in einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang stellt eine zweite elektrische Maschine dar, die mit einer Gegenwelle des Zahnradwechselgetriebes, insbesondere einer Gegenwelle, die gegenüber einer Antriebswelle oder Eingangswelle eines Zahnradwechselgetriebes angeordnet ist, in einem unmittelbaren Kraftschluss steht. In verwandten Anordnungen verläuft die Gegenwelle in einem Winkel von ca. 90° zur Hauptwelle, wie der Ei ngangswelle des Zahnradwechselgetriebes. Die zweite elektrische Maschine kann über eine Hohlwelle, insbesondere eine hohle Vorgelegewelle, mit den Einheiten des Zahnradwechselgetriebes gekoppelt sein. Es ist auch möglich, dass eine zweite elektrische Maschine vorgesehen ist, die direkt durch Übertragungseinheiten wie Zahnräder mit der Getriebeausgangswelle eine Antriebseinheit bildet. Nach einem Aspekt liegt somit eine trennbare Wirkverbindung vorzugsweise zwischen der zweiten elektrischen Maschine und einer Eingangswelle des Zahnradwechselgetriebes vor. Eine trennbare Übertragungsmöglichkeit von Drehkraft kann in Antriebssträngen mit Getrieben, die Getriebewellen umfassen, auch über schaltbare Wellen ausgebildet sein. Durch die Einbeziehung einer spezifischen Welle in einem Getriebe kann die Einkopplung einer elektrischen Maschine besonders energieeffizient ausgestaltet werden.
• Ein erstes Schaltelement des Zahnradwechselgetriebes sollte zwischen der ersten elektrischen Maschine und nachgeschalteten Baugruppen, wie der zweiten elektrischen Maschine, angeordnet sein. Das erste Schaltelement und mindestens ein Losrad sind vorzugsweise auf einer Welle, wie einer Vorgelegewelle montiert, die durch das erste Schaltelement über das Losrad mit der ersten elektrischen Maschine kraftschlüssig verbindbar ist. Das erste Schaltelement und ein Losrad können auch auf einer Welle, wie einer Getriebeeingangswelle, montiert sein. Mit dem ersten Schaltelement ist das Losrad festsetzbar. Eine kraftschlüssige Verbindung zu der – sofern vorhanden – zweiten elektrischen Maschine ist erstellbar. In einem effizienten Antriebstrang können auch mindestens ein Schaltelement und mindestens ein dem Schaltelement zugeordnetes Losrad auf der Getriebeeingangswelle oder auch mindestens ein Schaltelement mit mindestens einem zugeordneten Losrad auf einer Getriebewelle, wie einer Vorgelegewelle vorgesehen sein, wobei insbesondere das jeweilige Losrad jeweils mit mindestens einem Festrad auf mindestens einer zugeordneten Welle, wie einer Vorgelegewelle oder einer Getriebeeingangswelle, in Eingriff steht, sodass eine unterbrechbare Drehmomentübertragung zwischen einer elektrischen Maschine und einer Getriebewelle ermöglicht wird. Damit lässt sich die Zahl der im Getriebe erforderlichen Zahnräder optimieren. Das Getriebe weist mindestens zwei durch Übersetzungsverhältnisse unterscheidbare, schaltbare Gänge auf. Die Schaltzustände des Schaltelements werden über eine Betätigungseinrichtung bestimmt. Die Einstellung der Schaltzustände erfolgt mit der Betätigungseinrichtung über eine Hebelanordnung, insbesondere mit einer Schaltgabel. In davon abgeleiteten Ausführungen wird das erste Schaltelement von der Betätigungseinrichtung über ein Hydrauliköl betätigt, über welches den hydraulischen Aktuatoren wie am Schaltelement angeordneten Hydraulikzylindern eine Druckkraft zugeführt wird. Eine Betätigung eines ersten Schaltelements über Druckluft wird insbesondere in einer betriebsbedingt erforderlichen ölfreien Umgebung vorteilhaft realisiert. Es kann auch vorzugsweise im Rahmen einer günstigen Gesamtsystemauslegung des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, dass die Betätigungseinrichtung oder Aktuatorik mit einem Elektroantrieb, wie z. B. elektromechanisch oder elektromagnetisch, erfolgt. Zum Schalten erforderliche Energie kann z. B. aus einem elektrischen Zwischenspeicher bezogen werden. Je nach konstruktiver Anordnung eines Antriebsstrangs im Fahrzeug ist auch eine Betätigung eines ersten Schaltelements oder eines zweiten Schaltelements oder einer Kupplung jeweils durch eine eigenständig ausgelegte Öl- oder Luftdruck-, elektromechanische oder elektromagnetische Betätigung realisierbar. Vorzugsweise erfolgt das Schalten von Gangrädern über eine außerhalb einer zugeordneten Welle angeordnete Schaltgabel. Allerdings kann in bauraumeffizienten Ausführungen auch eine Aktuatorik, die durch einen Längskanal im Inneren einer Hohlwelle auf ein Schaltelement betätigend einwirkt, vorgesehen sein.
• Eine Betätigungseinrichtung ändert somit ein Schaltelement von einem Schaltzustand, der einem geöffneten Schaltzustand entspricht, in einen Schaltzustand, der einem geschlossenen Schaltzustand entspricht. In einem geöffneten Schaltzustand ist eine Drehmomentübertragung unterbrochen. Es liegt eine Trennung vor. In einem geschlossenen Schaltzustand liegt eine Drehmomentübertragungsverbindung vor. In Abhängigkeit von der Steuerungs- und Betätigungseinrichtung sind auch Übergangszustände durch das Schaltelement einnehmbar.
• Entsprechend der Betriebserfordernisse werden von der Betätigungseinrichtung Schaltvorgänge bewirkt, sodass ein Schaltelement in einem geschlossenen Zustand in Folge einen geöffneten Zustand einnimmt. In einer Ausführung eines hybridisierten Antriebsstrangs ist somit vorzugsweise ein Schaltelement, wie ein Losradschaltelement oder ein Getriebewellenschaltelement, in einer Antriebsverbindung zwischen der ersten elektrischen Maschine und leistungsflussmäßig nachgeordneten Baugruppen wie der zweiten elektrischen Maschine im Zahnradwechselgetriebe angeordnet. Sofern eine zweite elektrische Maschine vorhanden ist, erstellt in geschlossenem Zustand das erste Schaltelement eine mechanische Kraftübertragungsverbindung zwischen der zweiten elektrischen Maschine und der ersten elektrischen Maschine über das Zahnradwechselgetriebe. Eine Drehmomentübertragungsverbindung wird bei geschlossenem erstem Schaltelement durch eine Trennkupplung, insbesondere zwischen der zweiten elektrischen Maschine und der Verbrennungskraftmaschine, kuppelbar. Eine Betätigung der Kupplung durch eine Betätigungseinrichtung erfolgt vorzugsweise durch eine Hohlwelle mit einem axial sich erstreckenden Öffnungsquerschnitt. Es ist möglich, dass die Ansteuerung der Kupplung seitlich, insbesondere durch Zuleitung von Betätigungsimpulsen, wie z. B. Impulse mechanischer, hydraulischer, drucktechnischer, elektromechanischer oder elektromagnetischer Art erfolgt. Bei geöffnetem erstem Schaltelement ist eine mechanische Kraftübertragung zwischen erstem Schaltelement und zweitem Schaltelement unterbrochen. Dabei ist insbesondere eine Drehmomentzuführung der Verbrennungskraftmaschine zur zweiten elektrischen Maschine durch Getriebeeinheiten des Zahnradwechselgetriebes, insbesondere über Getriebewellen des Zahnradwechselgetriebes, unterbunden. Im geöffneten Zustand des ersten Schaltelements erstreckt sich der mechanische Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs von den Straßenrädern bis zur zweiten elektrischen Maschine, insbesondere über Einheiten des Zahnradwechselgetriebes. Ein weiteres Schaltelement ist vorteilhaft zwischen der zweiten elektrischen Maschine und einer Getriebeabtriebswelle angebracht. Damit ist eine Wirkverbindung zwischen den Straßenrädern und der zweiten elektrischen Maschine unterbrechbar. In einer solchen Konfiguration wird das Kraftfahrzeug durch Unterbrechung des Antriebstrangs reibungsreduziert im Freilauf betrieben.
• Unter einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann auch ausgeführt werden, dass sich ein hybridisierter Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs über eine Verbrennungskraftmaschine und mindestens eine elektrische Maschine und mindestens ein Schaltelement erstreckt. Der Antriebsstrang kann weiterhin ein Zahnradwechselgetriebe, insbesondere als automatisiertes Zahnradwechselgetriebe wie ein Doppelkupplungsgetriebe, umfassen. Das Doppelkupplungsgetriebe weist mindestens zwei Getriebeeingangswellen auf, die vorzugsweise in einer Hohlwellenkonfiguration konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die Kraftübertragung in dem Doppelkupplungsgetriebe erfolgt über ein Zahnradwechselgetriebe, das mindestens ein Schaltelement aufweist, das eine Drehbarkeit eines Zahnrads zu einer Welle schaltet. In geöffneter Schaltstellung ist das Zahnrad als Losrad frei auf der Welle drehbar. In dem Antriebsstrang kann ein Drehmomentenfluss über eine Vorgelegewelle, die Teil des Doppelkupplungsgetriebes ist, ausgebildet sein. Die Vorgelegewelle trägt mindestens ein, vorzugsweise mindestens zwei Zahnräder und insbesondere ein Schaltelement, das mindestens ein Zahnrad kontrolliert. Die elektrische Maschine ist in eine Antriebsverbindung stellbar. In der Antriebsverbindung erfolgt eine Drehmomentübertragung zwischen dem Doppelkupplungsgetriebe und der elektrischen Maschine. Ein unterbrechbarer Antrieb des Doppelkupplungsgetriebes aus der elektrischen Maschine kann über eine Verbindung, die mindestens ein Schaltelement erstellt, hinweg vorliegen. Es kann auch gesagt werden, dass ein unterbrechbarer Antrieb der elektrischen Maschine aus einem Doppelkupplungsgetriebe über eine Verbindung, die mindestens ein Schaltelement erstellt, vorliegen kann. Der Antrieb kann über einen Strang erfolgen, der eine Vorgelegewelle und insbesondere ein erstes Schaltelement des Zahnradwechselgetriebes einbindet. Die Antriebsverbindung ist durch eine Betätigungseinrichtung unterbrechbar. Die Betätigungseinrichtung wirkt nur auf Anweisung aus einer Steuerung auf die Antriebsverbindung, sodass ein Vorliegen der Antriebsverbindung mit einer Betriebszustandsvorwahl oder mit einer sensorischen Erfassung einer Betriebssituation eines Kraftfahrzeugs kontrollierbar ist. Die Antriebsverbindung kann auch die Verbrennungskraftmaschine umfassen. In dem Antriebsstrang ist eine Hauptleistungsquelle vorgesehen. Die Hauptleistungsquelle ist – insbesondere bei hoher Leistungsanforderung an das Kraftfahrzeug – einkoppelbar oder auch abkoppelbar, wenn ein besonders energiesparender Betrieb gewünscht ist. Die Hauptleistungsquelle kann durch die Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt werden. Es ist möglich, dass die Verbrennungskraftmaschine in einem Betriebszustand eine Hauptleistung überträgt.
• Bei dem Betrieb eines hybridisierten Antriebsstrangs ist nach weiteren Aspekten eine Verbrennungskraftmaschine an den Antriebsstrang ankuppelbar. Die hierbei eingesetzte Kupplung, wobei der Begriff „Kupplung“ in dem Zusammenhang, in dem er technisch realisierbar ist, immer auch im Sinne einer Doppelkupplung verstanden werden kann, stellt eine Verbindung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und insbesondere der ersten elektrischen Maschine her. Durch die Kupplung wird eine Drehmomentübertragungseinrichtung, wie eine Hauptantriebswelle, welche von der Verbrennungskraftmaschine wie einem Hubkolben- oder einem Rotationskolbenmotor, z. B einem Wankelmotor oder einem Kugelmotor, in Drehung versetzt wird, mit einer Welle der ersten elektrischen Maschine zusammengeschlossen. Eine zweite elektrische Maschine ist insbesondere im Getriebe, wie dem Zahnradwechselgetriebe, auf den Antriebsstrang aufschaltbar. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung erfolgt die Aufschaltung einer zweiten elektrischen Maschine auf den Antriebsstrang zwischen einer Getriebeeinheit wie dem Zahnradwechselgetriebe und den anzutreibenden Straßenrädern, insbesondere zwischen einer Getriebeeinheit und einem Differenzialgetriebe. Das Differenzialgetriebe dient zur Drehmomentverteilung auf die anzutreibenden Straßenräder.
• Von den vorhandenen, insbesondere zwei, elektrischen Maschinen des hybridisierten Antriebsstrangs wird in einem ersten Betriebszustand mindestens eine elektrische Maschine als Antriebsmaschine benutzt. Die zum Antrieb eingesetzte elektrische Maschine wird durch Stromzufuhr aus einem elektrischen Zwischenspeicher in Rotation gebracht. Als elektrischer Speicher kommen Speicherbatterien, wie Lithium-Ionen-Akkus und andere wieder aufladbare Stromspeicher mit hoher Speicherkapazität, zum Einsatz. Derartige Speicher weisen eine Kapazität auf, die einen Dauerbetrieb der elektrischen Maschinen als Motoren über eine anforderungsbedingte Betriebszeit, wie zum Beispiel eine Dauerbetriebszeit von mehr als dreißig Minuten, vorzugsweise mehr als eine Stunde, sicherstellen.
