DE102013206970A1

DE102013206970A1 - Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Antrieb von über eine Riemenscheibenanordnung angebundene Nebenaggregate eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102013206970A1
Application number: DE102013206970.7A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dippold; Ralf Wagner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: DE102013206970B4

Abstract

Es ist eine Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, mit einem Zugmittel zum Übertragen eines Drehmoments, einer an dem Zugmittel angebundenen ersten Riemenscheibe zum Übertragen des über das Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments, einer mit der ersten Riemenscheibe gekoppelten ersten elektrischen Maschine, insbesondere Lichtmaschine, zum Übertragen eines Drehmoments und zum Aufladen einer Kraftfahrzeugbatterie, wobei die erste elektrische Maschine über eine Verbindungseinrichtung mit der ersten Riemenscheibe ankoppelbar und/oder abkoppelbar ist, mindestens einem Nebenaggregat, insbesondere Kühlwasserpumpe, wobei das mindestens eine Nebenaggregat über eine Abtriebswelle antreibbar ist, und das mindestens eine Nebenaggregat über eine zweite Riemenscheibe zum Übertragen des über das Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments an die Abtriebswelle an dem Zugmittel angebundenen ist,, wobei die zweite Riemenscheibe eine zweite elektrische Maschine zur elektromagnetischen Drehmomentübertragung zwischen der zweiten Riemenscheibe und der Abtriebswelle aufweist, wobei die zweite elektrische Maschine mit einer elektrischen Leitung zur Energieversorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs im Falle einer abgekoppelten ersten elektrischen Maschine verbunden ist. Durch die Verwendung einer ankoppelbaren und abkoppelbaren ersten elektrischen Maschine, und der Verwendung einer zweiten elektrischen Maschine, wobei die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie als die zweite elektrische Maschine zur Verfügung stellen kann, ist es möglich bei Bedarf die erste elektrische Maschine über die Verbindungseinrichtung abzukoppeln, so dass die zweite elektrische Maschine das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie versorgt, wodurch ein guter Wirkungsgrad zur elektrischen Energieerzeugung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug ermöglicht werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Antrieb von über eine Riemenscheibenanordnung angebundene Nebenaggregate eines Kraftfahrzeugs, die über ein Zugmittel mit Hilfe eines von einem Kraftfahrzeugmotor bereitgestellten Drehmoments angetrieben werden können.
Aus DE 101 48 961 A1 ist ein Riementrieb mit einer Eingangsriemenscheibe zum Antrieb von Nebenaggregaten bekannt, der über ein Planetengetriebe mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, wobei über das von der Riemenscheibe angetriebene Zugmittel über Ausgangsriemenscheiben verschiedene Nebenaggregate angetrieben werden können. Zusätzlich ist über eine weitere Ausgangsriemenscheibe auch eine elektrische Maschine an das Zugmittel angebunden, um im Generatorbetrieb aus der mechanischen Energie des Zugmittels elektrische Energie zu erzeugen oder im Motorbetrieb einen zusätzlichen Drehmomenteintrag in das Zugmittel leisten zu können.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis den Wirkungsgrad zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Fahrzeug über ein Zugmittel zu verbessern.
Es ist Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine elektrische Energieerzeugung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug mit einem guten Wirkungsgrad ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Riemenscheibenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Antrieb von über eine Riemenscheibenanordnung angebundene Nebenaggregate eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Erfindungsgemäß ist eine Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem Zugmittel zum Übertragen eines Drehmoments, einer an dem Zugmittel angebundenen ersten Riemenscheibe zum Übertragen des über das Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments, einer mit der ersten Riemenscheibe gekoppelten ersten elektrischen Maschine, insbesondere Lichtmaschine, zum Übertragen eines Drehmoments und zum Aufladen einer Kraftfahrzeugbatterie, wobei die erste elektrische Maschine über eine Verbindungseinrichtung mit der ersten Riemenscheibe ankoppelbar und/oder abkoppelbar ist, mindestens einem Nebenaggregat, insbesondere Kühlwasserpumpe, wobei das mindestens eine Nebenaggregat über eine Abtriebswelle antreibbar ist, und das mindestens eine Nebenaggregat über eine zweite Riemenscheibe zum Übertragen des über das Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments an die Abtriebswelle an dem Zugmittel angebundenen ist, wobei die zweite Riemenscheibe eine zweite elektrische Maschine zur elektromagnetischen Drehmomentübertragung zwischen der zweiten Riemenscheibe und der Abtriebswelle aufweist, wobei die zweite elektrische Maschine mit einer elektrischen Leitung zur Energieversorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs im Falle einer abgekoppelten ersten elektrischen Maschine verbunden ist.
Mit Hilfe der ersten elektrischen Maschine und zweiten elektrischen Maschine kann eine bedarfsorientierte Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden. So kann beispielsweise die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie erzeugen als die zweite elektrische Maschine. Aufgrund der unterschiedlichen zur Verfügung stellbaren elektrischen Energie der ersten elektrischen Maschine und zweiten elektrischen Maschine kann die erste elektrische Maschine über die Verbindungseinheit von der ersten Riemenscheibe abgekoppelt werden, wenn beispielsweise die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie erzeugt als vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs benötigt wird. Durch das Abkoppeln von der ersten Riemenscheibe kann kein Drehmoment von dem Zugmittel auf die erste elektrische Maschine übertragen werden, so dass die erste elektrische Maschine keine Energie erzeugen kann, und weiterhin kann ein Schleppmoment für die erste elektrische Maschine eingespart werden. Um das Bordnetz weiterhin mit ausreichend elektrischer Energie zu versorgen, kann das Bordnetz mit Hilfe der zweiten elektrischen Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Energieversorgung erfolgt über eine elektrische Leitung, welche insbesondere unmittelbar mit dem Bordnetz verbunden ist. Dabei kann die zweite elektrische Maschine weniger elektrische Energie zur Verfügung stellen als die erste elektrische Maschine. Dadurch ist es beispielsweise möglich den Verschleiß der ersten elektrischen Maschine und/oder Zugkraft-, Biegewechsel- und Verschleißbeanspruchungen in der Riemenscheibenanordnung aufgrund der Massenträgheit der ersten elektrischen Maschine zu reduzieren. Weiterhin kann durch die zweite elektrische Maschine sichergestellt werden, dass dem Bordnetz ausreichend Energie zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere kann eine aufladbare Energiequelle, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, die zweite elektrische Maschine bei der Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie unterstützen. Durch die Verwendung einer ankoppelbaren und/oder abkoppelbaren ersten elektrischen Maschine, und der Verwendung einer zweiten elektrischen Maschine, wobei die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie als die zweite elektrische Maschine zur Verfügung stellen kann, ist es möglich bei Bedarf die erste elektrische Maschine über die Verbindungseinrichtung abzukoppeln, so dass die zweite elektrische Maschine das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie versorgt, wodurch ein guter Wirkungsgrad zur elektrischen Energieerzeugung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug ermöglicht werden kann.
Das Zugmittel ist insbesondere als Riemen, Flachriemen, Keilriemen, Zahnriemen, Seil, Kette oder ähnliches ausgestaltet. Die erste Riemenscheibe und die zweite Riemenscheibe weisen insbesondere eine zu der Form des Zugmittels korrespondierende nach radial außen weisende Profilierung auf. Mit Hilfe einer oder mehrerer Umlenkrollen kann der Umschlingungswinkel des Zugmittels an der ersten und zweiten Riemenscheibe erhöht werden und/oder eine Vorspannung des Zugmittels eingestellt werden.
Der Begriff Bordnetz bezeichnet hierbei die Vernetzungs- und Kommunikationsinfrastruktur für alle elektrischen und elektronischen Verbraucher eines Kraftfahrzeugs. Die Versorgung kann über eine aufladbare Energiequelle, insbesondere über die Kraftfahrzeugbatterie, erfolgen. Zu den elektrischen Komponenten eines Bordnetzes zählen beispielsweise Verkabelung und Bordspannungssteckdosen, Steuergeräte, Sensoren, Anzeigeelemente, wie Warn- und Kontrollleuchten, Displays, Aktoren, wie Elektromotoren, Leuchten und Beleuchtungssysteme, Bussysteme, Generatoren.