• In dem ersten Betriebszustand können sowohl die erste elektrische Maschine als auch die zweite elektrische Maschine in einer Antriebsverbindung des Antriebsstrangs als Antriebsmaschinen betrieben werden. In einem solchen Betriebszustand lässt sich ein maximaler Drehmomenteintrag im Antriebsstrang, insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen von Kraftfahrzeugen, erzielen. Damit wird die Verkehrssicherheit von Kraftfahrzeugen z. B. bei Überholvorgängen erhöht. Nach Anforderung wird zunächst eine der elektrischen Maschinen, wie die zweite elektrische Maschine, auf den Antriebsstrang aufgeschaltet. Erweist sich ein zusätzlicher Beschleunigungsschub als erforderlich, kann auch eine weitere elektrische Maschine, wie die erste elektrische Maschine, in einen Betriebszustand entsprechend einer Antriebsmaschine versetzt werden. Abhängig von der jeweiligen Fahrsituation bzw. der erforderlichen Fahrgeschwindigkeit ist auch ein elektrischer Antrieb bzw. ein elektrischer Zusatzantrieb mit der ersten elektrischen Maschine vorteilhaft durch ein Zuschalten der zweiten elektrischen Maschine als Antriebsmotor zu ergänzen. In einer weiteren Variante des ersten Betriebszustands erfolgt der Antrieb des Kraftfahrzeugs nur durch eine elektrische Maschine, insbesondere der zweiten elektrischen Maschine. Ein derartiger Betrieb erfolgt vorzugsweise bei Anfahrvorgängen oder im Start-Stopp-Betrieb, z. B. im Stadtverkehr oder im Stau, also insbesondere in Situationen, welche wiederholte Anfahrvorgänge in kurzen Zeitabständen erforderlich machen. In einer anderen Variante des ersten Betriebszustandes wird eine der elektrischen Maschinen, insbesondere die erste elektrische Maschine, als Motor zur Erzeugung einer Drehkraft in Funktion eines Anlassers eingesetzt, mit der eine angekoppelte Verbrennungskraftmaschine in einen Ablauf von Motorzyklen, wie bspw. bei einem Zweitakt- oder Mehrtaktverbrennungsmotor, überführt wird. Nach Initiierung des Zyklenablaufs der Taktfolge des Verbrennungsmotors erfolgt dann ein Eintrag von Drehmoment in den Antriebsstrang. Die Drehmomente werden generiert durch Umwandlung von Kräften, die bei der Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen erzeugt werden, in Rotationskräfte für den Antriebsstrang. Ein derartiger Betriebszustand ist insbesondere bei Erschöpfung des elektrischen Speichers vorteilhaft einzusetzen. Weiterhin lässt sich durch ein solches Zuschalten der Verbrennungskraftmaschine in den Antriebsstrang die Bewältigung ausgedehnter Steigungen und Höhenzüge mit einem Kraftfahrzeug, das mit einem hybridisierten Antriebsstrang ausgestattet ist, erleichtern. Im Rahmen eines solchen Betriebszustands werden die erste bzw. die zweite elektrische Maschine auch zur kontrollierten Erhöhung von Wellendrehzahlen des Zahnradwechselgetriebes eingesetzt. Die Wellendrehzahlkontrolle erfolgt aufgrund von Drehzahlsensorsignalen durch eine elektrische Steuerung. Die Drehzahlsensorsignale werden hierbei von Drehzahlaufnehmern bzw. Rotationssensoren an mindestens einer Welle erzeugt und der elektrischen Steuerung zugeführt. Eine Drehzahlkontrolle wird auch bei einer entsprechend durchgeführten Stabilisierung einer Drehzahl einer Zahnradwechselgetriebeausgangswelle auf einen Drehzahlsollwert vorgenommen. Derartige Getriebewellendrehzahlregulierungen werden insbesondere in Kombination von Betriebszuständen aus mindestens einem ersten Betriebszustand mit mindestens einem zweiten Betriebszustand, der sich z. B. wie folgt beschreiben lässt, durchgeführt.
• In einem zweiten Betriebszustand dient mindestens eine der elektrischen Maschinen als Generator. In einer Variante dieses Betriebszustands dient die erste elektrische Maschine als Generator, der von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Die erzeugte elektrische Energie wird einem elektrischen Zwischenspeicher zugeleitet und von diesem vorübergehend aufgenommen. In einem gemischten Betriebszustand ist die hierbei erzeugte elektrische Energie der zweiten elektrischen Maschine als Antriebsenergie zuführbar. In einer weiteren Variante des zweiten Betriebszustands wird die Rotationsenergie zur Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere in der zweiten elektrischen Maschine, auf Grund von Rotation einer durch die Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Welle zur Verfügung gestellt. Bei dieser Betriebszustandsvariante liegt insbesondere eine Ausführung der antreibbaren Welle als Vorgelegewelle vor. Weiterhin ist ein Antrieb mindestens einer elektrischen Maschine über eine Hauptwelle des Zahnradwechselgetriebes durch die Verbrennungskraftmaschine realisierbar.
• Eine Drehbewegung der Straßenräder des Kraftfahrzeugs erlaubt – anders gesagt – die Erzeugung elektrischer Energie bei einem Betrieb der elektrischen Maschinen als Generator, wobei insbesondere die Rotationsenergie von der Verbrennungskraftmaschine über angetriebene Wellen zur Verfügung gestellt wird. Andererseits kann in dem zweiten Betriebszustand auch der Antrieb rotierender Wellen wie der Vorgelegewellen oder der Getriebeeingangswellen für weitere Drehmomentnutzungen gebraucht werden. Durch Generatorbetrieb einer elektrischen Maschine wird hierbei eine Bremskraft auf die angetriebenen Wellen ausgeübt. Diese Generator-Bremskraft ist zur Abbremsung der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs nutzbar. Dabei wird in einer als Generator betriebenen elektrischen Maschine, insbesondere der zweiten elektrischen Maschine, Bewegung in elektrischen Strom umgewandelt. Durch diese Rückgewinnung von Energie aus Bremsleistung wird, im Gegensatz zur Umwandlung von Bremsenergie in Wärme bei konventioneller Abbremsung eines bewegten Kraftfahrzeugs, die in der Bewegung, insbesondere in der Geschwindigkeit, gespeicherte Energie rückgewonnen. Die über den Generator rückgewonnene Energie wird als Strom im elektrischen Zwischenspeicher zur späteren Verwendung als Antriebsstrom, z. B. für die erste oder die zweite elektrische Maschine im ersten Betriebszustand, aufgenommen.
• In einer weiteren Variante des zweiten Betriebszustands werden die erste elektrische Maschine und, sofern vorhanden, die zweite elektrische Maschine jeweils in Generatorfunktion über den Antriebsstrang in eine Antriebsverbindung versetzt. Hierbei erfolgt der Antrieb der ersten elektrischen Maschine durch die Drehung der Straßenräder über den Antriebsstrang. Dabei wird durch Kombination der ersten elektrischen Maschine und der weiteren, wie z. B. der zweiten, elektrischen Maschine eine erhöhte Bremswirkung erzielt. Eine Bremswirkung der ersten elektrischen Maschine ist insbesondere durch den Schaltzustand oder Gang bzw. das gewählte Übersetzungsverhältnis für die Rotationsübertragung durch das Zahnradwechselgetriebe an den Betriebszustand anpassbar. Dies ist bspw. bei langstreckigen Gebirgsabfahrten von unterschiedlichem Gefälle nützlich.
• Weitere Ausführungen, die für sich alleine zusätzliche, erfinderische Aspekte und Merkmale mit erfinderischem Abstand darstellen können, ergeben sich aus den weiteren Beschreibungen.
• Neben dem ersten und dem zweiten Betriebszustand können natürlich auch weitere Betriebszustände durch solche Antriebsstränge eingenommen werden. In einem dritten Betriebszustand einer elektrischen Maschine, wie der ersten elektrischen Maschine oder der zweiten elektrischen Maschine, befindet sich die mechanisch angetriebene elektrische Maschine in einem elektrischen Ruhezustand. Ein solcher Ruhezustand ist durch Unterbrechung einer elektrischen Leitung bzw. ergänzend durch ein Brücken zwischen Polen der elektrischen Leitung zu der jeweiligen elektrischen Maschine einstellbar. Dieser Betriebszustand trägt zur Verringerung von elektrischen Schleppverlusten in der jeweiligen elektrischen Maschine bei.
• In einer vorteilhaften Ausführung eines Antriebsstrangs steht die zweite elektrische Maschine über mindestens eine Getriebeeinheit mit mindestens einer Vorgelegewelle in Verbindung. Ein Kraftschluss zwischen der zweiten elektrischen Maschine und der einen Vorgelegewelle erfolgt in einer derartigen Ausführung über zwei Zahnräder. Hierbei ist eines der Zahnräder drehfest mit der zweiten elektrischen Maschine, insbesondere deren Rotorwelle, verbunden. Das zweite Zahnrad ist drehfest mit einer Getriebewelle, wie der Vorgelegewelle, verbunden. In einer Variante dieser Ausführung ist die Verbindung zwischen dem Zahnrad, das der zweiten elektrischen Maschine zugeordnet ist, und der Rotorwelle der zweiten elektrischen Maschine durch ein Schaltelement trennbar. Vorzugsweise erfolgt die Kraftübertragung zwischen einer Getriebewelle, wie der Vorgelegewelle, durch Verbindung eines auf der Vorgelegewelle angeordneten Losrads mit der Vorgelegewelle über ein dazu angeordnetes Schaltelement. Mit einem derartig angeordneten Schaltelement auf der Vorgelegewelle wird in einem geöffneten Zustand des Schaltelements eine Kraftübertragung zwischen der Vorgelegewelle und einer weiteren Getriebewelle wie der Getriebeeingangswelle unterbunden. Sind mehrere Schaltelemente auf der mit der zweiten elektrischen Maschine in Kraftfluss stehenden Vorgelegewelle angeordnet, so erfolgt durch eine Öffnung dieser Schaltelemente eine Unterbrechung des Kraftschlusses über die Losräder. In einem solchen Zustand erfolgt keine Drehmomentübertragung zwischen den jeweils zugeordneten Losrädern und den in die Verzahnung der Losräder eingreifenden Festräder, die auf anderen Getriebewellen, wie der Getriebeeingangswelle, einer zweiten Vorgelegenwelle, einer parallelen Wellen, einer Nebenwelle oder einer entsprechenden Welle angeordnet sind. Insbesondere erfolgt damit eine Unterbrechung einer Drehmomentübertragungsverbindung im Antriebsstrang zwischen der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine. In geöffnetem Zustand der Schaltelemente, die auf der Vorgelegewelle angeordnet sind, die mit der zweiten elektrischen Maschine in Kraftschluss steht, liegt eine kraftschlüssige Antriebsverbindung nur zu einer Welle wie der Getriebeausgangswelle bzw. zum Achsdifferenzial vor. Somit ist ein Betriebszustand verwirklicht, bei dem ein von der Verbrennungskraftmaschine erzeugtes Drehmoment im Antriebsstrang nur zur ersten elektrischen Maschine übertragbar ist.
• Die zweite elektrische Maschine kann als ein Antriebsmotor vorgesehen sein, der in einem Betriebszustand vorzugsweise als einziger Antriebsmotor mechanische Antriebskraft im Antriebsstrang erzeugt. Der Strom für den elektrischen Motorbetrieb wird vom elektrischen Zwischenspeicher der zweiten elektrischen Maschine zugeführt. Auf Grund einer kraftschlüssigen Verbindung mit den Straßenrädern versetzt die zweite elektrische Maschine in diesem Betriebszustand die Straßenräder in Drehung, wodurch sich das Kraftfahrzeug fortbewegt. Die Antriebsfunktion der zweiten elektrischen Maschine, vorzugsweise als einziger Antriebsmotor, ist insbesondere durch Zuschalten der ersten elektrischen Maschine zur zweiten elektrischen Maschine ergänzbar. In einer weiteren Funktion bzw. vorteilhaften Ausgestaltung unterstützt die zweite elektrische Maschine als ein zusätzlicher Antriebsmotor die Antriebsfunktion der ersten elektrischen Maschine. Weiterhin ist die zweite elektrische Maschine, sofern vorhanden, auf Grund einer kraftschlüssigen Verbindung im Antriebsstrang zu den Straßenrädern als ein Generator einsetzbar. Ein rollendes Kraftfahrzeug kann hierbei die zweite elektrische Maschine als Generator antreiben. Der somit erzeugte elektrische Strom dient zur Aufladung eines Akkumulators. Die Aufladung des Akkumulators lässt sich dabei durch ein Zuschalten der ersten, als Generator betriebenen elektrischen Maschine zur zweiten elektrischen Maschine beschleunigen. Durch diese Funktion als mechano-elektrischer Wandler wird die von der zweiten elektrischen Maschine bzw. der ersten elektrischen Maschine gewonnene Energie einem elektrischen Zwischenspeicher zugeführt. Die rückgewonnene elektrische Energie steht auch für weitere elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeuges, wie der Kraftfahrzeugbeleuchtung oder einer Zündanlage der Verbrennungskraftmaschine, zur Verfügung.
• Die Verbrennungskraftmaschine des hybridisierten Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs ist vorzugsweise in einem Grundlastbetrieb, wie bei der Bewältigung längerer Fahrstrecken, einzusetzen. Auf Grund der Betriebskennlinien der Verbrennungskraftmaschine ist eine Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine festlegbar, bei der unter gegebener Antriebslast höchste Betriebseffizienz bei geringstmöglichem Treibstoffverbrauch zu erzielen ist. Kurzfristige Geschwindigkeitserhöhungen – bei einem solchen effizienten Verbrennungskraftmaschinenbetrieb – werden mit der ersten elektrischen Maschine erzielt, indem die erste elektrische Maschine als Antriebsmotor im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs mit Strom aus dem elektrischen Zwischenspeicher versorgt wird. Abhängig vom elektrischen Ladezustand des Zwischenspeichers, wie einem Akkumulator, wird hierbei durch die Stromzufuhr die Beschleunigungsleistung der ersten elektrischen Maschine für das Kraftfahrzeug bestimmt. Die Beschleunigungsleistung wird zusätzlich zur Leistung der Verbrennungskraftmaschine über die Getriebeeingangswelle dem Getriebe, wie dem Zahnradwechselgetriebe oder einem Planetengetriebe, zur Verfügung gestellt. Vorteilhafterweise verbleibt die Verbrennungskraftmaschine durch den Einsatz der ersten elektrischen Maschine als Beschleunigungsmotor in einer Betriebsart, die vorzugsweise der Betriebsart möglichst hoher Effizienz der Verbrennungskraftmaschine entspricht. Bei drohender Erschöpfung des elektrischen Zwischenspeichers ist hierbei eine Unterstützung der Beschleunigung bzw. des Antriebs im Antriebsstrang durch Änderung der Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine vornehmbar. Weiterhin ist die Betriebsart der ersten elektrischen Maschine von einem Antriebsbetrieb zu einem Generatorbetrieb umschaltbar, sodass über den Antriebsstrang ein Generatorbetrieb der ersten elektrischen Maschine zur Aufladung des elektrischen Zwischenspeichers erfolgt.
• Für derartige Betriebsarten der ersten elektrischen Maschine in Zusammenhang mit der Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere eine kraftschlüssige Verbindung zwischen einer Hauptantriebswelle der Verbrennungskraftmaschine und der ersten elektrischen Maschine erforderlich. Durch eine solche Betriebsstellung einer geschlossenen Trennkupplung wird eine Welle als durchgehende Antriebsverbindung im Antriebsstrang zusammengefügt. Dieser Wellenverbund umfasst die Hauptantriebswelle der Verbrennungskraftmaschine, die Rotorwelle der ersten elektrischen Maschine und eine Hauptwelle, wobei die Hauptwelle insbesondere eine Fortsetzung der Getriebeeingangswelle des Zahnradwechselgetriebes darstellt.
• In einer sehr energieeffizienten Ausführung eines Antriebsstrangs ist die Trennkupplung vorteilhaft als Klauenkupplung ausgeführt, die über eine verzahnende Verbindung eine ankuppelbare bzw. trennbare Verbindung im Antriebstrang erstellt. Der Vorteil einer Klauenkupplung liegt darin, dass eine Drehmomentübertragung über die Kupplung schlupffrei und somit reibungsverlustfrei erfolgt. Die Klauenkupplung wird vorzugsweise elektromechanisch mit einer Klauenschaltung aktuiert. Allerdings sind auch Varianten mit einer Druckaktuierung der Kupplung über Hydraulikflüssigkeit oder ein Druckgas bzw. unter Einsatz elektromagnetischer Kräfte möglich.