Mit Hilfe einer insbesondere als Lichtmaschine und/oder Starter ausgestalteten ersten elektrischen Maschine kann über die erste Riemenscheibe im angekoppelten Zustand der ersten elektrischen Maschine ein Startmoment in eine Antriebswelle, beispielsweise eine Kurbelwelle, eingeleitet werden, um den Kraftfahrzeugmotor des Kraftfahrzeugs zu starten („Starterbetrieb“). Ferner ist es möglich im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugmotors durch die erste elektrische Maschine über die erste Riemenscheibe ein zusätzliches Drehmoment einzuleiten, um beispielsweise kurzzeitig abgeforderte Spitzenmomente bereitstellen zu können („Boost-Betrieb“). Darüber hinaus kann bei gestartetem Kraftfahrzeugmotor die erste elektrische Maschine als Generator betrieben werden, um mit Hilfe der im Generatorbetrieb betriebenen ersten elektrischen Maschine speicherbare elektrische Energie zu erzeugen („Generatorbetrieb“). Die elektrische Energie kann in einer aufladbaren Energiequelle, beispielsweise eine Kraftfahrzeugbatterie, gespeichert werden. Ein Riementrieb mit einer derartigen Riemenscheibenanordnung eignet sich insbesondere für Start-Stopp-Anwendungen eines Kraftfahrzeugs und kann besonders einfach einen Warmstart der Brennkraftmaschine, insbesondere in einer Change-of-mind-Situation ermöglichen.
Weiterhin kann die erste elektrische Maschine abgekoppelt werden, wenn ein über das Zugmittel an die erste elektrische Maschine übertragenes Drehmoment unterhalb des optimalen Drehmomentes zum Antrieb der ersten elektrischen Maschine liegt. Beispielsweise kann das Zugmittel ein Drehmoment einer Kurbelwelle über die erste Riemenscheibe an die erste elektrische Maschine übertragen, um über die erste elektrische Maschine elektrische Energie für das Bordnetz zu erzeugen. Wenn an der Kurbelwelle ein nicht ausreichendes Drehmoment vorhanden ist, beispielsweise wenn das Drehmoment der Kurbelwelle nahezu vollständig für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden soll, ist es möglich, dass die erste elektrische Maschine nicht mehr optimal betrieben werden kann. Um den Verschleiß der ersten elektrischen Maschine und/oder Zugkraft-, Biegewechsel- und Verschleißbeanspruchungen in der Riemenscheibenanordnung aufgrund der Massenträgheit der ersten elektrischen Maschine zu reduzieren, kann die erste elektrische Maschine abgekoppelt werden und das Bordnetz kann über die zweite elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden.
Insbesondere kann die erste elektrische Maschine wieder an die erste Riemenscheibe über die Verbindungseinrichtung angekoppelt werden, wenn beispielsweise die von der zweiten elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie nicht mehr ausreicht, um das Bordnetz mit ausreichend elektrischer Energie zu versorgen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Bordnetz jederzeit ausreichend mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Weiterhin kann das Bordnetz, wenn die zweite elektrische Maschine dem Bordnetz nicht mehr genug elektrische Energie zur Verfügung stellen kann, zunächst die fehlende benötigte elektrische Energie von einer aufladbaren Energiequelle, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, beziehen, um die Energieversorgung, insbesondere beim Wechsel, sicherzustellen. Falls jedoch die Energieversorgung des Bordnetzes auch bei einer kombinierten Verwendung der zweiten elektrischen Maschine mit der aufladbaren Energiequelle nicht ausreichend sein sollte, kann die erste elektrische Maschine angekoppelt werden, um sowohl das Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen als auch die aufladbare Energiequelle aufzuladen. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die in der aufladbaren Energiequelle des Kraftfahrzeugs, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, gespeicherte elektrische Energie durch das Bordnetz unter einen vorbestimmten Aufladewert vorbestimmten Aufladewert entladen wird, so dass die aufladbare Energiequelle möglicherweise bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs nicht mehr ausreichend elektrische Energie zur Verfügung stellen kann. Sobald die erste elektrische Maschine über die Verbindungseinrichtung an der ersten Riemenscheibe angekoppelt ist, kann die zweite elektrische Maschine elektrisch vom Bordnetz abgekoppelt werden, so dass die elektrische Leitung der zweiten elektrischen Maschine keine Energie in das Bordnetz einspeist. Weiterhin ist es möglich, dass die zweite elektrische Maschine weiterhin elektrische Energie dem Bordnetz zur Verfügung stellt. Dadurch kann eine Rücknahme der elektrischen Last der ersten elektrischen Maschine ermöglicht werden.
Die zweite elektrische Maschine kann derart ausgestaltet sein, dass die zweite elektrische Maschine einen mit der zweiten Riemenscheibe verbundenen Rotor und einen mit der Abtriebswelle verbundenen Stator aufweist. Mit Hilfe der durch den Rotor und dem Stator ausgebildeten zweiten elektrischen Maschine kann die Abtriebswelle elektromagnetisch mit der zweiten Riemenscheibe gekoppelt werden, so dass durch Beeinflussung eines sich zwischen dem Rotor und dem Stator ausbildenden elektrischen und/oder magnetischen Feldes der Leistungsfluss zwischen der zweiten Riemenscheibe und der Abtriebswelle verändert werden kann. Dadurch ist es insbesondere möglich die Abtriebswelle auch bei einer hohen Drehzahl der zweiten Riemenscheibe unterhalb einer zulässigen maximalen Drehzahl und/oder auch bei einer niedrigen Drehzahl der zweiten Riemenscheibe oberhalb einer vorgesehenen minimalen Drehzahl betreiben zu können. Durch den von der zweiten elektrischen Maschine beeinflussbaren Leistungsfluss zwischen der zweiten Riemenscheibe und der Abtriebswelle ist es nicht erforderlich das über die Abtriebswelle angebundene Nebenaggregat für den ungünstigsten Betriebspunkt auszulegen, so dass das Nebenaggregat kleiner dimensioniert sein kann und eine Reduzierung des Bauraums für Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere des Bauraums von über den Riementrieb antreibbaren Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, ermöglicht ist.
Die zweite elektrische Maschine wird insbesondere ausschließlich als elektromechanischer Wandler betrieben. Die zweite elektrische Maschine ist beispielsweise als Gleichstromantrieb oder Drehstromantrieb ausgestaltet. Die zweite elektrische Maschine kann insbesondere permanent erregt oder fremd erregt sein. Insbesondere ist es möglich die zweite elektrische Maschine als Synchronmaschine oder Asynchronmaschine auszugestalten. Das sich zwischen dem Rotor und dem Stator ausbildende elektrische und/oder magnetische Feld kann beispielsweise dadurch verändert werden, dass der Rotor relativ zu dem Stator axial verschoben werden kann, so dass sich die axiale Erstreckung ändern kann, über welcher die für die Übertragung des Leistungsflusses relevanten Bauteile, insbesondere Permanentmagnete und/oder Wicklungen, des Rotors und des Stators in radialer Richtung hintereinander überlappend angeordnet sind. Insbesondere ist es möglich den Rotor soweit relativ zum Stator axial zu verschieben, dass eine Leistungsübertragung zwischen dem Rotor und dem Stator unterbrochen werden kann, beispielsweise um das über die Abtriebswelle angeschlossene Nebenaggregat von dem Riementrieb abzukoppeln.
Der Rotor der zweiten elektrischen Maschine kann mit der Drehzahl der zweiten Riemenscheibe rotieren. Der Antrieb des Rotors erfolgt insbesondere über die zweite Riemenscheibe durch ein an der zweiten Riemenscheibe angreifendes Zugmittel. Der Stator der zweiten elektrischen Maschine kann mit der Drehzahl der Abtriebswelle rotieren. Das heißt im normalen Betrieb kann sowohl der Rotor als auch der Stator rotieren, wobei durch eine Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes zwischen dem Rotor und dem Stator, insbesondere durch ein individuell einstellbares Bestromen von Wicklungen des Stators und/oder des Rotors, eine Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor und dem Stator erhöht oder verringert werden kann, insbesondere um eine gewünschte Nenndrehzahl an der Abtriebswelle regeln zu können. Die gewünschte Nenndrehzahl der Abtriebswelle kann insbesondere variabel sein und sich im laufenden Betrieb ändern. Beispielsweise kann ein gewünschter Volumenstrom eines als Kühlwasserpumpe ausgestalteten Nebenaggregats in Abhängigkeit von der Temperatur einer von dieser Kühlwasserpumpe zu kühlenden Kraftfahrzeugkomponente geregelt werden, so dass sich die Nenndrehzahl der mit dieser Kühlwasserpumpe verbundenen Abtriebswelle zur Einstellung des gewünschten Volumenstroms ändern kann. Falls das Nebenaggregat zwischenzeitlich nicht betrieben werden soll, kann beispielsweise vorgesehen sein die Abtriebswelle mechanisch oder elektrisch zu sperren und einen Leistungseintrag in das Nebenaggregat zu unterbinden. Vorzugsweise kann der Rotor über einen, insbesondere schaltbaren, Freilauf mit der Riemenscheibe und/oder der Stator über einen, insbesondere schaltbaren, Freilauf mit der Abtriebswelle verbunden sein. Dies ermöglicht es für bestimmte Betriebssituationen einen Leistungsfluss von der zweiten Riemenscheibe zur Abtriebswelle zu unterbrechen, ohne über die zweite elektrische Maschine unnötige Leerlaufverluste, beispielsweise mehr elektrische Energie zur Verfügung zu stellen als benötigt, zu erzeugen oder das Nebenaggregat, insbesondere in einer Start-Stopp-Situation, einer Change-of-mind Situation oder zum Antrieb des Kraftfahrzeugs zumindest kurzzeitig rein elektrisch zu betreiben.
Das Nebenaggregat ist beispielsweise eine Kühlwasserpumpe, Ölpumpe, Klimakompressor einer Klimaanlage, Kraftstoffpumpe, Schmierstoffpumpe, mechanischer Lader/Kompressor für Ladeluftverdichtung bei aufladbaren Kraftfahrzeugmotoren.
Insbesondere kann die Riemenscheibenanordnung mehrere Nebenaggregate aufweisen, wobei jedes der mehreren Nebenaggregate eine eigene zweite elektrische Maschine der oben beschriebenen Art aufweisen kann. Die Nebenaggregate können jeweils eine eigene zweite Riemenscheibe aufweisen, um mit dem Zugmittel verbunden zu sein, um beispielsweise ein Drehmoment des Kraftfahrzeugmotors übertragen zu bekommen. Weiterhin kann jedes Nebenaggregat eine eigene Abtriebswelle aufweisen, um das über das Zugmittel bereitgestellte Drehmoment an der zweiten Riemenscheibe an die Abtriebswelle übertragen zu können. Auf diese Weise können mehrere Nebenaggregate zweite elektrische Maschinen aufweisen, um das Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen. Dadurch ist es möglich einen guten Wirkungsgrad der elektrischen Energieversorgung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug zu ermöglichen.
Vorzugsweise weist die Riemenscheibenanordnung eine Steuereinrichtung zum Senden eines ersten Signals zum Koppeln der ersten elektrischen Maschine auf, um die erste elektrische Maschine anzukoppeln und/oder abzukoppeln, und zum Senden eines zweiten Signals an die zweite elektrische Maschine, um im Falle eines Abkoppelns der ersten elektrischen Maschine über die mit der zweiten elektrischen Maschine angeschlossene elektrische Leitung, insbesondere unmittelbar, das Bordnetz mit Energie zu versorgen und insbesondere im Falle eines Ankoppelns der ersten elektrischen Maschine die zweite elektrische Maschine elektrisch vom Bordnetz zu trennen, so dass die an der zweiten elektrischen Maschine angeschlossene elektrische Leitung dem Bordnetz keine elektrische Energie zur Verfügung stellen kann. Vorzugsweise können mit Hilfe der Steuereinrichtung die Vorraussetzungen für ein Ankoppeln und/oder Abkoppeln der ersten elektrischen Maschine von der ersten Riemenscheibe überwacht werden. So kann die Steuereinrichtung beispielsweise den Aufladezustand einer aufladbaren Energiequelle und/oder das übertragene Drehmoment überwachen und falls der Aufladezustand der aufladbaren Energiequelle einen vordefinierten Aufladewert übersteigt und/oder falls das übertragene Drehmoment nicht ausreichend ist, um die erste elektrische Maschine optimal zu betreiben, kann die Steuereinrichtung ein erstes Signal zum Trennen der ersten elektrischen Maschine von der ersten Riemenscheibe an die Verbindungseinrichtung senden. Weiterhin ist es möglich mit Hilfe der Steuereinrichtung ein zweites Signal an die zweite elektrische Maschine zu senden, damit das Bordnetz über die zweite elektrische Maschine mit ausreichend elektrischer Energie versorgt werden kann. Das zweite Signal kann entweder zeitversetzt oder gleichzeitig mit dem Senden des ersten Signals erfolgen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung auch ein erstes Signal an die Verbindungseinrichtung senden, um die erste elektrische Maschine mit der ersten Riemenscheibe zu verbinden. Beispielsweise ist möglich die erste elektrische Maschine wieder anzukoppeln, wenn beispielsweise die von der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung gestellte elektrische Energie nicht ausreicht, um das Bordnetz ausreichend mit elektrischer Energie zu versorgen. Beispielsweise kann eine aufladbare Energiequelle, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, die zweite elektrische Maschine zuerst unterstützen, indem die aufladbare Energiequelle dem Bordnetz die gespeicherte elektrische Energie zur Verfügung stellt, bevor die Steuereinrichtung ein erstes Signal zum Ankoppeln der ersten elektrischen Maschine an die Verbindungseinrichtung sendet. Wenn jedoch ein vordefinierter Aufladewert der aufladbaren Energiequelle unterschritten wird, kann die Steuereinrichtung ein erstes Signal an die Verbindungseinrichtung senden, um die erste elektrische Maschine mit der ersten Riemenscheibe zu verbinden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung ein zweites Signal an die zweite elektrische Maschine senden entweder gleichzeitig mit dem Ankoppeln der ersten elektrischen Maschine oder kurz danach oder sobald die erste elektrische Maschine dem Bordnetz ausreichend elektrische Energie zur Verfügung stellen kann, damit die zweite elektrische Maschine das Bordnetz nicht mehr über die elektrische Leitung mit elektrischer Energie versorgt. Weiterhin ist es möglich, dass die Steuereinrichtung kein zweites Signal an die zweite elektrische Maschine sendet, sondern die zweite elektrische Maschine dem Bordnetz weiterhin elektrische Energie über die angeschlossene elektrische Leitung zur Verfügung stellt. Dadurch kann eine Rücknahme der elektrischen Last der ersten elektrischen Maschine ermöglicht werden.
Vorzugsweise ist die Verbindungseinrichtung zwischen der ersten Riemenscheibe und der ersten elektrischen Maschine als eine Reibungskupplung, Klauenkupplung, Klinkenkupplung, Magnetkupplung und/oder ein schaltbarer Freilauf ausgebildet. Auf diese Weise kann auf einfache Weise eine Verbindungseinrichtung zwischen der ersten Riemenscheibe und der ersten elektrischen Maschine ausgebildet werden. Dies ermöglicht es für bestimmte Betriebssituationen einen Leistungsfluss von der ersten Riemenscheibe zur ersten elektrischen Maschine zu unterbrechen, ohne über die erste elektrische Maschine unnötige Leerlaufverluste, beispielsweise mehr elektrische Energie zur Verfügung zu stellen als benötigt, zu erzeugen.