• In einer besonders drehmomenteffizienten Ausführung des energieeffizienten Antriebsstrangs, insbesondere für die hohen Anforderungen im Anfahrbetrieb bei einem Rennstart, wird das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine über eine Trennkupplung wie eine Reibkupplung dem Antriebsstrang zugeführt. Die Drehmomentzufuhr erfolgt dabei vorteilhaft in Ergänzung der durch die elektrischen Maschinen eingebrachten Drehmomente, wobei sich eine Gewichtsersparnis durch die angemessene Lastauslegung bzw. niedrigere Dimensionierung der Kupplung und der elektrischen Maschinen bei anforderungsgerechtem Startdrehmoment des Rennfahrzeugs ergibt. Eine solche Reibkupplung wird vorzugsweise als Trockenkupplung eingesetzt, allerdings sind auch Ausführungen mit Nasskupplung möglich. Weitere Kupplungen oder Schaltelemente zwischen Verbrennungskraftmaschine bzw. Verbrennerkraftmaschine und Getriebeeingang zur Erstellung beziehungsweise Unterbrechung einer Drehkraftübertragung über eine verbindende Welle können erfindungsgemäß vorgesehen sein.
• Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung steht die erste elektrische Maschine mit einer Welle, wie der Hauptwelle, in einer Wirkverbindung. In dieser Wirkverbindung erfolgt ein Energieaustausch zwischen der Welle und der ersten elektrischen Maschine in Form von Rotationsenergie. Die Welle kann als Rotorwelle eine Komponente der ersten elektrischen Maschine bilden. Die erste elektrische Maschine umfasst weiterhin wenigstens eine Statorwicklung, die die Rotorwelle umschließt. Eine Statorwicklung ist beispielsweise eine spulenartige Anordnung bzw. eine Induktivität, in der durch einen Stromfluss ein Magnetfeld erzeugt wird, welches auf die Rotorwelle wirkt. Aufgrund einer drehfesten Abstützung der Statorwicklung z. B. an der Kraftfahrzeugstruktur bewirken die durch elektrischen Strom erzeugten Magnetfelder der Statorwicklung eine Wellenrotation. Die Rotationsrichtung ist über die Richtung des zugeführten Stroms an der Statorwicklung bestimmbar. Die Stromrichtungsvorgabe erfolgt vorzugsweise durch eine elektrische Steuereinheit. Die elektrische Steuereinheit regelt auch die Menge des zugeführten Stroms und/oder die Stärke des zugeführten Stroms. In der somit bestehenden Wirkverbindung entspricht einer Stromstärke durch eine Statorwicklung ein an der Welle des Antriebsstrangs erzeugtes Drehmoment. In einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine werden durch bewegte und somit veränderliche Magnetfelder elektrische Ströme insbesondere in der Statorwicklung generiert und durch elektrische Leitungsverbindungen hindurch in Akkus zwischengespeichert.
• Auf Grund der Zuordnung der Verbrennungskraftmaschine und der ersten elektrischen Maschine zu einer angetriebenen Welle des Antriebsstrangs werden mögliche Verluste, die bei einer Zusammenführung von zwei Leistungszweigen entstehen können, vermieden.
• Die erste elektrische Maschine ist vorteilhaft zum Betrieb in einem Energiebereich ausgelegt, bei dem nur eine geringe Last aufgenommen oder abgegeben wird. Durch die Auslegung für einen Betrieb in einem Niedriglastbereich ist die erste elektrische Maschine vorteilhaft im Dauerbetrieb, wie dem seriellen Dauerbetrieb durch die Verbrennungskraftmaschine, einsetzbar. Weiterhin lassen sich bei einer geeigneten Auslegung der elektrischen Maschine, insbesondere deren Wicklungen zur Magnetfelderzeugung, insbesondere hinsichtlich Anzahl, Dichte und Anordnung von Leitungswindungen und Querschnitten, präzise Drehzahlanpassungen der Rotorwelle der ersten elektrischen Maschine verwirklichen. Derartige Funktionen sind bei einem Betrieb der ersten elektrischen Maschine, z. B. als Synchronisator zwischen dem Zahnradwechselgetriebe und der Verbrennungskraftmaschine, von Vorteil. Die Auslegung kann auch die Anordnung, Form und den magnetischen Fluss von Permanentmagneten betreffen. Vorzugsweise ist die zweite elektrische Maschine auf einen hochtourigen Drehzahlbereich ausgelegt. Die zweite elektrische Maschine kann für die energetischen Erfordernisse in Verbindung mit dem Lastaustausch zur Getriebeausgangswelle ausgelegt sein. Im Niedriglastbereich dreht vorzugsweise eine Welle mit fünfhundert bis zweitausend Umdrehungen pro Minute. In einem derartigen Drehzahlbereich laufen Verbrennungskraftmaschinen besonders energieeffizient. Im Vergleich dazu wird die zweite elektrische Maschine vorzugsweise für einen Betrieb ausgelegt, bei dem mindestens fünftausend, aber vorteilhaft zehntausend Umdrehungen pro Minute erreichbar sind. Eine solche Auslegung bietet einen großen dynamischen Bereich z. B. für den Stadtverkehr. Erweiterte Geschwindigkeitsdynamik ist bei einer Auslegung der zweiten elektrischen Maschine für zwanzigtausend Umdrehungen pro Minute erzielbar. Eine solche Konfiguration ist energetisch vorteilhaft, weil z. B. in Bezug auf die aufzuwendende elektrische Energie ein vergleichbar hohes Drehmoment zu erhalten ist (Faktor zwischen elektrischer Energie und Drehmoment). Ein weiteres Kriterium für die Messung energetisch vorteilhafter Gestaltungen ist die Gegenüberstellung von Nutzenergie und Verlustenergie.
• Nach einem erfindungsgemäßen Aspekt ist die erste elektrische Maschine eine permanent erregte Synchronmaschine. Hierbei bewegt sich ein konstant-magnetisierter Läufer, der auf der Rotorwelle angeordnet ist, in einem Stator. Der Stator umfasst eine Anordnung zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes. Vorzugsweise ist der Synchronmotor als ein bürstenloser Gleichstrommotor ausgestaltet. Es sind allerdings auch Ausführungen von Antriebssträngen mit Synchronmotoren, die durch Wechselstrom angeregt werden, möglich. Synchronmotoren zeichnen sich durch besondere Effizienz aus, da sie im Normalbetrieb keinen Schlupf aufweisen. Durch Fremdanregung der Rotorwelle erzeugen die damit bewegten Permanentmagnete in den Statorwicklungen einen Strom, sodass der Synchronmotor bei diesem fremderregten Betrieb als stromgenerierende Elekromaschine arbeitet. Die zweite elektrische Maschine ist vorzugsweise als Asynchronmaschine ausgebildet. Auch diese Ausführung einer elektrischen Maschine lässt einen Einsatz als Motor oder als Generator zu. Ein solcher Asynchronmotor ist insbesondere vorteilhaft durch sein Anlaufverhalten beim Start-Stopp-Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Damit sind große Antriebsmomente beim Anlaufen des Motors aus dem Stillstand des Fahrzeugs erzielbar. Derartige Motoren sind wartungsarm und weisen eine lange Lebensdauer auf. Weiterhin sind die Motoren resistent gegen kurzzeitige Überlast, die beim Betrieb im Antriebsstrang auftreten kann.
• Mit der zweiten elektrischen Maschine können verschiedene Leistungsstufen realisiert werden, die vorzugsweise bei Fahrzeugen zum Einsatz kommen, welche in einem ersten Normalbetrieb bis ca. 150 km/h oder bis ca. 160 km/h (Stundenkilometer) gefahren werden und in einem zweiten Sportbetrieb über 160 km/h hinaus durch den Antriebsstrang beschleunigt werden. Diese zwei Leistungsstufen können dadurch realisiert sein, dass die erste elektrische Maschine einen zweiteiligen Aufbau aufweist, wobei im Normalbetrieb nur ein erster Teilmotor bspw. ein Asynchronmotor zum Einsatz kommt und im Sportbetrieb ein zweiter Teilmotor der zweiten elektrischen Maschine bspw. ein Synchronmotor zugeschaltet wird. Das Zuschalten erfolgt hierbei elektrisch, insbesondere durch Zufuhr elektrischer Energie bzw. Strom zu der zweiten elektrischen Maschine. Vorzugsweise sind der erste Teilmotor und der zweite Teilmotor der zweiten elektrischen Maschine durch ein Schaltelement verbunden, welches über eine Betätigungseinrichtung im Normalbetrieb geöffnet wird. Im Normalbetrieb entstehen somit durch den zweiten Teilmotor keine zusätzlichen Schleppverluste.
• In einer weiteren Ausführung ist ein zweistufiger Sport- bzw. Normalbetrieb dadurch verwirklicht, dass die zweite elektrische Maschine über eine schaltbare Getriebeeinheit in dem Antriebsstrang wirkt. Dabei ist in der Getriebeeinheit ein zweites Schaltelement vorgesehen, das in der Antriebsverbindung zwischen der zweiten elektrischen Maschine und einem Achsdifferenzial angeordnet ist. Mit dem zweiten Schaltelement ist mindestens ein Gang, vorzugsweise zwei Gänge, schaltbar. Durch die Betätigungseinrichtung wird dabei ein erster Gang eingelegt, der einem ersten Zahnradverhältnis entspricht. Ein Zahnradverhältnis bzw. eine Übersetzung ist z. B. ein Verhältnis des Zahnradumfangs eines durch das Schaltelement schaltbaren Losrads und eines Zahnradumfangs eines im Eingriff befindlichen Festrads. Die Betätigungseinrichtung kann gegebenenfalls einen zweiten Gang einlegen, der mit einem zweiten Zahnradverhältnis einem hohen Geschwindigkeitsbereich z. B. über 160 km/h oder über 250 km/h im Rennsport angepasst ist. Durch die Betätigungseinrichtung kann weiterhin das Schaltelement in einem geöffneten Zustand betrieben werden, in dem das Schaltelement nicht in einem Drehmomentübertragungsfluss steht. Somit läge eine Unterbrechung des Antriebsstrangs vor. Dieser Betriebszustand kann als eine Variante eines dritten Betriebszustands des Antriebsstrangs verstanden werden, wobei zusätzlich zu elektromagnetischen Schleppverlusten auch mechanische Schleppverluste durch den Antriebsstrang minimiert werden.
• Das Zahnradwechselgetriebe kann in einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet sein. In dem Doppelkupplungsgetriebe sind vorzugsweise zwei Teilgetriebe vorgesehen, wobei in einem Teilgetriebe Konfigurationswechsel von Kraftübertragungspfaden über Zahnräder, z. B. zur Ausbildung eines gewählten Gangs bzw. zum Einlegen eines gewählten Gangverhältnisses, vornehmbar ist. Anders gesagt, ein Doppelkupplungsgetriebe im Antriebsstrang kann auch zwei Zahnradwechselteilgetriebe umfassen. Das Zahnradwechselgetriebe bzw. Teilgetriebe kann auch als Element eines Baukastensystems bereitgestellt werden. Mit einem Doppelkupplungsgetriebe lassen sich Betriebszustandsänderungen flexibler vornehmen, ohne dass ein Erfordernis gegeben ist, in Schaltphasen einen Antriebsstrang über längere Zeit (im Sekundenbereich) zu unterbrechen.
• Zu den Betriebszustände werden solche Betriebszustände gezählt, die unter anderem, d. h. nicht ausschließlich, den Betrieb einer elektrischen Maschine in einem elektrischen Antriebsmodus, auch „E-Modus“ genannt, zur Drehmomentabgabe, den Betrieb in einem Hybridmodus „Hybrid“ in Kombination mit einer Verbrennungskraftmaschine, den Betrieb in einem Lademodus „Charge“, der auch als Generatormodus für elektrische Energie gennant, insbesondere für einen elektrischen Speicher, bezeichnet werden kann, und in einem Energie- sowie Stromsparmodus, auch „E-Safe“ genannt, insbesondere wenn keine Wirkung im Antriebsstrang erfolgen soll, umfassen. Ein Vorteil eines entsprechenden Antriebsstrangs ist darin zu sehen, dass unter anderem ermöglicht ist, einen elektrischen Speicher oder Zwischenspeicher für elektrische Energie kleiner (im Vergleich mit einem reinen Elektroantrieb) zu dimensionieren. Dadurch werden die Kosten und auch die Gewichtserhöhung für solche Speicher so gering wie möglich gehalten.
• In dem Antriebsstrang kann ein Zahnradwechselgetriebe mit einem Planetengetriebe kombiniert werden. Ein Planetengetriebe kann dem Zahnradwechselgetriebe vorgeschaltet sein. Das Planetengetriebe ist z. B. von einer Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Eine Ausgangsseite des Planetengetriebes ist mindestens einer Antriebswelle eines Zahnradwechselgetriebes zugeordnet. Antriebsenergie ist durch das Planetengetriebe übertragbar. Die zugeführte Antriebsenergie eines Planetengetriebes kann von mindestens einer elektrischen Maschine zugeführt werden bzw. stammen. Das Planetengetriebe erhält – in dieser Konfiguration –, insbesondere gleichzeitig zum Antrieb durch eine elektrische Maschine, Antriebsenergie von der Verbrennungskraftmaschine. Die Antriebsenergie kann durch die elektrische Maschine oder auch durch die Verbrennungskraftmaschine übertragen werden. Zwischen dem Planetengetriebe und dem Zahnradwechselgetriebe, die jeweils auch als Teilgetriebe bezeichnet werden können, kann mindestens ein Schaltelement angeordnet sein, über das ein Drehmoment zwischen den Teilgetrieben übertragbar ist. Das Schaltelement ermöglicht eine Trennung der Teilgetriebe, sodass keine Drehmomentübertragung zwischen den Teilgetrieben erfolgt. Zwischen den Teilgetrieben kann allerdings auch eine Kupplung, wie eine Doppelkupplung, angeordnet sein. Eine Doppelkupplung ermöglicht eine flexible Einbindung unterschiedlicher Teilgetriebe in einen Antriebsstrang. Bei einem geschlossenen Schaltelement bzw. bei einer geschlossenen Kupplung kann Drehmoment über das Zahnradwechselgetriebe, z. B. Drehmoment, das von den Rädern des Kraftfahrzeugs oder von einer zweiten elektrischen Maschine generiert wird, durch das Planetengetriebe hindurchgeleitet werden, z. B. um eine Verbrennungskraftmaschine zu drehen oder um eine besonders effiziente Bremswirkung bei einer Abfahrt bzw. einem Abrollen auf steilem Gefälle zu erzielen.