Insbesondere ist die zweite elektrische Maschine, insbesondere über eine von der elektrischen Leitung verschiedenen Energiespeicherungsleitung, mit einer elektrischen Energiequelle zum Beschleunigen der Abtriebswelle und/oder mit einer elektrischen Energiesenke zum Abbremsen der Abtriebswelle verbunden. Die Energiequelle und/oder die Energiesenke kann mit den Wicklungen des Rotors und/oder Stators der zweiten elektrischen Maschine verbunden sein. Die Energiequelle und die Energiesenke können insbesondere dasselbe Bauteil sein, vorzugsweise eine aufladbare Batterie (Akkumulator), wie beispielsweise eine Kraftfahrzeugbatterie. Vorzugsweise kann zuvor in der Energiesenke gespeicherte elektrische Energie als Energiequelle für die Beschleunigung der Abtriebswelle genutzt werden. Durch die Zufuhr elektrischer Energie der zweiten elektrischen Maschine aus der Energiequelle und/oder der Abfuhr elektrischer Energie aus der zweiten elektrischen Maschine zur Energiesenke kann der Betrag und/oder das Vorzeichen der Drehzahldifferenz zwischen der Drehzahl der zweiten Riemenscheibe und der Drehzahl der Abtriebswelle gezielt verändert werden. Bei einer Zufuhr elektrischer Energie kann die Abtriebswelle zusätzlich zu der von der zweiten Riemenscheibe eingeleiteten Drehzahl beschleunigt werden, wodurch die Abtriebswelle die zweite Riemenscheibe überholt („Überholbetrieb“). Bei einer Abfuhr elektrischer Energie kann die Abtriebswelle im Vergleich zu der von der zweiten Riemenscheibe eingeleiteten Drehzahl abgebremst werden, wodurch die Abtriebswelle langsamer als die zweite Riemenscheibe dreht („Bremsbetrieb“). Im Bremsbetrieb kann vorzugsweise ein elektrischer Verbraucher und/oder ein elektrischer Speicher an die zweite elektrische Maschine angeschlossen werden. Insbesondere kann der elektrische Widerstand des elektrischen Verbrauchers nahezu unendlich gross sein, wodurch im Wesentlichen kein Schleppmoment mehr entsteht. Insbesondere kann die Nenndrehzahl der Abtriebswelle von der Drehzahl der zweiten Riemenscheibe entkoppelt werden. Insbesondere ist es möglich durch die Verbindung der zweiten elektrischen Maschine mit der Energiesenke elektrische Energie für das Bordnetz zur Verfügung zu stellen oder zur Speicherung elektrischer Energie zu erzeugen („Generatorbetrieb“).
Insbesondere ist die von der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung L_2,max geringer als ein von der ersten elektrischen Maschine zur Verfügung stellbaren Maximalnennleistung L_1,max, wobei 0,00 < L_2,max/L_1,max < 1,00, vorzugsweise 0,05 ≤ L_2,max/L_1,max ≤ 0,75, weiter bevorzugt 0,10 ≤ L_2,max/L_1,max ≤ 0,50, besonders bevorzugt 0,20 ≤ L_2,max/L_1,max ≤ 0,25 gilt. Durch die unterschiedliche zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine kann auf einfache Weise ein Bordnetz bedarfsorientiert mit elektrischer Energie versorgt werden. Insbesondere ist es möglich dem Bordnetz genau die Menge an elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen, welche gerade benötigt wird. Wodurch Leerlaufverluste, beispielsweise mehr elektrische Energie zur Verfügung zu stellen als benötigt, der ersten elektrischen Maschine und ein Schleppmoment für die erste elektrische Maschine eingespart werden können. Dadurch ist es beispielsweise möglich den Verschleiß der ersten elektrischen Maschine und/oder Zugkraft-, Biegewechsel- und Verschleißbeanspruchungen in der Riemenscheibenanordnung aufgrund der Massenträgheit der ersten elektrischen Maschine zu reduzieren. Durch die Verwendung einer ankoppelbaren und abkoppelbaren ersten elektrischen Maschine, und der Verwendung einer zweiten elektrischen Maschine, wobei die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie als die zweite elektrische Maschine zur Verfügung stellen kann, ist es möglich bei Bedarf die erste elektrische Maschine über die Verbindungseinrichtung abzukoppeln, so dass die zweite elektrische Maschine das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie versorgt, wodurch ein guter Wirkungsgrad zur elektrischen Energieerzeugung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug ermöglicht werden kann.
Vorzugsweise ist die von der zweiten elektrischen Maschine für das Bordnetz zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung L_B geringer als ein von der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung stellbaren Maximalnennleistung L_2,max, wobei 0,01 ≤ L_B/L_2,max ≤ 0,99, weiter bevorzugt 0,50 ≤ L_B/L_2,max ≤ 0,99, besonders bevorzugt 0,60 ≤ L_B/L_2,max ≤ 0,90 gilt. Durch die unterschiedliche zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung der zweiten elektrischen Maschine für das Bordnetz und von der zweiten elektrischen Maschine selbst, kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass ein Bordnetz bedarfsorientiert mit elektrischer Energie versorgt wird und das Nebenaggregat von der zweiten elektrischen Maschine ausreichend elektrisch angetrieben wird. Falls vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs mehr elektrische Energie benötigt werden sollte als von der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt werden kann, kann eine aufladbare Energiequelle, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, die zweite elektrische Maschine bei der Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie unterstützen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sowohl das Bordnetz durch die zweite elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden kann als auch das Nebenaggregat ausreichend von der zweiten elektrischen Maschine elektrisch angetrieben werden kann.
Insbesondere wird die erste elektrische Maschine abgekoppelt, wenn ein über ein Zugmittel an die erste elektrische Maschine übertragenes Drehmoment M_akt unterhalb des optimalen Drehmomentes M_opt zum Antrieb der ersten elektrischen Maschine liegt, wobei 0,00 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,80, vorzugsweise 0,01 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,50, weiter bevorzugt 0,05 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,40, besonders bevorzugt 0,10 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,20 gilt. Beispielsweise kann das Zugmittel ein Drehmoment einer Kurbelwelle über die erste Riemenscheibe an die erste elektrische Maschine übertragen, um über die erste elektrische Maschine elektrische Energie für das Bordnetz zu erzeugen. Wenn an der Kurbelwelle ein nicht ausreichendes Drehmoment vorhanden ist, beispielsweise wenn das Drehmoment der Kurbelwelle nahezu vollständig für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden soll, ist es möglich, dass die erste elektrische Maschine nicht mehr optimal betrieben werden kann. Um den Verschleiß der ersten elektrischen Maschine und/oder Zugkraft-, Biegewechsel- und Verschleißbeanspruchungen in der Riemenscheibenanordnung aufgrund der Massenträgheit der ersten elektrischen Maschine zu reduzieren, kann die erste elektrische Maschine abgekoppelt werden und das Bordnetz kann über die zweite elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs mit einer Motorwelle, insbesondere Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors, mit einer Riemenscheibenanordnung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Vorzugsweise sind mehrere Ausgangsriemenscheiben vorgesehen, wobei insbesondere mehrere, vorzugsweise alle, Ausgangsriemenscheiben als Riemenscheibenanordnung ausgestaltet sind, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Durch die Verwendung unterschiedlicher elektrischer Maschinen, die eine unterschiedliche Menge an elektrischer Energie zur Verfügung stellen, kann ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bedarfsorientiert mit elektrischer Energie versorgt werden. Dadurch ist es möglich einen guten Wirkungsgrad der elektrischen Energieversorgung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug zu ermöglichen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Antrieb von über eine Riemenscheibenanordnung, die wie vorstehend aus- und weitergebildet sein kann, angebundene Nebenaggregate eines Kraftfahrzeugs, wobei die Riemenscheibenanordnung eine erste elektrische Maschine zum Aufladen einer Energiequelle und eine zweite elektrische Maschine zur Drehmomentübertragung an ein Nebenaggregat aufweist, mit den Schritten: Erfassen eines Ladezustandes der aufladbaren Energiequelle, insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie, Abkoppeln der ersten elektrischen Maschine, falls die Energiequelle einen vordefinierten Maximal-Aufladezustand übersteigt, Versorgen eines Bordnetzes mit elektrischer Energie aus der zweiten elektrischen Maschine die über eine elektrische Leitung, insbesondere unmittelbar, an dem Bordnetz angeschlossen ist, falls die Energiequelle einen vordefinierten Maximal-Aufladezustand übersteigt.
Der Begriff Maximal-Aufladezustand bezeichnet hierbei einen vorbestimmten Aufladewert für eine aufladbare Energiequelle, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, ab dem die erste elektrische Maschine abgekoppelt werden kann, wenn die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie zur Verfügung stellt, als vom Bordnetz benötigt wird und/oder als die aufladbare Energiequelle speichern kann. Dabei kann die erste elektrische Maschine die aufladbare Energiequelle auch bis zum vorbestimmten Aufladewert aufladen bevor die erste elektrische Maschine abgekoppelt wird.
Bei dem Verfahren werden eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine verwendet, um ein Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie zur Verfügung stellen kann, als die zweite elektrische Maschine. Aufgrund der unterschiedlichen zur Verfügung stellbaren elektrischen Energie der ersten elektrischen Maschine und zweiten elektrischen Maschine kann bei dem Verfahren die erste elektrische Maschine abgekoppelt werden, wenn beispielsweise die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie erzeugt als vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs und/oder zum Aufladen der aufladbaren Energiequelle benötigt wird. Das Bordnetz kann nach dem Abkoppeln der ersten elektrischen Maschine durch die zweite elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei die zweite elektrische Maschine weniger Energie zur Verfügung stellen kann als die erste elektrische Maschine. Dadurch ist es beispielsweise möglich den Verschleiß der ersten elektrischen Maschine und/oder Zugkraft-, Biegewechsel- und Verschleißbeanspruchungen in der Riemenscheibenanordnung aufgrund der Massenträgheit der ersten elektrischen Maschine zu reduzieren. Durch die Verwendung einer ankoppelbaren und abkoppelbaren ersten elektrischen Maschine, und der Verwendung einer zweiten elektrischen Maschine, wobei die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie als die zweite elektrische Maschine zur Verfügung stellen kann, ist es möglich bei Bedarf die erste elektrische Maschine über die Verbindungseinrichtung abzukoppeln, so dass die zweite elektrische Maschine das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie versorgt, wodurch ein guter Wirkungsgrad zur elektrischen Energieerzeugung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug ermöglicht werden kann.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte: Ankoppeln der ersten elektrischen Maschine, falls der Ladezustand der Energiequelle einen vordefinierten Minimal-Aufladewert unterschreitet, Trennen der zweiten elektrischen Maschine vom Bordnetz, falls der Ladezustand der Energiequelle einen vordefinierten Minimal-Aufladewert unterschreitet.
Der Begriff Minimal-Aufladezustand bezeichnet hierbei einen vorbestimmten Aufladewert für eine aufladbare Energiequelle, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, ab dem die erste elektrische Maschine angekoppelt werden kann, falls die zweite elektrische Maschine nicht mehr genügend elektrische Energie zur Verfügung stellen kann, welche vom Bordnetz und/oder bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs benötigt wird.
Durch das Verfahren, kann verhindert werden, dass das Bordnetz nicht mit ausreichend elektrischer Energie versorgt wird und/oder die aufladbare Energiequelle soweit entladen wird, dass die aufladbare Energiequelle beispielsweise bei einem Kaltstart nicht mehr genügend Energie zum Starten des Motors zur Verfügung stellen kann. Bei dem Verfahren werden eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine verwendet, um ein Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie zur Verfügung stellen kann, als die zweite elektrische Maschine. Aufgrund der unterschiedlichen zur Verfügung stellbaren elektrischen Energie der ersten elektrischen Maschine und zweiten elektrischen Maschine kann bei dem Verfahren die erste elektrische Maschine angekoppelt werden, falls die zweite elektrische Maschine nicht mehr genügend elektrische Energie erzeugen kann um das Bordnetz des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen, um das Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen und um beispielsweise die aufladbare Energiequelle aufzuladen. Insbesondere ist es möglich die zweite elektrische Maschine elektrisch vom Bordnetz zu trennen, so dass die angeschlossene elektrische Leitung der zweiten elektrischen Maschine dem Bordnetz keine elektrische Energie zur Verfügung stellen kann, falls die von der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung gestellte elektrische Energie zur Versorgung des Bordnetzes nicht mehr benötigt wird. Weiterhin ist es möglich, dass die zweite elektrische Maschine dem Bordnetz elektrische Energie zur Verfügung stellt, auch wenn die erste elektrische Maschine angekoppelt ist. Dadurch kann eine Rücknahme der elektrischen Last der ersten elektrischen Maschine ermöglicht werden. Durch die Verwendung einer ankoppelbaren und abkoppelbaren ersten elektrischen Maschine, und der Verwendung einer zweiten elektrischen Maschine, wobei die erste elektrische Maschine mehr schine mehr elektrische Energie als die zweite elektrische Maschine zur Verfügung stellen kann, ist es möglich bei Bedarf die erste elektrische Maschine über die Verbindungseinrichtung abzukoppeln, so dass die zweite elektrische Maschine das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie versorgt, wodurch ein guter Wirkungsgrad zur elektrischen Energieerzeugung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug ermöglicht werden kann.
Insbesondere ist bei dem Verfahren die von der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung L_2,max geringer als ein von der ersten elektrischen Maschine zur Verfügung stellbaren Maximalnennleistung L_1,max, wobei 0,00 < L_2,max/L_1,max < 1,00, vorzugsweise 0,05 ≤ L_2,max/L_1,max ≤ 0,75, weiter bevorzugt 0,10 ≤ L_2,max/L_1,max ≤ 0,50, besonders bevorzugt 0,20 ≤ L_2,max/L_1,max ≤ 0,25 gilt. Aufgrund der unterschiedlichen zur Verfügung stellbaren Maximalnennleistungen der ersten und zweiten elektrischen Maschine kann bei dem Verfahren die erste elektrische Maschine abgekoppelt werden, wenn beispielsweise die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie erzeugt als vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs benötigt wird. Insbesondere ist es möglich dem Bordnetz genau die Menge an elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen, welche gerade benötigt wird. Wodurch Leerlaufverluste, beispielsweise mehr elektrische Energie zur Verfügung zu stellen als benötigt, der ersten elektrischen Maschine und ein Schleppmoment für die erste elektrische Maschine eingespart werden können. Dadurch ist es beispielsweise möglich den Verschleiß der ersten elektrischen Maschine und/oder Zugkraft-, Biegewechsel- und Verschleißbeanspruchungen in der Riemenscheibenanordnung aufgrund der Massenträgheit der ersten elektrischen Maschine zu reduzieren. Durch die Verwendung einer ankoppelbaren und abkoppelbaren ersten elektrischen Maschine, und der Verwendung einer zweiten elektrischen Maschine, wobei die erste elektrische Maschine mehr elektrische Energie als die zweite elektrische Maschine zur Verfügung stellen kann, ist es möglich bei Bedarf die erste elektrische Maschine über die Verbindungseinrichtung abzukoppeln, so dass die zweite elektrische Maschine das Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie versorgt, wodurch ein guter Wirkungsgrad zur elektrischen Energieerzeugung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug ermöglicht werden kann.