• Das Zahnradwechselgetriebe kann als Vierganggetriebe, insbesondere als Viergang-Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet sein. Die Verwendung eines Vierganggetriebes ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise mit geringem Gewicht und kurzen Wellen, die insbesondere für geringere Transversalkräfte und Torsionsbeanspruchungen ausgelegt sein können, als Getriebe mit einer größeren Anzahl von Gängen. Das Vierganggetriebe weist vorzugsweise ausschließlich Vorwärtsgangstufen auf, die als Übersetzungsstufen in 2 × 2 Ganggruppen unter Nutzung von Vorgelegewellen realisiert sein können. Insbesondere ist in dem Zahnradwechselgetriebe kein Rückwärtsgang vorgesehen, wodurch sich dessen Aufbau zusätzlich weiter vereinfacht.
• Durch Kombination eines Planetengetriebes mit einer vorgebbaren Anzahl von Gangstufen, insbesondere von zwei Gangstufen, und eines Zahnradwechselgetriebes mit einer vorgebbaren Anzahl von Gangstufen, insbesondere von vier Gangstufen, lassen sich auf einfache Weise modular eine Vielzahl von Gangstufen, beispielsweise 2 × 4 Gangstufen, bereitstellen. Je nach Einsatzgebiet des Antriebsstrangs in einem Kraftfahrzeug können z. B. nur die günstigsten Kombinationen als Schaltstufen, z. B. in Gestalt von 8 Gängen, oder auch die günstigsten Kombinationen mit z. B einer oder mehreren elektrischen Maschinen bereitgestellt werden. Bei Verwendung einer automatisierten Schaltungssteuerung können vorprogrammierte Algorithmen eine günstigste Schaltstufe sowie einen energetisch vorteilhaftesten Betrieb mit einer oder mehreren elektrischen Maschinen z. B. in Verbindung mit der Verbrennungskraftmaschine wählen.
• Mindestens eine Rückwärtsgangstufe, die abtriebsseitig am Getriebe eine im Vergleich zur Vorwärtsgangstufe invertierte Drehrichtung einer Welle anbietet, kann in einem Planetengetriebe realisiert sein. Eine Rückwärtsgangstufe ist – als Alternative – durch eine Drehrichtung einer elektrischen Maschine bereitstellbar, wobei insbesondere die Schaltung einer Rückwärtsdrehung durch elektronische Mittel, wie Schalter zur Stromrichtungswahl, erfolgt.
• Beim Betrieb eines hybridisierten Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang wird vorteilhaft eine der elektrischen Maschinen, wie die erste elektrische Maschine, beim Einkuppeln eingesetzt. Dabei erfolgt eine Verbindung der Verbrennungskraftmaschine mit dem Antriebsstrang. Zur Herstellung der Verbindung ist insbesondere eine Anpassung der Drehzahl einer Welle des Antriebsstrangs an eine Drehzahl der verbrennungskraftmaschinengetriebenen Hauptantriebswelle erforderlich. Die Anpassung ist durch passive Synchronisationselemente in der Kupplung, insbesondere bei Trockenkupplungen, möglich. Dabei auftretende Reibungsverluste, durch Umwandlung eines Drehzahlunterschieds der zu kuppelnden Wellen, sind durch eine aktive Drehzahlanpassung vorteilhaft vermeidbar. Hierdurch ist eine besonders übertragungseffiziente und energiesparende Klauenkupplung im Antriebsstrang vorteilhaft einsetzbar. Die erste elektrische Maschine lässt sich als Beschleunigungsmotor betreiben, um eine Drehzahl der Eingangswelle eines Zahnradwechselgetriebes auf eine Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine zu erhöhen. Eine derartige Beschleunigung ist insbesondere dann erforderlich, wenn das Zahnradwechselgetriebe durch einen Schaltvorgang in eine Zahnradanordnung versetzt wird, die einem niederzahligen Getriebegang entspricht. Bei einem Schaltvorgang, der das Zahnradwechselgetriebe in einen höheren Gang überführt, ist entsprechend eine Wellendrehzahl der Getriebeeingangswelle gegenüber der Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine abzusenken. Eine solche Absenkung wird durch Abbremsung der entsprechenden Welle in Verbindung mit der Rotorwelle der ersten elektrischen Maschine bewirkt. Dabei wird die erste elektrische Maschine in Generatorfunktion betrieben, bei der eine Umwandlung von Drehmoment in Strom unter Abbremsung der Wellendrehung erfolgt. Nach Anpassung der jeweiligen Wellendrehzahlen werden z. B. die der jeweiligen Welle zugeordneten Klauenkupplungselemente zueinander geführt, sodass eine kraftschlüssige Verbindung im Antriebsstrang vorliegt. Durch die elektrische Drehzahlsynchronisierung lassen sich Klauenkupplungen verbauen, die unsynchronisiert schwierig in Eingriff zu bringen wären.
• Ein Schaltwechseln des Zahnradwechselgetriebes bedingt in manchen Ausführungen eine Unterbrechung der Schubkraft durch Öffnung einer Trennkupplung im Antriebsstrang zwischen dem Zahnradwechselgetriebe und der Verbrennungskraftmaschine. Eine solche Schubkraftunterbrechung bewirkt in Ausführungen nach dem Stand der Technik ein ungleichmäßiges Fahrverhalten. In einer Ausführung eines Antriebsstrangs mit einer zweiten elektrischen Maschine bewirkt eine elektrische Steuereinheit, vorzugsweise mit mindestens zwei Drehzahlaufnehmern im Antriebsstrang, eine Ansteuerung der elektrischen Maschinen, insbesondere der zweiten elektrischen Maschine, zur Kontrolle der Drehzahl der Getriebeausgangswelle. Damit ist ein Wechsel eines Ganges schubkraftunterbrechungsfrei durchführbar. Hierbei wird dem Antriebsstrang Antriebsenergie von der zweiten elektrischen Maschine zugeführt. Durch diese Zufuhr von Drehmoment in den Antriebsstrang, insbesondere auf eine Welle des Antriebsstrangs, wird eine kontinuierliche Erzeugung von Schubkraft im Antriebsstrang über die Straßenräder gegenüber der Fahrbahn gewährleistet. Durch einen derartigen Betrieb des Antriebsstrangs, insbesondere der zweiten elektrischen Maschine, ergibt sich ein gleichförmiges Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs ohne ungleichmäßige Geschwindigkeitsänderungen beim Schaltwechseln.
• Bei einem erfindungsgemäßen Betrieb eines hybridisierten Antriebsstrangs ohne Drehmomentverzweigung kann Drehmoment durch eine elektrische Maschine in den Antriebsstrang eingetragen werden. Vorteilhaft einsetzbar ist eine Drehmomenterzeugung, die gleichzeitig simultan durch jeweils zwei Antriebsmaschinen im Antriebsstrang erfolgt. In einer Ausführung eines Betriebszustands sind die beiden Antriebsmaschinen die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine. In einer weiteren Ausführung eines Betriebszustands wird die Verbrennungskraftmaschine paarweise mit einer elektrischen Maschine, wie der ersten elektrischen Maschine oder der zweiten elektrischen Maschine, gleichzeitig verbunden. Bei Überholvorgängen, die größtmögliche Beschleunigungskräfte zum Antrieb des Kraftfahrzeuges erfordern, werden alle Antriebsmaschinen, im Falle des Vorhandenseins von einer Verbrennungskraftmaschine und von zwei Elektromaschinen, also aller drei Maschinen, gleichzeitig als Motoren zur Drehmomenterzeugung im Antriebsstrang geschaltet.
• Konfigurationen, bei denen zusätzlich zur Verbrennungskraftmaschine eine erste oder eine zweite elektrische Maschine den Antriebsstrang mit einem Drehmoment antreiben, werden auch als parallel-hybridisierter Antriebsstrang bezeichnet. Auf Grund der erfindungsgemäß vielfältigen Betriebsmöglichkeiten eines hier beschriebenen hybridisierten Antriebsstrangs ist auch ein Betriebszustand als serielles Hybridfahrzeug vorgesehen. Für einen solchen Betriebszustand wird durch eine Betätigungseinrichtung eine Trennung einer mechanischen Antriebsverbindung im Getriebe, wie einem Vier-Gang- oder Sechs-Gang-Zahnradwechselgetriebe, durchgeführt. Die Trennung wird dabei durch die Betätigungseinrichtung aktuiert. Diese Auftrennung der mechanischen Antriebsverbindung erfolgt durch Öffnen eines Schaltelements im Getriebe, wobei beispielsweise ein Kraftfluss zwischen einem Losrad und einer Vorgelegewelle unterbrochen wird. Hierdurch wird insbesondere die zweite elektrische Maschine zur einzigen elektrischen Maschine, die in einer mechanischen Antriebsverbindung zu den Straßenrädern steht.
• In anderen nützlichen Ausführungen wird die Antriebskraft der zweiten elektrischen Maschine durch eine Getriebeeinheit zu einer Kardanwelle vermittelt, die mit einem Differenzialgetriebe verbunden ist. In weiteren vorteilhaften Ausführungen, bei denen die zweite elektrische Maschine unmittelbar mit dem Differenzialgetriebe in Verbindung steht, erfolgt ein Drehmomentübertrag zwischen dem Antriebsstrang und der zweiten elektrischen Maschine im Antriebsstrang über eine Welle zwischen dem Zahnradwechselgetriebe und den anzutreibenden Straßenrädern.
• In einer seriellen Betriebsanordnung eines Antriebsstrangs wird die erste elektrische Maschine in Verbindung mit der Verbrennungskraftmaschine zur Erzeugung von elektrischer Energie bei einer konstanten Motordrehzahl eingesetzt. Die elektrische Energie wird vorzugsweise aus dem Kraftstoff der Verbrennungskraftmaschine in einem Effizienzmaximum bzw. dem maximalen Wirkungsgrad der Anordnung erzeugt. Die für den Fahrbetrieb gegenüber einer derartigen Grundlasterzeugung von elektrischer Energie erforderlichen erhöhten Ströme liefert der elektrische Zwischenspeicher. Eine elektrische Steuerung dient hierbei zur Anpassung der jeweils erforderlichen Motorleistung. Die elektrische Steuerung bewirkt dabei eine Erhöhung der Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine, wenn die gespeicherte elektrische Energie im Zwischenspeicher zu Ende geht. Die elektrische Steuerung bewirkt weiterhin eine Änderung des Betriebszustands, insbesondere der zweiten elektrischen Maschine, von einem Antrieb als Elektromotor zu einem Betrieb als Generator, z. B. zur Abbremsung des Kraftfahrzeuges.
• Eine weitere Funktion der elektrischen Steuerung besteht darin, vom Fahrzeugführer vorgewählte Betriebszustände oder Betriebsmodi, beispielsweise Modi für einen besonders energiesparenden Langstreckenfahrbetrieb oder einen besonders dynamischen Fahrbetrieb im Kurzsteckenverkehr, durch programmierbare Voreinstellungen vorzunehmen. Dabei wird die Betriebssteuerung des Antriebsstrangs durch Software geregelt.
• Weiterhin ermöglicht die elektrische Steuerung eine Richtung der Drehmomenterzeugung in einer elektrischen Maschine umzukehren. Bei einem seriellen Betrieb mit Antrieb des Kraftfahrzeugs durch die zweite elektrische Maschine wird somit das Kraftfahrzeug in eine Fahrtrichtung in Bewegung gesetzt, die zu einer zweiten Fahrtrichtung entgegengesetzt ist. In einer weiteren Ausführung werden sowohl die erste als auch die zweite elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs in Rückwärtsrichtung eingesetzt. Eine solche kombinierte Antriebsweise in Rückwärtsrichtung ist insbesondere bei Rückwärtsfahrten an steilen Steigungen vorteilhaft. Die Ausführung eines elektromotorischen Antriebs ermöglicht somit einen vereinfachten Aufbau des Zahnradwechselgetriebes mit einer minimalen Zahl von Getriebekomponenten. Komponenten, die zur Umkehr einer Antriebsrichtung bei gleichbleibender Drehrichtung einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Stand der Technik notwendig sind, entfallen bei einer erfindungsgemäßen Ausführung. Damit ergibt sich eine kompaktere Bauweise eines Zahnradwechselgetriebes in einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang eines Hybridkraftfahrzeugs. Unter den vielfältigen Betriebsmöglichkeiten der beschriebenen Anordnung wird der Betrieb der Verbrennerkraftmaschine vorteilhaft derartig gesteuert, dass geringstmöglicher Kraftstoffverbrauch und bestmögliche Abgaswerte zu erzielen sind. Auf Grund der Abdeckung von Leistungsanforderungsspitzen durch die Elektromaschinen ist eine Ausführung der Verbrennungskraftmaschine mit niedrigerer Leistung möglich, als zur Verwirklichung hoher Fahrdynamik nach konventioneller Technik notwendig ist. Bei erfindungsgemäßer Ausführung besitzt ein hybridisierter Antriebsstrang im Vergleich zum Stand der Technik ein geringeres Bauvolumen. Somit eignet sich ein erfindungsgemäßer hybridisierter Antriebsstrang, insbesondere für den Einsatz in Kleinstwagen, wobei durch die beschriebenen Kombinationen im Betrieb ein hochdynamisches Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs bei geringem Energieverbrauch und somit geringstmöglichen Kosten für den Fahrzeugführer verfügbar ist. Hierbei wird das dynamische Fahrverhalten über ein Zahnradwechselgetriebe erreicht, das mit einer kleineren Gangzahl ausgeführt ist, als eine Gangzahl, die nach dem Stand der Technik für ein entsprechendes dynamisches Fahrverhalten erforderlich wäre. Durch diese Reduktion von Getriebekomponenten, insbesondere von rotierenden Getriebeelementen, werden einerseits Schleppverluste im Getriebe reduziert, andererseits ist damit eine Gewichtsreduktion verbunden. Hierdurch wird ein durch die Elektromaschinen eingeführtes Zusatzgewicht im Kraftfahrzeug zumindest teilweise kompensiert. Der durch die kompakte Ausführung des Antriebsstrangs gewonnene Raum im Kraftfahrzeug steht als zusätzlicher Raum für den Komfort der Passagiere beziehungsweise als zusätzlicher Raum für elektrische Zwischenspeicherkapazität zur Verfügung, was insbesondere in Kleinstfahrzeugen einen großen Gewinn darstellt. Dabei ist der Antriebsstrang in einem Grundaufbau als Heckantrieb oder als Frontantrieb realisierbar. Ebenso ist ein Allradantrieb mit Hybridfunktionalität vorteilhaft nach erfindungsgemäßen Konzepten zu bauen.
• Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang ermöglicht es einerseits nach Art eines Baukastensystems Grundkomponenten, wie Getriebe, in großen Stückzahlen, kostengünstig bereitzustellen. Andererseits sind an konkrete Fahrzeugkonzepte angepasste Konfigurationen auf Grundlage des Baukastens bereitstellbar, wodurch sich insbesondere der Entwicklungs- und Erprobungsaufwand verringert. Dennoch ist die Auslegung des Antriebsstrangs für Fahrzeugvarianten im Hinblick auf spezielle Nutzungen, z. B. in Last- oder Schwerlast-Transportern, sowie im Hinblick auf Mobilitätskonzepte, wie Kurzstreckenverkehr oder Linienverkehr, mit vergleichsweise einfachen Mitteln im Gegensatz zu vollständigen Neuentwicklungen möglich. Es können auch verschiedenen Einbauvarianten, wie front-quer oder front-längs, vorgesehen werden. Die erfindungsgemäßen Antriebsstränge bieten sowohl Vorteile hinsichtlich der Optimierung des Kraftstoffverbrauchs als auch die Möglichkeit einer Vergrößerung der Reichweite des Kraftfahrzeugs. Gleichzeitig werden die technischen Voraussetzungen für eine dynamische Fahrweise und ein sportliches Fahrgefühl bereitgestellt.