Vorzugsweise ist bei dem Verfahren die von der zweiten elektrischen Maschine für das Bordnetz zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung L_B geringer als ein von der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung stellbaren Maximalnennleistung L_2,max, wobei 0,01 ≤ L_B/L_2,max ≤ 0,99, weiter bevorzugt 0,50 ≤ L_B/L_2,max ≤ 0,99, besonders bevorzugt 0,60 ≤ L_B/L_2,max ≤ 0,90 gilt. Durch die unterschiedliche zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung der zweiten elektrischen Maschine für das Bordnetz und von der zweiten elektrischen Maschine selbst, kann bei dem Verfahren auf einfache Weise sichergestellt werden, dass ein Bordnetz bedarfsorientiert mit elektrischer Energie versorgt wird und gleichzeitig das Nebenaggregat von der zweiten elektrischen Maschine ausreichend elektrisch angetrieben wird.. Falls vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs mehr elektrische Energie benötigt werden sollte als von der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt werden kann, kann eine aufladbare Energiequelle, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, die zweite elektrische Maschine bei der Versorgung des Bordnetzes mit Energie unterstützen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sowohl das Bordnetz durch die zweite elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden kann als auch das Nebenaggregat von der zweiten elektrischen Maschine ausreichend elektrisch angetrieben werden kann. Dadurch ist es möglich einen guten Wirkungsgrad der elektrischen Energieversorgung über ein Zugmittel in einem Kraftfahrzeug zu ermöglichen.
Insbesondere kann bei dem Verfahren die erste elektrische Maschine abgekoppelt werden, wenn ein über ein Zugmittel an die erste elektrische Maschine übertragenes Drehmoment M_akt unterhalb des optimalen Drehmomentes M_opt zum Antrieb der ersten elektrischen Maschine liegen, wobei 0,00 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,80, vorzugsweise 0,01 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,50, weiter bevorzugt 0,05 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,40, besonders bevorzugt 0,10 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,20 gilt. Beispielsweise kann bei dem Verfahren das Zugmittel ein Drehmoment einer Kurbelwelle über die erste Riemenscheibe an die erste elektrische Maschine übertragen, um über die erste elektrische Maschine elektrische Energie für das Bordnetz zu erzeugen. Wenn an der Kurbelwelle ein nicht ausreichendes Drehmoment vorhanden ist, beispielsweise wenn das Drehmoment der Kurbelwelle nahezu vollständig für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden soll, ist es möglich, dass die erste elektrische Maschine nicht mehr optimal betrieben werden kann. Um den Verschleiß der ersten elektrischen Maschine und/oder Zugkraft-, Biegewechsel- und Verschleißbeanspruchungen in der Riemenscheibenanordnung aufgrund der Massenträgheit der ersten elektrischen Maschine zu reduzieren, kann die erste elektrische Maschine abgekoppelt werden und das Bordnetz kann über die zweite elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren die Zufuhr von elektrischer Energie in die zweite elektrische Maschine und/oder Abfuhr von elektrischer Energie von der zweiten elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einer Nenndrehzahl der zweiten Riemenscheibe zur Regelung einer Nenndrehzahl der Abtriebswelle durchgeführt. Durch den von der zweiten elektrischen Maschine beeinflussbare Leistungsfluss zwischen der zweiten Riemenscheibe und der Abtriebswelle ist es nicht erforderlich das über die Abtriebswelle angebundene Nebenaggregat für den ungünstigsten Betriebspunkt auszulegen, so dass das Nebenaggregat kleiner dimensioniert sein kann und eine Reduzierung des Bauraums für Fahrzeugkomponenten, insbesondere des Bauraums von über den Riemenantrieb antreibbaren Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, ermöglicht ist.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
1: eine schematische Ansicht eines Riementriebs,
2: eine schematische Ansicht einer Verbindungseinrichtung für den Riementrieb aus 1,
3: eine schematische Ansicht einer Riemenscheibenanordnung für den Riementrieb aus 1,
4: ein schematisches Diagramm der zur Verfügung stellbaren Leistung eines Nebenaggregats in Abhängigkeit der Drehzahl des Nebenaggregats bei konstanter Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors, und
5: ein schematisches Diagramm eines Zeitverlaufs für die angekoppelte oder abgekoppelte erste elektrische Maschine und für den Aufladezustand der aufladbaren Energiequelle.
Die 1 stellt eine schematische Ansicht eines Riementriebs 8 zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs dar. Der Riementrieb 8 umfasst ein Zugmittel 12, beispielsweise einen Flachriemen, zum Übertragen eines Drehmoments einer Antriebswelle 14, beispielsweise eine Kurbelwelle. Im dargestellten Ausführungsbeispiel überträgt das Zugmittel 12 das Drehmoment der Antriebswelle 14 auf drei Nebenaggregate 16, 18, 20. Das erste Nebenaggregat ist beispielsweise eine erste elektrische Maschine 16, beispielsweise eine Lichtmaschine, das zweite Nebenaggregat 18 ist beispielsweise eine Kühlwasserpumpe, und das dritte Nebenaggregat 20 ist beispielsweise ein Klimakompressor. In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste elektrische Maschine 16 über eine erste Riemenscheibe 22 mit dem Zugmittel 12 verbunden. Das zweite Nebenaggregat 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel über eine zweite Riemenscheibe 24 mit dem Zugmittel 12 verbunden. Weiterhin weist der Riementrieb 8 ein Riemenspannsystem, umfassend eine Umlenkrolle 68, einen Hebelarm 26 und eine Spannrolle 28, auf, um die Spannung des Zugmittels 12 in dem Riementrieb aufrecht zu erhalten. Weiterhin kann in diesem Ausführungsbeispiel das dritte Nebenaggregat 20 ebenfalls über eine zweite Riemenscheibe 24 mit dem Zugmittel 12 verbunden sein.
In 2 ist eine schematische Ansicht einer Verbindungseinrichtung 30, beispielsweise eine Reibungskupplung, dargestellt. Die Verbindungseinrichtung 30 verbindet die erste Riemenscheibe 22 mit der ersten elektrischen Maschine 16. Mit Hilfe der Verbindungseinrichtung 30 kann die erste elektrische Maschine 16 von der ersten Riemenscheibe 22 abgekoppelt werden, wenn beispielsweise an der Antriebswelle 14 ein nicht ausreichendes Drehmoment vorhanden ist, beispielsweise wenn das Drehmoment der Antriebswelle 14 nahezu vollständig für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden soll, und/oder wenn die erste elektrische Maschine 16 mehr elektrische Energie zur Verfügung stellt, als von einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs benötigt wird. Weiterhin ist es auch möglich über die Verbindungseinrichtung 30 die erste elektrische Maschine 16 an die erste Riemenscheibe 22 anzukoppeln, falls die erste elektrische Maschine 16 dem Bordnetz elektrische Energie zur Verfügung stellen soll.