• Die verschiedenen beschriebenen Aspekte können in erfindungsgemäßen Ausführungen beliebig miteinander kombiniert werden.
• Figurenkurzbeschreibung
• Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei
• 1 einen schematischen Antriebsstrang in Hybridarchitektur mit elektrischer Steuerung,
• 2 einen schematischen Antriebsstrang in Hybridarchitektur mit Details eines eine Vorgelegewelle umfassenden Zahnradwechselgetriebes,
• 3 eine schematische Hybridarchitektur eines Antriebsstrangs mit Details eines zwei Vorgelegewellen umfassenden Zahnradwechselgetriebes,
• 4 einen schematischen Antriebsstrang auf Grundlage von 1, der ein Zahnradwechselgetriebe und ein Planetengetriebe umfasst,
• 5 eine systemische Darstellung eines wesentlichen Ausschnitts eines Antriebsstrangs und
• 6 das Übertragungsprinzip anhand der Baugruppe „Planetengetriebe“ zeigt.
• Figurenbeschreibung
• 1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang 14 für ein Kraftfahrzeug 10, der in Hybridarchitektur ausgeführt ist. Der Antriebsstrang 14 dient dem Antrieb der Drehbewegung des ersten Straßenrads 86 und des zweiten Straßenrads 87 zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs 10 gegenüber einer Fahrbahn (nicht dargestellt). Drehmomente werden über den Antriebsstrang 14 auf die Straßenräder 86, 87 ausgeübt oder von den Straßenrädern 86, 87 dem Antriebsstrang 14 zugeführt. Zur Erzeugung eines Drehmoments werden im Antriebsstrang 14 eine Verbrennungskraftmaschine 16, eine erste elektrische Maschine 20 und eine zweite elektrische Maschine 22 eingesetzt. Bei laufendem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 16 erfolgt in einem Verbrennungsraum (nicht dargestellt) die explosionsartige Verbrennung von Kraftstoff oder Treibstoff, der aus einem Tank (nicht dargestellt) zugeführt wurde. Dabei wird ein Hubkolben (nicht dargestellt) beschleunigt und die Bewegung des Hubkolbens durch eine mechanische Anordnung (nicht dargestellt) zu einer Drehbewegung der Hauptantriebswelle 18 umgewandelt. Damit übt die Verbrennungskraftmaschine 16 im Antriebsstrang 14 ein Drehmoment aus. Das Drehmoment wird über eine Trennkupplung 50, die in geschlossenem Zustand ist, auf eine Hauptwelle 64 geleitet. Die Hauptwelle 64 ist weiterhin mit dem Zahnradwechselgetriebe 60 über eine Getriebeeingangswelle (nicht dargestellt) verbunden, in welche die Hauptwelle 64 übergeht. Zwischen dem Zahnradwechselgetriebe 60 und der Trennkupplung 50 ist die erste elektrische Maschine 20 angeordnet, welche einen Bereich der Hauptwelle 64 umschließt. Dieser Bereich der Hauptwelle 64 stellt eine durch die erste elektrische Maschine 20 antreibbare Rotorwelle dar. Zwischen dem Zahnradwechselgetriebe 60 und dem Achsdifferenzial 82, insbesondere am Getriebeausgang (nicht dargestellt), ist eine Antriebsverbindung 99 zu einer zweiten elektrischen Maschine 22 vorgesehen. Somit ist ein Drehmoment zwischen der zweiten elektrischen Maschine 22 und der Abtriebswelle 80 des Zahnradwechselgetriebes 60 übertragbar. Die Abtriebswelle 80 führt in einer ersten Funktion das im Antriebsstrang 14 generierte Drehmoment dem Achsdifferenzial 82 zu. Von dort wird es über die erste Radantriebswelle 84 auf das erste Straßenrad 86 und über die zweite Radantriebswelle 85 auf das zweite Straßenrad 87 verteilt. In einer nicht dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung umschließen zweite elektrische Maschinen jeweils die erste und die zweite Radantriebswelle. In dieser Ausführungsvariante bildet ein Bereich der Radantriebswellen jeweils eine Rotorwelle für einen Rotor der zweiten elektrischen Maschinen, der in einer Antriebsverbindung jeweils mit mindestens einer Statorwicklung als Motor/Generator betreibbar ist.
• Bei geschlossener Trennkupplung 50 besteht in der Ausführung nach 1 somit eine kraftschlüssige Antriebsverbindung 99 zur Übertragung von Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine 16 auf die Straßenräder 86, 87. Die elektrische Steuerung 30 bewirkt über die elektrische Leitung 98 eine Einstellung von Funktionszuständen der Antriebsmaschinen wie der Verbrennungskraftmaschine 16, der ersten elektrischen Maschine 20 und der zweiten elektrischen Maschine 22. Die elektrische Steuerung 30 regelt den Stromfluss insbesondere zwischen dem elektrischen Zwischenspeicher 34 und der ersten elektrischen Maschine 20 bzw. der zweiten elektrischen Maschine 22. Die für einen Gangwechsel des Zahnradwechselgetriebes 60 erforderlichen Betätigungseinheiten sind nicht dargestellt.
• In Betriebszustand A nach 1 wird der erfindungsgemäße Antriebsstrang 14 in konventioneller Weise zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 nur mit Verbrennungskraftmaschine 16 betrieben. Ein solcher Betriebszustand ist für Langstreckenfahrten energetisch vorteilhaft, insbesondere wenn sich der elektrische Zwischenspeicher 34 in einem vollständig aufgeladenen Zustand befindet. Dabei nehmen die elektrischen Maschinen 20, 22 einen dritten Betriebszustand, einen ruhenden Betriebszustand ein.
• Ein Betriebszustand B eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 14 nach 1 liegt vor, wenn die Trennkupplung 50 in einen kraftfluss-unterbrechenden, geöffneten Zustand überführt wird. In diesem Betriebszustand B des Antriebsstrangs 14 können elektrische Maschinen 20, 22 einen ersten oder einen zweiten Betriebszustand einnehmen. Die elektrische Steuerung 30 beendet den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 16 zur Einsparung von Kraftstoff, weil keine Nutzung eines durch Verbrennungskraftmaschine 16 erzeugbaren Drehmoments erfolgt. In einem derartigen Betriebszustand B wird Drehmoment im Antriebsstrang 14 ausschließlich durch die erste elektrische Maschine 20 oder die zweite elektrische Maschine 22 generierbar. Demnach sind in diesem Betriebszustand B durch Zufuhr elektrischer Energie aus dem elektrischen Zwischenspeicher 34 mindestens drei Betriebsvarianten realisierbar.
• In einer ersten Variante erfolgt ein elektrischer Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 über die erste elektrische Maschine 20, wobei das durch die erste elektrische Maschine 20 generierte Drehmoment durch das Zahnradwechselgetriebe 60 im Antriebsstrang 14 geführt wird.
• In einer zweiten Betriebsvariante erfolgt der Antrieb von Kraftfahrzeug 10 über die zweite elektrische Maschine 22, wobei das von der zweiten elektrischen Maschine 22 erzeugte Drehmoment direkt über Abtriebswelle 80 den Straßenrädern 86, 87 zugeführt wird. Dabei wird vorzugsweise eine mögliche Übertragung von Drehmoment auf dem Antriebsstrang 14 durch das Zahnradwechselgetriebe 60 zur Vermeidung von Energieverlusten durch Schleppmomente mittels Schaltelement (nicht dargestellt) unterbrochen.
• In einer dritten Variante werden die erste elektrische Maschine 20 und die zweite elektrische Maschine 22 gleichzeitig zum Antrieb von Kraftfahrzeug 10 verwendet.
• Die jeweiligen Betriebsvarianten im Betriebszustand B werden hierbei durch die elektrische Steuerung 30 geregelt. Der Führer (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 10 besitzt dabei die Möglichkeit Steueranweisungen der elektrischen Steuerung 30 zuzuführen, um eine Betriebszustandsänderung zu bewirken. Entsprechend sind Fahrgeschwindigkeitsänderungen des Kraftfahrzeugs 10 durch Änderung einer Zufuhr elektrischer Leistung zu den elektrischen Maschinen 20, 22 zur Anpassung der Fahrgeschwindigkeit an die Erfordernisse im Straßenverkehr automatisch oder manuell vornehmbar.
• Weitere Varianten des Betriebszustands B ergeben sich daraus, dass die erste elektrische Maschine 20 und/oder die zweite elektrische Maschine 22 zur Rückgewinnung oder Rekuperation von elektrischer Energie aus Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs 10 als Generatoren betrieben werden. Weitere Betriebszustände eines Antriebsstrangs 14 entsprechen den Betriebszuständen, die anhand der Ausführungen von Antriebssträngen, wie dem Antriebsstrang 114 in 2 und dem Antriebsstrang 214 in 3, erläutert werden.
• In 2 sind Komponenten des Kraftfahrzeuges 110 in Verbindung mit dem hybridisierten Antriebsstrang 114, insbesondere mit Komponenten eines Zahnradwechselgetriebes 160, dargestellt. Der Antriebsstrang 114 erstreckt sich von der Verbrennungskraftmaschine 116 über die Klauenkupplung 52 und die erste elektrischen Maschine 120 zu dem Zahnradwechselgetriebe 160, welches in Verbindung mit beiden elektrischen Maschinen 120, 122 steht. Im weiteren Verlauf des Antriebsstrangs 114 ist eine kraftschlüssige Verbindung durch das Zahnradwechselgetriebe 160 zu dem Achsdifferenzial 182 erstellbar. Achsdifferenzial 182 steht mit den Straßenrädern, die als Antriebsräder des Kraftfahrzeugs 110 dienen, in einer Antriebsverbindung. Die Klauenkupplung 52 ist in einem geöffneten Zustand gezeigt. Eine Antriebsverbindung zwischen der Rotorwelle 92, der ersten elektrischen Maschine 120 und der durch die Verbrennungskraftmaschine 116 antreibbaren Hauptantriebswelle 118 ist über eine Steuerleitung 97 durch eine Betätigungseinrichtung 40 einstellbar. Die Betätigungseinrichtung 40 ist dabei als ein Hydrauliksystem ausgeführt, das Schaltzustände in den zu steuernden Einheiten durch Druckänderungen über eine Hydraulikflüssigkeit bewirkt. Die Betätigungseinrichtung 40 kontrolliert dabei Funktionen der Verbrennungskraftmaschine 116, den Öffnungszustand der Klauenkupplung 52 und Öffnungszustände von Schaltelementen des Zahnradwechselgetriebes 160 wie dem ersten Schaltelement 70 und dem zweiten Schaltelement 72. Die Aktionen der Betätigungseinrichtung 40 werden durch die elektrische Steuerung 130 veranlasst, in deren Steuerprogramme ein Fahrzeugführer des Kraftfahrzeuges 110 Stellparameter durch die Wahl von Betriebsanforderungen wie ein Energiesparmodus, ein sportlicher Überholmodus, ein Lasttransportmodus oder andere Betriebszustände verändern kann.
• Die im Antriebsstrang 114 befindliche Rotorwelle 92 der ersten elektrischen Maschine 120 ist mit der Hauptwelle 164 des Zahnradwechselgetriebes 160 drehfest verbunden. Die Rotorwelle 92 trägt den Rotor 93, der in dieser Ausführung der ersten elektrischen Maschine 120 als Synchronmotor vorzugsweise dauermagnetisiert ist. Der an Rotorwelle 92 befestigte Rotor 93 ist somit gegenüber der Statorwicklung 94 drehbar und die Statorwicklung 94 ist über Statorhalter 96 im Kraftfahrzeug 110 fixiert. In dieser Konfiguration stellt die erste elektrische Maschine gleichzeitig einen Generator 90 dar. Somit ist die erste elektrische Maschine 120 als Motor betreibbar. Die erste elektrische Maschine 120 ist allerdings auch als Generator betreibbar. Der jeweilige Betriebszustand der ersten elektrischen Maschine 120 wird durch die elektrische Steuerung 130 über die elektrische Leitung 198 festgelegt. Das Zahnradwechselgetriebe 160 ist im Antriebsstrang 114 zur ersten elektrischen Maschine 120 angeordnet. Das Zahnradwechselgetriebe 160 umfasst weiterhin eine Getriebeeingangswelle oder Hauptwelle 164, die mit der Rotorwelle 92 der ersten elektrischen Maschine 120 verbunden ist. In erfindungsgemäßer Ausführung ist die Rotorwelle 92 vorzugsweise ein Segment der Hauptwelle 164. Die Hauptwelle 164 trägt im Zahnradwechselgetriebe 160 eine Folge von vier Festrädern, wie das Festrad 78, deren Zahnung mit Losrädern, wie dem Losrad 77, die auf der Vorgelegewelle 66 angeordnet sind, in Eingriff stehen. In dieser Ausführung von Zahnradwechselgetriebe 160 trägt Vorgelegewelle 66 vier Losräder wie das Losrad 77. Jeweils zwei dieser Losräder sind durch ein Schaltelement, wie das erste Schaltelement 70 bzw. das zweite Schaltelement 72, auf der Vorgelegewelle 66 alternativ drehfest schaltbar. Hierbei wird durch die Betätigungseinrichtung 40 über die hydraulische Steuerleitung 97 festgelegt, ob ein Schaltelement, wie das erste Schaltelement 70 oder das zweite Schaltelement 72, ein Losrad, wie das Losrad 77, drehfest zur Vorgelegewelle 66 verbindet. Weiterhin wird durch die Betätigungseinrichtung 40 festgelegt, ob ein Schaltelement, wie das zweite Schaltelement 72, mindestens ein zugeordnetes Losrad in einen, gegenüber der Vorgelegewelle 66 frei drehbaren, Zustand versetzt.
• Die zweite elektrische Maschine 122 umfasst eine Rotorwelle (nicht beschriftet), welche ein erstes Zahnrad 74 trägt. Das erste Zahnrad 74 steht in Eingriff mit dem zweiten Zahnrad 75, welches als Festrad auf der Vorgelegewelle 66 angeordnet ist. Die Zahnräder 74, 75 bilden eine Getriebeeinheit 62. Damit steht die zweite elektrische Maschine 122 über die Vorgelegewelle 66 in einer Antriebsverbindung 199 mit Achsdifferenzial 182. So besteht zwischen der zweiten elektrischer Maschine 122 und den über das Achsdifferenzial 182 antreibbaren Straßenrädern (nicht beschriftet) eine kraftschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung. Elektrische Energie aus dem elektrischen Zwischenspeicher 134 wird durch die elektrische Steuerung 130 über die elektrische Leitung 198 der ersten elektrischen Maschine 120 und/oder der zweiten elektrischen Maschine 122 für einen elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs 110 über den hybridisierten Antriebstrang 114 entsprechend einem zweiten Betriebszustand nach 1 zugeführt. Während der Entnahme oder Zufuhr von Energie erfolgt durch die elektrische Steuerung 130 eine Messung des Ladezustands am elektrischen Zwischenspeicher 134.
• Ein Betriebszustand C des Antriebsstrangs 114 zur Umkehrung der Fahrtrichtung von Kraftfahrzeug 110 wird anhand von 2 wie folgt erläutert. In diesem dritten Betriebszustand wird durch die elektrische Steuerung 130 eine Drehrichtung (nicht dargestellt) der ersten elektrischen Maschine 120 und/oder der zweiten elektrischen Maschine 122 gegenüber einer bei Vorwärtsfahrtrichtung (nicht dargestellt) angewendeten Drehrichtung umgekehrt. Die elektrischen Maschinen 120, 122 nehmen hierbei vorzugsweise einen ersten Betriebszustand ein. Durch diese Umkehrung der angetriebenen Drehrichtung im Antriebsstrang 114 wird über die Antriebsverbindung 199 das Kraftfahrzeug 110 in einer Fahrtrichtung, wie einer Vorwärtsfahrtrichtung (nicht dargestellt), abgebremst. Aus dem Stillstand wird das Kraftfahrzeug 110 danach in einer entgegengesetzten Fahrtrichtung, wie der Rückwärtsfahrtrichtung (nicht dargestellt), beschleunigt. Mindestens ein Vorteil dieser Realisierung eines Rückwärtsgangs besteht gegenüber dem Stand der Technik. Eine angetriebene Drehrichtung, die nach dem Stand der Technik durch eine Verbrennungskraftmaschine vorgegeben wird, ist über dazu ausgelegte Getriebeeinheiten für einen Rückwärtsgang umzukehren. In dem Antriebsstrang 114 mit Zahnradwechselgetriebe 160 sind derartige Getriebeeinheiten nicht erforderlich und nicht eingebaut. Damit ergeben sich eine Gewichtseinsparung sowie eine Reduktion der Baugröße für das in Antriebsstrang 114 eingesetzte Getriebe 160 gegenüber dem Stand der Technik.
• Neben den bisher erläuterten Betriebszuständen A bzw. B oder C als reiner Verbrennungskraftmaschinenantrieb bzw. reiner elektromotorischer Antrieb sind insbesondere hybridisierte Betriebszustände des Antriebsstrangs 114 vorgesehen.
• Ein solcher hybridisierter Betriebszustand ist der Betriebszustand D, bei dem der Antriebsstrang 114 als ein serieller Hybridantrieb für Kraftfahrzeug 110 betrieben wird. Im seriellen Betriebszustand D wird Antriebsstrang 114 in zwei funktional getrennten Einheiten betrieben. Dabei wird die erste elektrische Maschine im ersten Betriebszustand gefahren, während die zweite elektrische Maschine alternativ den ersten oder den zweiten Betriebszustand einnimmt. Die Auftrennung liegt vor, wenn in Zahnradwechselgetriebe 160 eine Drehmomentübertragungsverbindung zwischen einem Losrad, wie dem Losrad 77, und der Vorgelegewelle 66 durch Betriebsstellung zugeordneter Schaltelemente 70, 72 in geöffneter Position unterbrochen ist. Diese Öffnungsstellung der Schaltelemente 70, 72 wird durch die Betätigungseinrichtung 40 bestimmt. Damit ist insbesondere eine Drehmomentübertragung zwischen der Hauptwelle 164 des Zahnradwechselgetriebes 160 und der Vorgelegewelle 66 unterbunden. Die Betätigungseinrichtung 40 versetzt zudem die Klauenkupplung 52 in einen geschlossenen Zustand, wobei eine kraftschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung zwischen der Verbrennungskraftmaschine 116 und der ersten elektrischen Maschine 120 erstellt ist. In dieser Konfiguration wird die erste elektrische Maschine 120 als Generator 90 betrieben. Der Strom, der durch den Generator 90 bei einem Antrieb durch die Verbrennungskraftmaschine 116 erzeugt wird, wird durch die elektrische Leitung 198 bedarfsgerecht der zweiten elektrischen Maschine 122, die als Antriebsmotor des Antriebsstrangs 114 mechanische Antriebsarbeit verrichtet, zugeführt. Differenzen zwischen dem Bedarf an elektrischer Energie der zweiten elektrischen Maschine 122 und der generierten elektrischen Energie der ersten elektrischen Maschine 120 werden durch die elektrische Steuerung 130 in Verbindung mit dem elektrischen Zwischenspeicher 134 ausgeglichen. Dieser Ausgleich erfolgt durch Zufuhr elektrischer Energie in den elektrischen Zwischenspeicher 134 beziehungsweise Entnahme von elektrischer Energie aus dem Zwischenspeicher 134. Eine bedarfsgerechte Generierung elektrischer Energie durch den Generator 90 erfolgt unter Anpassung einer Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 116, wobei die Verbrennungskraftmaschine 116 vorzugsweise bei einer Drehzahl mit optimalem Wirkungsgrad bezüglich der eingesetzten Kraftstoffmenge betrieben wird. Die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 116 lässt sich vorteilhaft in einem Drehzahlbereich regeln, bei dem ein Ausstoß schädigender Abgase der Verbrennung des Kraftstoffs minimiert wird. Weiterhin ist eine Regelung eines Drehzahlbereichs der Verbrennungskraftmaschine 116 zu höheren Drehzahlen durchführbar. Eine solche verstärkte Generierung elektrischer Energie wird z. B. zur Absicherung der Versorgung des Kraftfahrzeuges 110 mit elektrischer Energie aufgrund eines niedrigen Ladezustands des elektrischen Zwischenspeichers 134 erforderlich.
• In einem Betriebszustand E wird der hybridisierte Antriebsstrang 114 ebenfalls als echter Hybridantrieb für das Kraftfahrzeug 110 eingesetzt. Diese Antriebsart ist einem Konzept verwandt, das als Parallel-Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs bezeichnet wird. In diesem Betriebszustand stehen sowohl die Verbrennungskraftmaschine 116 als auch die erste elektrische Maschine 120 und die zweite elektrische Maschine 122 zueinander in einer Antriebsverbindung 199. Sowohl die erste elektrische Maschine 120 als auch die zweite elektrische Maschine 122 nehmen alternativ oder gemeinsam je nach Anforderung im Straßenverkehr (nicht abgebildet) einen ersten oder einen zweiten Betriebszustand ein. Auch die Einnahme eines dritten Betriebszustands durch eine der elektrischen Maschinen 120, 122 ist vorgesehen. Die Antriebsverbindung 199 führt über das Achsdifferenzial 182 zum Antrieb von dem Kraftfahrzeug 110. In diesem Betriebszustand E wird zu einem Drehmoment, das die Verbrennungskraftmaschine 116 im Antriebsstrang 114 erzeugt, ein Drehmoment addiert, welches die erste elektrische Maschine 120 unter Zufuhr von elektrischer Energie generiert, und ein weiteres Drehmoment addiert, welches die zweite elektrische Maschine 122 unter Zufuhr elektrischer Energie generiert. Diese Kombination zur Erzeugung von Drehmoment in dem Antriebsstrang 114 ist insbesondere bei kurzfristig erforderlicher Schubkraft in einem Überholvorgang des Kraftfahrzeugs 110 vorteilhaft einzusetzen.
• In einer Variante dieses Betriebszustands E wird die Drehmomenterzeugung durch die Verbrennungskraftmaschine 116 nur durch eine elektrische Maschine, entweder der ersten elektrischen Maschine 120 oder der zweiten elektrischen Maschine 122, unterstützt.
• In einer weiteren Variante dieses Betriebszustands E werden die elektrischen Maschinen 120, 122 einzeln oder gleichzeitig durch die elektrische Steuerung 130 in einen Generatorbetrieb geschaltet. Ein solcher auch Rekuperation genannter Betrieb ist insbesondere vorteilhaft für Abbremsvorgänge des Kraftfahrzeuges 110. Dabei wird Rotationsenergie von den in Rollbewegung des Kraftfahrzeuges 110 angetriebenen Wellen, wie der Vorgelegewelle 66 oder der Hauptwelle 164, durch die elektrischen Maschinen 122, 120 aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt. Die so gewonnene elektrische Energie wird dem elektrischen Zwischenspeicher 134 zugeführt. Damit wird eine Rückgewinnung von Energie durch Abbremsung der Bewegung des Kraftfahrzeuges 110 erreicht. Durch diese Energierückgewinnungsfunktion ist ein besonders energiesparender Betrieb des hybridisierten Antriebsstrangs 114 realisiert.
• Neben den hier beschriebenen Betriebszuständen C, D, E lassen sich auch Betriebszustände A, B, die in Verbindung mit 1 beziehungsweise in Verbindung mit 3 beschrieben werden, vorteilhaft in Antriebsstrang 114 einnehmen.
• 3 zeigt eine weitere Ausführung eines Antriebsstrangs 214 in einem Kraftfahrzeug 210. Hierbei treibt die Verbrennungskraftmaschine 216 über die Hauptantriebswelle 218 die erste elektrische Maschine 220 an. Als erste elektrische Maschine 220 ist eine Synchronmaschine eingebaut. Eine kraftschlüssige Verbindung von der Hauptantriebswelle 218 zur ersten elektrischen Maschine 220 erstellt die im geschlossenen Zustand gezeigte Klauenkupplung 152. Die Hauptwelle 264 stellt die Eingangswelle des Zahnradwechselgetriebes 260 dar und führt außerdem zwischen der Klauenkupplung 152 und dem Zahnradwechselgetriebe 260 durch die erste elektrische Maschine 220. Dabei steht die erste elektrische Maschine 220 in Wirkverbindung mit der Hauptwelle 264.
• In dieser Ausführung des Zahnradwechselgetriebes 260 sind auf der Hauptwelle 264 zwei Festräder, wie das Festrad 178, befestigt. Parallel zur Hauptwelle 264 verlaufen im Getriebe 260 die erste Vorgelegewelle 166 und die zweite Vorgelegewelle 68. Die Festräder, wie Festrad 178, der Hauptwelle 264 stehen im Eingriff mit den Losrädern, wie das Losrad 177, auf der ersten Vorgelegewelle 166, beziehungsweise den Losrädern, wie das Losrad 277, auf der zweiten Vorgelegewelle 68. Die zwei Losräder, wie das Losrad 177, auf der ersten Vorgelegewelle 166, sind wahlweise durch das erste Schaltelement 170 mit der ersten Vorgelegewelle 166 drehfest verbindbar. Entsprechend sind die Losräder, wie das Losrad 277, auf der zweiten Vorgelegewelle 68 über das dazu angeordnete zweite Schaltelement 172 mit der zweiten Vorgelegewelle 68 drehfest verbindbar. Die hier beschriebenen Festräder, wie das Festrad 178 und Losräder, wie das Losrad 177, 277, unterscheiden sich in ihrer Zahnung und ihrem Radius. In paarweiser Eingriffsverbindung stellen sie somit ein Übersetzungsverhältnis dar, dem jeweils eine Getriebegangzahl zugeordnet ist.
• Am Zahnradwechselgetriebe 260 ist die zweite elektrische Maschine 222 angeordnet. Diese trägt das erste Zahnrad 174, welches sich im Verzahnungseingriff zum zweiten Zahnrad 175 befindet. Das zweite Zahnrad ist drehfest auf der ersten Vorgelegewelle 166 montiert. Auf diese Weise ist die zweite elektrische Maschine 222 in den Antriebsstrang 214 eingegliedert. Damit steht die zweite elektrische Maschine 222, eine Asynchronmaschine 26, mittels einer Getriebeeinheit 162 in einer Kraftübertragungsverbindung mit der ersten Vorgelegewelle 166. Das zweite Zahnrad 175 wiederum greift in ein drittes Zahnrad 76 ein, welches auf der Abtriebswelle 180 befestigt ist. Eine weitere Kraftübertragungsverbindung ist von der zweiten Vorgelegewelle 68 zum dritten Zahnrad 76 durch Verzahnungseingriff gegeben. In einer alternativen Ausführung zu 3 steht das in 3 dargestellte erste Zahnrad 174 der zweiten elektrischen Maschine 222 in einer Eingriffsverbindung mit dem dritten Zahnrad 76, wobei insbesondere keine Eingriffsverbindung zwischen dem ersten Zahnrad 174 und dem zweiten Zahnrad 175 vorliegt. In dieser Variante sind Reibungsverluste bei Drehmomentübertragung zwischen der zweiten elektrischen Maschine 222 und dem Achsdifferenzial 282 minimiert.
• Die Abtriebswelle 180 in 3 steht über eine Kardanwelle 81 mit dem Achsdifferenzial 282 in einer Drehmomentübertragungsverbindung. Das Achsdifferenzial 282 vermittelt die Rückführung von Drehmoment beziehungsweise die Zuführung von Drehmoment im Antriebsstrang 214 zu dem ersten Straßenrad 186 über die erste Radantriebswelle 184 sowie zu dem zweiten Straßenrad 187 über die zweite Radantriebswelle 185. Durch außermittige Anordnung des Achsdifferenzials 282 zwischen dem ersten Straßenrad 186 und dem zweiten Straßenrad 187 ist die erste Radantriebswell 184 kürzer gestaltet als die zweite Radantriebswelle 185. Damit ist eine vorteilhafte Bauraumoptimierung zur Umsetzung des dargestellten hybridisierten Antriebsstrangs 214 in dem Kraftfahrzeug 210, einem Kleinstwagen, realisiert. Zur Bauraumoptimierung wurden ebenfalls die schaltbaren vier Gänge des Zahnradwechselgetriebes 260 auf zwei Vorgelegewellen 166, 68 verwirklicht. Bei paralleler Anordnung der Vorgelegewellen 166, 68 zur Hauptwelle 264 des Zahnradwechselgetriebes 260 ergibt sich hiermit eine extrem verkürzte Bauform und eine Kompakte Gestaltung des Antriebsstrangs 214 in erfindungsgemäßer Ausführung mit allen erfindungsgemäßen Betriebszuständen.
• Neben den im Zusammenhang mit 1 und 2 erläuterten Betriebszuständen A bis E werden nun im Zusammenhang mit der 3 weitere erfindungsgemäße vorteilhafte Betriebszustände F, G anhand des Antriebsstrangs 214 erläutert. Diese Betriebszustände F, G stellen Übergangszustände dar, die bei einem Schaltvorgang des Zahnradwechselgetriebes 260 zur Änderung eines Getriebegangs eingenommen werden. Diese Betriebszustände F, G werden über eine elektrische Steuerung (nicht dargestellt) in Verbindung mit einer Betätigungseinrichtung (nicht dargestellt) und einem elektrischen Zwischenspeicher (nicht dargestellt) eingestellt. Ergänzende Erläuterungen zur Funktion dieser nicht dargestellten Komponenten und deren schematische Anordnung kann ein Fachmann der 2 und den dazu ausgeführten Erläuterungen entnehmen.