Die in 3 dargestellte Riemenscheibenanordnung 10 weist eine zweite Riemenscheibe 24 mit einer nach radial außen weisenden Lauffläche 34 auf, über die ein von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bereitgestelltes Drehmoment von einem Zugmittel 12, beispielsweise Flachriemen, eingeleitet werden kann. Die zweite Riemenscheibe 24 ist über eine zweite elektrische Maschine 32 mit einer Abtriebswelle 36 gekoppelt, die eine Eingangswelle eines Nebenaggregats, beispielsweise eine Kühlwasserpumpe, sein kann. Die zweite elektrische Maschine 32 weist einen mit der zweiten Riemenscheibe 24 fest verbundenen Rotor 38 und einen über einen Luftspalt zu dem Rotor 38 beabstandeten Stator 40 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 38 Permanentmagneten auf, während der Stator 40 Wicklungen aufweist. Ferner ist der Stator 40 über einen Träger 42 fest mit der Abtriebswelle 36 verbunden. Der Träger 42 ist ringförmig mit einem im Wesentlichen U-förmigen axial geöffneten Querschnitt ausgestaltet. Der Träger 42 weist an der Basis des U-förmigen Querschnitts ein in radialer Richtung verlaufendes Verbindungsstück 44 auf, so dass sich zwischen dem Stator 40 und der Abtriebswelle 36 eine Tasche 46 ausbildet, in der eine Schleifkontaktverbindung 48 vorgesehen ist. Die Schleifkontaktverbindung 48 weist an der von dem Stator 40 wegweisenden Seite Schleifringe 50 auf, gegen die mit Druckfedern 52 federbelastete Schleifbürsten 54 drücken, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Die Druckfeder 52 und die mit der Druckfeder 52 verbundene Schleifbürste 54 sind in einer Schleifbürstenführung 56 geführt. Die Schleifbürstenführung 56 ist mit einem feststehenden Halter 58 verbunden. Der Halter 58 kann insbesondere mit einem Aggregatgehäuse 60 des Nebenaggregats verbunden sein, wobei das Aggregatgehäuse 60 vorzugsweise zumindest teilweise in die zweite Riemenscheibe 24 und/oder die Riemenscheibenanordnung 10 axial hineinragen kann. Über den Halter 58 und/oder das Aggregatgehäuse 60 können elektrische Leitungen 62 geführt sein, die mit den Schleifbürsten 54 elektrisch verbunden sein können. Mit Hilfe einer vollständig innerhalb der zweiten Riemenscheibe 24 angeordneten Elektronikschaltung 64, die insbesondere mit dem Träger 42 oder mit dem Halter 58 oder in einer mehrteiligen Ausgestaltung mit einem ersten Teil mit dem Träger 42 und mit einem zweiten Teil mit dem Halter 58 befestigt ist, kann eine Zufuhr und/oder Abfuhr von elektrischer Energie über die elektrischen Leitungen 62 gesteuert werden, wodurch sich das elektromagnetische Feld zwischen dem Rotor 38 und dem Stator 40 beeinflussen lässt. Dadurch ist es insbesondere möglich, dass die Drehzahl der Abtriebswelle 36 von der Drehzahl der zweiten Riemenscheibe 24 abweicht, insbesondere um für die Abtriebswelle 36 im Wesentlichen unabhängig von der Drehzahl der zweiten Riemenscheibe 24 eine beabsichtigte Nenndrehzahl zu regeln. Hierzu ist die zweite Riemenscheibe 24 nicht fest mit der Abtriebswelle 36 verbunden, sondern über ein Wälzlager 66 relativ drehbar gelagert.
In 4 ist ein schematisches Diagramm der zur Verfügung stellbaren Leistung L_KW eines Nebenaggregats 18 in Abhängigkeit von der Drehzahl KB des Nebenaggregats 18 bei konstanter Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel soll das Nebenaggregat 18 eine Kühlwasserpumpe darstellen. Auf der y-Achse ist die zur Verfügung stellbare Leistung L_KW der Kühlwasserpumpe dargestellt. Die x-Achse stellt die Drehzahl KB der Kühlwasserpumpe dar, wobei die Drehzahl der Kühlwasserpumpe vom Kühlungsbedarf abhängt. Wenn ein hoher Kühlungsbedarf benötigt wird, dann steigt die Drehzahl der Kühlwasserpumpe damit die Kühlwasserpumpe mehr Kühlwasser fördern kann. Es ist erkennbar, dass die zur Verfügung stellbare Leistung L_KW der Kühlwasserpumpe abhängig ist von der Drehzahl KB der Kühlwasserpumpe. Die erste Kurve C1 stellt die entnommene Leistung am Zugmittel 12 dar. Die zweite Kurve C2 stellt die mechanische Leistung an der Kühlwasserpumpe dar. Der Bereich zwischen den beiden Kurven C1 und C2, welche mit horizontalen Strichen dargestellt ist, stellt die von der zweiten elektrischen Maschine 32 dem Bordnetz zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung L_B dar. Weiterhin stellt die Horizontale H den Leistungsbedarf einer ungeregelten Kühlwasserpumpe als Referenz dar. Der Bereich zwischen der Horizontalen H und der ersten Kurve C1 ist die mechanische Leistung, die am Riementrieb 8 mit Hilfe einer geregelten Kühlwasserpumpe eingespart werden kann.
In 5 ist ein schematisches Diagramm eines Zeitverlaufs für die angekoppelte oder abgekoppelte erste elektrische Maschine 16 und für den Aufladezustand der aufladbaren Energiequelle dargestellt. Das schematische Diagramm umfasst zwei Graphen, die übereinander angeordnet sind. In dem oberen Graphen ist auf der y-Achse der angekoppelte oder abgekoppelte Zustand k der ersten elektrischen Maschine 16 dargestellt. Dabei ist der angekoppelte Zustand als 1 und der abkoppelte Zustand mit 0 bezeichnet. In dem unteren Graphen ist auf der y-Achse der Aufladezustand AL der aufladbaren Energiequelle, beispielsweise eine Kraftfahrzeugbatterie dargestellt. Auf der x-Achse ist in beiden Graphen der Zeitverlauf t dargestellt. Sowohl in dem oberen Graphen als auch in dem unteren Graphen sind zwei Signalverläufe dargestellt. Der Signalverlauf mit einer durchgehenden Linie stellt dabei eine Riemenscheibenanordnung 10 ohne eine zweite elektrische Maschine 32 dar, und der Signalverlauf mit der gepunkteten Linie stellt eine Riemenscheibenanordnung 10 mit einer zweiten elektrischen Maschine 32 dar, wobei sich die beiden Signalverläufe teilweise überdecken.
Das schematische Diagramm stellt in den beiden Graphen mehrere Betriebszustände dar. Im Betriebszustand 1 ist erkennbar, dass bei einer Riemenscheibenanordnung 10 mit einer zweiten elektrischen Maschine 32 der Aufladezustand AL der aufladbaren Energiequelle bei einer abgekoppelten ersten elektrischen Maschine 16 langsamer abnimmt. Dies ist daran erkennbar, dass in dem unteren Graphen der Signalverlauf mit der gepunkteten Linie über dem Signalverlauf mit der durchgehenden Linie ist. Dadurch wird verdeutlicht, dass der Aufladezustand AL des aufladbaren Energieträgers bei einer Riemenscheibenanordnung 10 mit einer zweiten elektrischen Maschine 32 langsamer abnimmt als bei einer Riemenscheibenanordnung 10 ohne eine zweite elektrische Maschine 32. Weiterhin ist im unteren Graphen erkennbar, dass auch bei dem gestrichelten Signalverlauf der Aufladezustandes AL der aufladbaren Energiequelle abnimmt. Dies bedeutet, dass die von der zweiten elektrischen Maschine 32 zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung L_2,max geringer ist als eine von der ersten elektrischen Maschine 16 zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung L_1,max.
In dem Betriebszustand 2 ist erkennbar, dass mit Hilfe einer zweiten elektrischen Maschine 32 die erste elektrische Maschine 16 weiterhin abgekoppelt bleiben kann. Dies ist daran erkennbar, dass in dem oberen Graphen der Signalverlauf mit der gepunkteten Linie weiterhin im abgekoppelten Zustand 0 der ersten elektrischen Maschine 16 dargestellt ist. In dem unteren Graphen steigt bei dem Signalverlauf mit der durchgehenden Linie der Aufladezustand AL der aufladbaren Energiequelle, während bei dem Signalverlauf mit der gepunkteten Linie der Aufladezustand AL weiter abnimmt.
In dem Betriebszustand 3 ist erkennbar, dass die erste elektrische Maschine 16 durch Verwendung einer zweiten elektrischen Maschine 32 an verschiedenen Zeitpunkten zusätzlich abgekoppelt werden kann. Dies ist im oberen Graphen daran, erkennbar, dass der Signalverlauf mit der gepunkteten Linie zwischen dem abgekoppelten Zustand 0 und dem angekoppelten Zustand 1 der ersten elektrischen Maschine 16 hin und her wechselt. Weiterhin ist im unteren Graphen anhand des Signalverlaufes mit der gepunkteten Linie erkennbar, dass bei einer angekoppelten ersten elektrischen Maschine 16 der Aufladezustand AL der aufladbaren Energiequelle zunimmt, und bei einer abgekoppelten ersten elektrischen Maschine 16 der Aufladezustand AL der aufladbaren Energiequelle abnimmt.
In dem Betriebszustand 4 ist erkennbar, dass durch das Ankoppeln der ersten elektrischen Maschine 16 die aufladbare Energiequelle aufgeladen wird. Die beiden Signalverläufe überdecken sich sowohl im oberen Graphen als auch im unteren Graphen. Weiterhin kann bei einer Riemenscheibenanordnung 10 mit einer zweiten elektrischen Maschine 32 eine Rücknahme der elektrischen Last der ersten elektrischen Maschine 16 ermöglicht werden, wenn über die zweite elektrische Maschine 32 weiterhin elektrische Energie für das Bordnetz zur Verfügung gestellt wird.