• Im Betriebszustand F des Antriebsstrangs 214 wird die erste elektrische Maschine 220 bei Schaltvorgängen, insbesondere in einem parallelhybridartigen Betrieb, des Zahnradwechselgetriebes 260 verwendet. Hierbei nimmt dir erste elektrische Maschine je nach Anforderung einen ersten Betriebszustand oder einen zweiten Betriebszustand ein. Bei Schaltvorgängen des Zahnradwechselgetriebes ist in der Regel mindestens ein Kuppelvorgang der Klauenkupplung 152 zur Unterbrechung bzw. Erstellung einer Drehmomentübertagungsverbindung erforderlich. Derartige Kuppelvorgänge werden vorzugsweise elektromechanisch durch eine Betätigungseinrichtung aktuiert. Eine Hydrauliksteuerung ist somit in dieser Ausführung des Antriebsstrangs 214 nach 3 nicht vorgesehen. Vor der Erstellung einer Wellenverbindung durch ein Schließen der Klauenkupplung 152 ist insbesondere eine Drehzahlsynchronisation zwischen Hauptwelle 264 und Hauptantriebswelle 218 vorzunehmen. Derartige Kupplungsvorgänge sind auch bei Übergängen zwischen Betriebszuständen, wie von einem reinen elektrischen Betriebszustand B zu einem parallelhybridartigen Betriebszustand E, insbesondere bei Einsatz von erster elektrischer Maschine 220 und zweiter elektrischer Maschine 222 als Antriebsmotoren, anwendbar. Eine Drehzahlsynchronisation ist vor einem Einkuppeln der Klauenkupplung 152 zur Vermeidung von Schäden im Antriebsstrang 214 durchzuführen. Die Synchronisation erfolgt derart, dass bei motorischem Betrieb der ersten elektrischen Maschine 220 durch Zufuhr elektrischer Energie die Hauptwelle 264 beschleunigt wird, wenn eine Drehzahl der Hauptwelle 264 niedriger ist als eine Drehzahl der Hauptantriebswelle 218. Durch Betrieb der ersten elektrischen Maschine 220 als Generator erfolgt eine Abbremsung einer Drehzahl der Hauptwelle 264, wenn die Drehzahl der Hauptwelle 264 vor der zu bewirkenden Einkupplung der Klauenkupplung 152 höher ist als die Drehzahl der Hauptantriebswelle 218. Ergänzend ist eine leichte Erhöhung einer durch die Verbrennungskraftmaschine erzeugten Drehzahl gleichzeitig zur Synchronisierung vornehmbar.
• In einem Betriebszustand G des Antriebsstrangs 214 wird eine Schubkraftüberbrückung durchgeführt. Hierzu wird insbesondere die zweite elektrische Maschine 222 erfindungsgemäß in einen ersten Betriebszustand versetzt. Eine Schubkraftunterbrechung kann entstehen, wenn die Klauenkupplung 152 geöffnet wird. Schubkraftunterbrechung kann auch vorliegen, wenn zum Wechsel eines Ganges im Zahnradwechselgetriebe 260 ein Kraftschluss zwischen einem Schaltelement, wie dem ersten Schaltelement 170, und einem Losrad, wie dem Losrad 177, auf einer Vorgelegewelle, wie der Vorgelegewelle 166, unterbrochen wird, um einen Kraftschluss eines zweiten Losrads, wie dem Losrad 277, durch ein Schaltelement 170, 172 zu einer Vorgelegewelle 166, 68 zu erzeugen. Während eines solchen Schaltvorgangs, insbesondere wenn im Schaltvorgang die Klauenkupplung 152 zur Verbrennungskraftmaschine 216 zu öffnen ist, liegt eine kurzzeitige Unterbrechung einer Drehmomentübertragung über Antriebsstrang 214 zu den Straßenrädern 186, 187 vor. Eine Schubkraftunterbrechung erfolgt auch bei einem typischen Schaltvorgang, mit zur betriebenen Verbrennungskraftmaschine 216 hin geschlossener Klauenkupplung 152. Dabei wird ein motorischer Leistungsfluss aus der Verbrennungskraftmaschine 216 durch den Antriebsstrang 214 an einem Schaltelement 170, 172 unterbrochen. Durch eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) wird dazu veranlasst, dass sich mindestens ein Schaltelement 170, 172 vorübergehend in einem geöffneten Zustand befindet. Die Steuereinrichtung (nicht dargestellt) regelt weiterhin die Drehzahl der ersten elektrischen Maschine 220 gemeinsam mit der Verbrennungskraftmaschine 216 auf eine Zieldrehzahl. Die Zieldrehzahl ergibt sich z. B. aus einer Ausgangsdrehzahl und der Änderung der Übersetzung von einem ersten Gang zu einem zweiten Gang. Weiterhin wird ein Schaltelement 170, 172 zur Drehmomentübertragung auf ein Losrad wie das Losrad 177 oder 277 geschlossen. Während dieser kurzzeitigen Unterbrechung der Drehmomentübertragung beim Schalten, die sich bei Antriebssträngen, die nach dem Stand der Technik ausgeführt sind, als Unterbrechung der Schubkraft des Kraftfahrzeugs störend bemerkbar machen, erfolgt nach erfindungsgemäßem Betrieb eine Zufuhr von Drehmoment in den Antriebsstrang 214 durch die zweite elektrische Maschine 222. Eine Zuschaltung der zweiten elektrischen Maschine 222 erfolgt durch elektrische Ansteuerung (nicht dargestellt). Dabei wird der zweiten elektrischen Maschine 222 aus einem elektrischen Zwischenspeicher (nicht dargestellt) elektrische Energie zum Betrieb als Antriebsmaschine zugeführt wird. Bei Ende des Schaltvorgangs oder Kuppelvorgangs wird auch die Drehmomenterzeugung durch die zweite elektrische Maschine 222 beendet.
• Damit wird dem Antriebsstrang ein motorisches Drehmoment ununterbrochen zugeführt und eine Zugkraftunterbrechung im Antriebsstrang 214 kompensiert. Es ergibt sich z.B. eine stetige Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 210 und somit eine Verbesserung des Fahrkomforts.
• Hier im Zusammenhang mit 3 dargelegte Betriebszustände F, G sind auch in den erfindungsgemäßen Ausführungen von 1 und 2 vorgesehen. Weiterhin lassen sich erfindungsgemäße Aspekte der Betriebszustände A bis G von erfindungsgemäßen Antriebssträngen zu weiteren, vorteilhaften Betriebszuständen hybridisierter Antriebsstränge kombinieren.
• Wie in 4 gezeigt ist, kann in einem Kraftfahrzeug 310 auch ein Antriebsstrang 314 verbaut sein, der in Bezug auf die meisten Komponenten aufgrund des verwendeten Baukastensystems mit dem Antriebsstrang 14 aus 1 übereinstimmt. Die Erklärungen zu 1 können auch auf die 4 entsprechend übertragen werden. Allerdings wurde das in 1 verwendete Zahnradwechselgetriebe 60 in dem Antriebsstrang 314 von 4 durch das Zahnradwechselgetriebe 360 in Kombination mit einem Planetengetriebe 353 ersetzt. Das Planetengetriebe 353 ist zwischen der ersten elektrischen Maschine 20 und dem Zahnradwechselgetriebe 360 angeordnet. Anders gesagt, kann mechanische Antriebsenergie dem Zahnradwechselgetriebe 360 aus der Verbrennungskraftmaschine 16 über das Planetengetriebe 353 zugeführt werden. Damit sind grundsätzlich die gleichen Betriebszustände A bis G realisierbar, die zu den 1 bis 3 erläutert wurden.
• Durch die schematischen Darstellungen von Ausführungsbeispielen in 1 bis 4, die insbesondere aus Gründen der Anschaulichkeit zum Verständnis von erfindungsgemäßen technischen Konzepten in der verwendeten Weise präsentiert sind, werden Anordnungen eines Antriebsstrangs nahegelegt, die allerdings nicht als den erfinderischen Anspruch begrenzende Konfigurationen zu verstehen sind. Daher sollen im Folgenden beispielhaft einige weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele erläutert werden, die aus erfinderischen Ansprüchen mit den 1 bis 6 als Orientierungshilfen unschwer ableitbar sind.
• Über die schematischen Darstellungen von den 1 bis 4 ist ein quer zu einer Fahrtrichtung eingebauter Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug nahegelegt. Allerdings entspricht auch eine längs zur Fahrtrichtung, d. h. insbesondere quer zu einer Radantriebswelle, wie der ersten Radantriebswelle 84 in 1 oder der zweiten Radantriebswelle 185 in 3, angeordnete Antriebsstrangkonfiguration einer erfindungsgemäßen Ausführung. Derartige Ausführungen sind je nach Verfügbarkeit von Bauraum im Fahrzeugkonzept vorteilhaft einsetzbar. Beispielsweise ist es möglich auf Grundlage von 2 an der ersten Vorgelegewelle 66 einen Gelenkwellenabtrieb zur Realisierung eines Frontmotor-Heckantriebs vorzusehen. Weiterhin kann ein Frontmotor-Frontantrieb, ein Heckmotor-Heckantrieb oder ein Mittenmotor-Heckantrieb durch Ausführung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, z.B. auf Grundlage eines jeweils in den 1, 2, 3, 4 dargestellten Antriebsstrangs 14, 114, 214, und 314 realisiert werden. In einer entsprechenden Ausführung umfasst ein Antriebsstrang z. B. eine Drehmomentübertragungsverbindung zu einem Achsdifferenzial, wie dem Achsdifferenzial 282 in 3, über eine Zwischenwelle (ohne Bezugszeichen) oder einen Kegelradantrieb (nicht dargestellt).
• Weiterhin ist eine koaxiale Anordnung der zweiten elektrischen Maschine zu den Getriebewellen des Zahnradwechselgetriebes durch die 1 bis 4 nahegelegt. Allerdings können auch erfindungsgemäße Anordnungen realisiert werden, bei denen eine Welle einer zweiten elektrischen Maschine in einem Winkel, z.B. einem Winkel von 90°, zu einer Getriebeeingangswelle steht. Die jeweilige bevorzugte Ausführung richtet sich insbesondere nach dem verfügbaren Bauraum und der darin erzielbaren Antriebseffizienz.
• Weiterhin legen die schematischen Darstellungen in den 1 bis 4 nahe, dass nur ein Paar von Straßenrädern angetrieben wird. Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang kann jedoch auch in einem Kraftfahrzeug eingebaut und betrieben werden, wobei der Antriebsstrang eine Drehmomentübertragungsverbindung über mindestens ein Achsdifferenzial zu mindestens einem zweiten Räderpaar umfasst. In einer Variante einer derartigen erfindungsgemäßen Ausführung erfolgt eine Drehmomentübertragung auf das zweite Räderpaar nicht mechanisch, sondern durch Zufuhr von elektrischer Energie aus einem elektrischen Zwischenspeicher, wie dem elektrischen Zwischenspeicher 34, 134 in 1 bzw. 2, bspw. einem Kondensator oder einem Li-Akku, die in erfindungsgemäßem Betrieb des Antriebsstrangs gewonnen und zwischengespeichert wurde. Die elektrische Energie wird hierbei in mindestens einer dritten elektrischen Maschine (nicht dargestellt), die mit dem zweiten Räderpaar in einer mechanischen Antriebsverbindung steht, wieder in ein mechanisches Drehmoment umgewandelt.
• Weiterhin zeigt 5, zur Förderung der Übersicht nur in prinzipieller Darstellung, einen Ausschnitt aus einem Antriebsstrang, nämlich mit den Antriebsstrangvarianten 414, 414‘, 414‘‘, 414‘‘‘, um die mögliche Vielfalt von erfindungsgemäßen Antriebssträngen noch eingängiger zu veranschaulichen. Das Zahnradwechselgetriebe 460, in Gestalt eines Doppelkupplungsgetriebes 442, ist durch sein Gehäuse 417 dargestellt. Das Gehäuse 417 stellt die äußere Begrenzung des Zahnradwechselgetriebes 460 dar, es kann auch gesagt werden, es ist ein Außengehäuse. Die primäre Antriebsquelle ist die Verbrennungskraftmaschine 416. Verschiedene Kupplungen, wie die erste Kupplung 444 und die zweite Kupplung 445, sind vorhanden. Durch zwei Kupplungen 444, 445 wird das Getriebe des automatisierten Zahnradwechselgetriebes 460 zu einem Doppelkupplungsgetriebe 442. Es ist eine Doppelkupplung 443 vorhanden. Eine elektrische Maschine 420‘ stellt eine weitere Antriebsquelle in dem Antriebsstrang 414‘ dar. Platz für den Drehkörper 419‘ ist durch parallel angeordnete Pfade (siehe dicke Balken) dargestellt.
• Der Antriebsstrang 414, 414‘, 414‘‘, 414‘‘‘ startet an der Verbrennungskraftmaschine 416. Über eine erste Welle 446, die z. B. in Fortführung der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 416 die Antriebswelle für die nachgeordneten Baugruppen darstellt, kann einer der Drehkörper 419, 419‘, 419‘‘, 419‘‘‘ mitgeschleppt werden. Einige Drehkörper 419, 419‘, 419‘‘, 419‘‘‘, wie der Drehkörper 419 und der Drehkörper 419‘‘, sind mit weiteren Kupplungen 444‘, 445‘ bzw. 444‘‘, 445‘‘ ausgestattet.
• Die parallele Aufteilung der Welle 446, die der Antriebsseite 454 zugeordnet ist, und der Welle 447 soll alternative Konzeptausgestaltungen des Antriebsstrangs 414, 414‘, 414‘‘, 414‘‘‘ darstellen, wobei hinsichtlich der Varianten 414, 414‘, 414‘‘, 414‘‘‘ die Welle 447 der Abtriebsseite 455 zuordenbar ist.
• In der Ausgestaltung des Antriebsstrangs 414‘‘‘, die ganz unten in der 5 gezeigt ist, wird das Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine 416 über die erste Welle 446 und einen als reine Füllmasse ausgestaltbaren Teil der Welle 446 in der Gestalt eines Drehkörpers 419‘‘‘ an den Teil der Welle herangeführt, der als zweite Welle 447 bzw. als Eingangswelle für die Doppelkupplung 443, also das mit den beiden Kupplungen 444, 445 versehene Teil, dient.
• In einer weiteren Ausgestaltung des Antriebsstrangs 414‘‘ wird die Welle 446 auf das Planetengetriebe 453‘‘ geführt. Das Planetengetriebe 453‘‘ ist in der Gestalt eines Dreh- bzw. Rotationskörpers 419‘‘ realisiert. Eine besonders günstige Anbindung eines Planetengetriebes wird anhand des Planetengetriebes 553 in 6 gezeigt. Das Planentengetriebe 453‘‘ (siehe 5) ist wahlweise über eine der Kupplungen 444‘‘, 445‘‘ in den Antriebsstrang 414‘‘ einkoppelbar. Hinter der letzten Kupplung (betrachtet von der Verbrennungskraftmaschine 416 aus) der Kupplungen 444‘‘, 445‘‘ schließt sich die zweite Welle 447 an.