Bezugszeichenliste

8: Riementrieb
10: Riemenscheibenanordnung
12: Zugmittel
14: Antriebsmittel
16: erste elektrische Maschine
18: zweites Nebenaggregat
20: drittes Nebenaggregat
22: erste Riemenscheibe
24: zweite Riemenscheibe
26: Hebelarm
28: Spannrolle
30: Verbindungseinrichtung
32: zweite elektrische Maschine
34: Lauffläche
36: Abtriebswelle
38: Rotor
40: Stator
42: Träger
44: Verbindugsstück
46: Tasche
48: Schleifkontaktverbindung
50: Schleifring
52: Druckfeder
54: Schleifbürste
56: Schleifbürstenführung
58: Halter
60: Aggregatgehäuse
62: elektrische Leitung
64: Elektronikschaltung
66: Wälzlager
68: Umlenkrolle
L_Kw: zur Verfügung stellbare Leistung der Kühlwasserpumpe
KB: Drehzahl der Kühlwasserpumpe
H: Horizontale
k: Kopplungszustand der ersten elektrischen Maschine
0: abgekoppelte erste elektrische Maschine
1: angekoppelte erste elektrische Maschine
AL: Aufladezustand der aufladbaren Energiequelle
t: Zeitverlauf
L_B: zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung der zweiten elektrischen Maschine für das Bordnetz
L_1,max: zur Verfügungs stellbare Maximalnennleistung der ersten elektrischen Maschine
L_2,max: zur Verfügungs stellbare Maximalnennleistung der zweiten elektrischen Maschine
C1: Kurve der entnommenen Leistung am Riementrieb
C2: Kurve der mechanischen Leistung an der Kühlwasserpumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10148961 A1 [0002]

Claims

Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb (8) zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, mit – einem Zugmittel (12) zum Übertragen eines Drehmoments, – einer an dem Zugmittel angebundenen ersten Riemenscheibe (22) zum Übertragen des über das Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments, – einer mit der ersten Riemenscheibe (22) gekoppelten ersten elektrischen Maschine (16), insbesondere Lichtmaschine, zum Übertragen eines Drehmoments und zum Aufladen einer Kraftfahrzeugbatterie, wobei die erste elektrische Maschine (16) über eine Verbindungseinrichtung (30) mit der ersten Riemenscheibe (22) ankoppelbar und/oder abkoppelbar ist, – mindestens einem Nebenaggregat (18), insbesondere Kühlwasserpumpe, – wobei mindestens das Nebenaggregat (18) über eine Abtriebswelle (36) antreibbar ist, und – das mindestens eine Nebenaggreagt (18) über eine zweite Riemenscheibe (24) zum Übertragen des über das Zugmittel (12) bereitstellbaren Drehmoments an die Abtriebswelle (36) an dem Zugmittel (12) angebundenen ist, wobei die zweite Riemenscheibe (24) eine zweite elektrische Maschine (32) zur elektromagnetischen Drehmomentübertragung zwischen der zweiten Riemenscheibe (24) und der Abtriebswelle (36) aufweist, wobei die zweite elektrische Maschine (32) mit einer elektrischen Leitung zur Energieversorgung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs im Falle einer abgekoppelten ersten elektrischen Maschine (16) verbunden ist.
Riemenscheibenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Riemenscheibenanordnung eine Steuereinrichtung zum Senden eines ersten Signals zum Koppeln der ersten elektrischen Maschine (16) aufweist, um die erste elektrische Maschine (16) anzukoppeln und/oder abzukoppeln, und zum Senden eines zweiten Signals an die zweite elektrische Maschine (32), um im Falle eines Abkoppelns der ersten elektrischen Maschine (16) über die mit der zweiten elektrischen Maschine (32) angeschlossene elektrische Leitung, insbesondere unmittelbar, das Bordnetz mit Energie zu versorgen und insbesondere im Falle eines Ankoppelns der ersten elektrischen Maschine (16) die zweite elektrische Maschine (32) elektrisch vom Bordnetz zu trennen.
Riemenscheibenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (30) zwischen der ersten Riemenscheibe (22) und der ersten elektrischen Maschine (16) als eine Reibungskupplung, Klauenkupplung, Klinkenkupplung, Magnetkupplung und/oder ein schaltbarer Freilauf ausgebildet ist.
Riemenscheibenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (32), insbesondere über eine von der elektrischen Leitung verschiedenen Energiespeicherungsleitung, mit einer elektrischen Energiequelle zum Beschleunigen der Abtriebswelle (36) und/oder mit einer elektrischen Energiesenke zum Abbremsen der Abtriebswelle (36) verbunden ist.
Verfahren zum Antrieb von über eine Riemenscheibenanordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, angebundene Nebenaggregate eines Kraftfahrzeugs, wobei die Riemenscheibenanordnung eine erste elektrische Maschine (16) zum Aufladen einer Energiequelle und eine zweite elektrische Maschine (32) zur Drehmomentübertragung an ein Nebenaggregat aufweist, mit den Schritten: – Erfassen eines Ladezustandes der aufladbaren Energiequelle, insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie, – Abkoppeln der ersten elektrischen Maschine (16), falls die Energiequelle einen vordefinierten Maximal-Aufladezustand übersteigt, – Versorgen eines Bordnetzes mit elektrischer Energie aus der zweiten elektrischen Maschine (32) über eine elektrische Leitung, insbesondere unmittelbar, an dem Bordnetz angeschlossen ist, falls die Energiequelle einen vordefinierten Maximal-Aufladezustand übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend die Schritte: – Ankoppeln der ersten elektrischen Maschine (16), falls der Ladezustand der Energiequelle einen vordefinierten Minimal-Aufladewert unterschreitet, – Trennen der zweiten elektrischen Maschine (32) vom Bordnetz, falls der Ladezustand der Energiequelle einen vordefinierten Minimal-Aufladewert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die von der zweiten elektrischen Maschine (32) zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung L_2,max geringer als ein von der ersten elektrischen Maschine (16) zur Verfügung stellbaren Maximalnennleistung L_1,max ist, wobei 0,00 < L_2,max/L_1,max < 1,00, vorzugsweise 0,05 ≤ L_2,max/L_1,max ≤ 0,75, weiter bevorzugt 0,10 ≤ L_2,max/L_1,max ≤ 0,50, besonders bevorzugt 0,20 ≤ L_2,max/L_1,max ≤ 0,25 gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die von der zweiten elektrischen Maschine (32) für das Bordnetz zur Verfügung stellbare Maximalnennleistung L_B geringer als ein von der zweiten elektrischen Maschine (32) zur Verfügung stellbaren Maximalnennleistung L_2,max ist, wobei 0,01 ≤ L_B/L_2,max ≤ 0,99, weiter bevorzugt 0,50 ≤ L_B/L_2,max ≤ 0,99, besonders bevorzugt 0,60 ≤ L_B/L_2,max ≤ 0,90 gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (16) abgekoppelt wird, wenn ein über ein Zugmittel (12) an die erste elektrische Maschine (16) über- tragenes Drehmoment M_akt unterhalb des optimalen Drehmomentes M_opt zum Antrieb der ersten elektrischen Maschine (16) liegt, wobei 0,00 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,80, vorzugsweise 0,01 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,50, weiter bevorzugt 0,05 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,40, besonders bevorzugt 0,10 ≤ M_akt/M_opt ≤ 0,20 gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von elektrischer Energie in die zweite elektrische Maschine (32) und/oder Abfuhr von elektrischer Energie von der zweiten elektrischen Maschine (32) in Abhängigkeit von einer Nenndrehzahl der zweiten Riemenscheibe (24) zur Regelung einer Nenndrehzahl der Abtriebswelle (36) durchgeführt wird.