• In einer weiteren Ausgestaltung des Antriebsstrangs 414‘ wird die Welle 446 auf den Rotationskörper 419‘ geführt. Dieser Dreh- bzw. Rotationskörper 419‘ wird durch einen Elektromotor 420‘ realisiert. Abtriebsseitig des Elektromotors 420‘ schließt sich die Welle 447 an.
• In einer vierten Ausgestaltung wird die Welle 446 auf den Rotationskörper 419 geführt. Der Dreh- bzw. Rotationskörper 419 setzt sich aus vielen, insbesondere vier, einzelnen Bauteilen bzw. Baugruppen zusammen. Der Rotationskörper 419 umfasst den Elektromotor 420. Weiterhin gehört zu dem Rotationskörper 419 das Planetengetriebe 453. Zusätzlich sind die Kupplungen 444‘, 445‘ für das Zusammenwirken des Elektromotors 420 mit dem Planetengetriebe 453 in dem Rotationskörper 419 vorhanden.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Rotationskörper 419, 419‘, 419‘‘, 419‘‘‘ als mitdrehendes Teil in dem Antriebsstrang 414, 414‘, 414‘‘, 414‘‘‘ nicht auffällt. Zumindest die Rotationskörper 419, 419‘, 419‘‘ können als Rotationsumsetzer genutzt werden. Es wird eine Drehzahl der Welle 446 auf eine Drehzahl der Welle 447 umgesetzt bzw. verändert.
• 6 zeigt einen Ausschnitt aus dem Antriebstrang 414‘‘ nach 5, nämlich den Teil des Planetengetriebes in der besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Planetengetriebes 553 mit einem Antrieb über Hohlrad 556. Der Abtrieb des Planetengetriebes 553 erfolgt über den Steg 557. Das Sonnenrad 558 dient als Abrollkörper in dem Planetengetriebe 553. Von der Antriebswelle 554, die z. B. mit der ersten Welle 446 in 5 identisch sein kann, wird in 6 das Drehmoment bzw. die Drehzahl auf das Hohlrad 556 geleitet. Von dem Steg 557 wird das Drehmoment bzw. die Drehzahl auf die Abtriebswelle 555 geführt. Die Hohlwelle 551 umschließt die Antriebswelle 554. Die Hohlwelle 551 mündet in das Sonnenrad 558. Die Hohlwelle 551 ist an einem Gehäuse des Planetengetriebes 553 über das Hohlwellenlager 549 gelagert. Wird der Drehkörper 419, 419‘‘ unter das Gehäuse 417 (siehe 5) gebracht, so können das Gehäuse 417 und das Gehäuse des Planetengetriebes 553 in 6 identisch sein.
• Die Hohlwelle 551 führt auf das Sonnenrad 558. Das Hohlrad 556 ist über das Hohlradlager 548 indirekt an der Abtriebswelle 555 gelagert.
• Die in den einzelnen Figuren gezeigten Ausgestaltungsmöglichkeiten lassen sich auch untereinander in beliebiger Form verbinden.
• Durch diese erfindungsgemäße Vielfalt von Betriebszuständen in erfindungsgemäßen Ausführungen hybridisierter Antriebsstränge ist eine optimal an die beim Fahrbetrieb erforderlichen Maßnahmen angepasste Energiezufuhr und Energierückgewinnung über den Antriebsstrang möglich. Damit ist einerseits höchster Komfort auf geringstmöglichem Bauraum realisiert. Andererseits wird vorteilhaft einer häufig gestellten Anforderung zu möglichst geringem Energieverbrauch beim Antrieb eines Kraftfahrzeuges Rechnung getragen. Durch Abstimmung von Betriebsparametern bzw. des Lastpunkts der Verbrennungskraftmaschine auf optimal niedrigen Ausstoß von Abgasen werden Umweltbelastungen vermindert. Somit sind die Betriebskosten zur leistungsfähigen und dynamischen Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs auf ein Minimum absenkbar. Bezugszeichenliste

  Bezugszeichen	Bedeutung
  10, 110, 210, 310	Kraftfahrzeug
  14, 114, 214, 314, 414, 414‘, 414‘‘, 414‘‘‘	Antriebsstrang
  16, 116, 216, 416	Verbrennungskraftmaschine
  417	Gehäuse
  18, 118, 218	Hauptantriebswelle
  419, 419‘, 419‘‘, 419‘‘‘	Drehkörper
  20, 120, 220, 420, 420‘	erste elektrische Maschine
  22, 122, 222	zweite elektrische Maschine
  24	Synchronmaschine
  26	Asynchronmaschine
  30, 130	elektrische Steuerung
  34, 134	elektrischer Zwischenspeicher
  40	Betätigungseinrichtung
  442	Doppelkupplungsgetriebe
  443	Doppelkupplung
  444, 444‘, 444‘‘	erste Kupplung
  445, 445‘, 445‘‘	zweite Kupplung
  446	erste Welle
  447	zweite Welle
  548	Hohlradlager
  549	Hohlwellenlager
  50	Trennkupplung
  551	Hohlwelle
  52, 152	Kupplung, insbesondere Klauenkupplung
  353, 453, 453‘‘, 553	Planetengetriebe
  454, 554	Antriebsseite, insbesondere Antriebswelle
  455, 555	Abtriebsseite, insbesondere Abtriebswelle
  556	Hohlrad
  557	Steg
  558	Sonnenrad
  60, 160, 260, 360	Zahnradwechselgetriebe
  62, 162	Getriebeeinheit
  64, 164, 264	Hauptwelle
  66, 166	erste Vorgelegewelle
  68	zweite Vorgelegewelle
  70, 170	erstes Schaltelement
  72, 172	zweites Schaltelement
  74, 174	erstes Zahnrad
  75, 175	zweites Zahnrad
  76	drittes Zahnrad
  77, 177, 277	Losrad
  78, 178	Festrad
  80, 180	Abtriebswelle
  81	Kardanwelle
  82, 182, 282	Achsdifferenzial
  84, 184	erste Radantriebswelle
  85, 185	zweite Radantriebswelle
  86, 186	erstes Straßenrad
  87, 187	zweites Straßenrad
  90	Generator
  92	Rotorwelle
  93	Rotor
  94	Statorwicklung
  96	Statorhalter
  97	Steuerleitung
  98, 198	elektrische Leitung
  99, 199	Antriebsverbindung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 60315828 T2 [0002]
• DE 102007050414 A1 [0003]
• DE 102007033722 A1 [0004]
• US 7637333 B2 [0004]
• DE 69611745 T2 [0004]
• WO 00/063041 A1 [0004]
• US 6880664 B2 [0005]
• DE 102008051306 A1 [0006]
• DE 102009020177 A1 [0007]
• DE 102008020555 A1 [0009]

Claims (20)

1. Hybridisierter Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) eines Kraftfahrzeuges (10, 110, 210, 310) mit einer Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216) und mit zwei elektrischen Maschinen, eine erste elektrische Maschine (20, 120, 220) und eine zweite elektrische Maschine (22, 122, 222), und mit mindestens einem im Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) angeordneten Schaltelement (70, 72 170, 172), dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) ein Zahnradwechselgetriebe (60, 160, 260), insbesondere mit mindestens einer Vorgelegewelle (66; 166, 68), umfasst und die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222) über das Zahnradwechselgetriebe (60, 160, 260), insbesondere über die Vorgelegewelle (66; 166, 68), vorzugsweise über ein erstes Schaltelement (70, 72 170, 172) des Zahnradwechselgetriebes (60, 160, 260), mit der ersten elektrischen Maschine (20, 120, 220), und insbesondere mit der Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216), durch eine Betätigungseinrichtung (40) in einer Antriebsverbindung (99, 199) steht.
2. Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222) über mindestens eine Getriebeeinheit, wie zwei Zahnräder (74, 75; 174, 175; 174, 76), kraftschlüssig mit der mindestens einen Vorgelegewelle (66, 166, 68) in Verbindung steht, insbesondere wenn alle an der Vorgelegewelle (66; 166, 68) angeordneten Schaltelemente (70, 72 170, 172) in einem geöffneten Zustand sind.
3. Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222) als ein Antriebsmotor (24, 26), vorzugsweise als der einzige Antriebsmotor, des Antriebsstrangs (14, 114, 214, 314) oder als ein Generator (24, 26, 90) zur Aufladung eines elektrischen Zwischenspeichers (34, 134) wie einem Akkumulator dient.
4. Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (20, 120, 220) in Abhängigkeit der Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216), insbesondere der Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216), als Beschleunigungsmotor des Antriebsstrangs (14, 114, 214, 314) oder als Generator (90) zur Aufladung eines elektrischen Zwischenspeichers (34, 134) wie einem Akkumulator dient.
5. Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216) durch eine Betriebsstellung einer Trennkupplung (50, 52, 152), insbesondere einer Klauenkupplung (52, 152), an eine Welle (64, 164, 264; 92; 66, 166, 68; 80, 180), insbesondere eine Hauptwelle (64, 164, 264), des Zahnradwechselgetriebes (60, 160, 260) zum Antrieb des Antriebsstrangs (14, 114, 214, 314) ankuppelbar ist.
6. Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (20, 120, 220) mit der Welle (64, 164, 264; 92; 66, 166, 68; 80, 180) in einer Wirkverbindung, insbesondere dadurch, dass die Welle (64, 164, 264; 92; 66, 166, 68; 80, 180) eine Rotorwelle (92) der ersten elektrischen Maschine (20, 120, 220) ist, steht, die von wenigstens einer Statorwicklung (94) umschlossen wird.
7. Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (20, 120, 220) energetisch auf den Betrieb in einem Niedriglastbereich ausgelegt ist und die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222) auf einen hochtourigen Drehzahlbereich energetisch ausgelegt ist.
8. Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (20, 120, 220) eine permanenterregte Synchronmaschine (24) ist und die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222) als Asynchronmaschine (26) ausgebildet ist.
9. Antriebsstrang (114, 214, 314) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222) über eine Getriebeeinheit (74, 75; 174, 175, 76), die insbesondere mindestens ein zweites Schaltelement (172) umfasst, mit einem Achsdifferenzial (182, 282) in einer Antriebsverbindung (199) steht, wobei durch die Betätigungseinrichtung (40) das zweite Schaltelement (172) und damit die Getriebeeinheit (74, 75; 174, 175, 76), insbesondere in ein erstes Zahnradverhältnis oder vorzugsweise in ein zweites Zahnradverhältnis oder in eine Unterbrechung der Antriebsverbindung (199), schaltbar ist.
10. Antriebsstrang (314) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnradwechselgetriebe (360) ein Doppelkupplungsgetriebe ist.
11. Hybridisierter Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) eines Kraftfahrzeuges (10, 110, 210, 310) mit einer Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216) und mit einer elektrischen Maschine (20, 120, 220 oder 22, 122, 222) und mit mindestens einem im Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) angeordneten Schaltelement (70, 72 170, 172), dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) mit einem automatisierten Zahnradwechselgetriebe (60, 160, 260, 360), wie mit einem Doppelkupplungsgetriebe, realisiert ist und die elektrische Maschine (20, 120, 220 oder 22, 122, 222) über das Zahnradwechselgetriebe (60, 160, 260, 360), insbesondere über die Vorgelegewelle (66, 166, 68), vorzugsweise über ein erstes Schaltelement (70, 72 170, 172) des Zahnradwechselgetriebes (60, 160, 260, 360), insbesondere mit der Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216), durch eine Betätigungseinrichtung (40) in einer Antriebsverbindung (99, 199) steht, dessen Hauptleistungsquelle durch die Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216) einkoppelbar ist.
12. Antriebsstrang (314) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Antriebsstrang (314) ein Planetengetriebe (353) vorgesehen ist, wobei das Zahnradwechselgetriebe (360) über das Planetengetriebe (353) durch die Verbrennungskraftmaschine (16) und/oder durch die elektrische Maschine (20, 22) antreibbar ist.
13. Antriebsstrang (314) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnradwechselgetriebe (460) ein Vierganggetriebe ist, wobei vorzugsweise das Vierganggetriebe (460) ausschließlich Vorwärtsgangstufen aufweist.
14. Antriebsstrang (314) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Rückwärtsgangstufe in einem eingekoppelten Zustand des Planetengetriebes (353) realisiert ist.
15. Betrieb eines hybridisierten Antriebsstrangs (14, 114, 214, 314), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer ankuppelbaren Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216) und zwei elektrischen Maschinen, eine erste elektrische Maschine (20, 120, 220) und eine zweite elektrische Maschine (22, 122, 222), die individuell auf den Antriebstrang (14, 114, 214, 314) aufschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der elektrischen Maschinen, insbesondere die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222), in einem ersten Betriebszustand als Antriebsmaschine für den Antriebstrang (14, 114, 214, 314) benutzt wird und in einem zweiten Betriebszustand mindestens eine der elektrischen Maschinen, insbesondere die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222), als Generator für das Aufladen eines elektrischen Speichers (34, 134) aufgrund von Rotationsenergie einer durch die Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216) antreibbaren Welle (64, 164, 264; 92; 66, 166, 68; 80, 180; 18, 118, 218; 81; 84, 184; 85, 185), wie eine Vorgelegewelle (66, 166, 68) oder eine Hauptwelle (64, 164, 264), eines Zahnradwechselgetriebes (60, 160, 260, 360) dient.
16. Betrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine der elektrischen Maschinen (20, 120, 220; 22, 122, 222), insbesondere die erste elektrische Maschine (20, 120, 220), bei einem Einkuppeln der Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216) in den Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) eine Abstimmung einer Wellendrehzahl des Zahnradwechselgetriebes (60, 160, 260, 360) auf eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216) bewirkt.
17. Betrieb nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine der elektrischen Maschinen (20, 120, 220; 22, 122, 222), insbesondere die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222), bei einem Schaltwechseln des Zahnradwechselgetriebes (60, 160, 260, 360) ein schubkraftunterbrechungsfreies Schalten durch Aufschalten von Antriebsenergie auf die Welle (64, 164, 264; 92; 66, 166, 68; 80, 180; 81; 84, 184; 85, 185) gewährleistet.
18. Betrieb nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (16, 116, 216), die erste elektrische Maschine (20, 120, 220) und die zweite elektrische Maschine (22, 122, 222) jeweils mindestens paarweise simultan im Antriebsstrang (14, 114, 214, 314) ein Drehmoment erzeugen.
19. Betrieb nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Betätigungseinrichtung (40) eine mechanische Antriebsverbindung (99, 199) zwischen der zweiten elektrische Maschine (22, 122, 222) und der ersten elektrischen Maschine (20, 120, 220) unterbrochen wird.
20. Betrieb nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine elektrische Steuerung (30, 130) eine Richtung der Drehmomenterzeugung in einer der elektrischen Maschinen (20, 120, 220; 22, 122, 222), insbesondere der zweiten elektrischen Maschine (22, 122, 222), umgekehrt wird.

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