DE102013214317A1

DE102013214317A1 - Antriebseinheit und Verfahren zum Betreiben derselben

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Publication number: DE102013214317A1
Application number: DE201310214317
Authority: DE
Inventors: Heinz Reichert; Johannes Kaltenbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: DE102013214317B4

Abstract

Antriebseinheit (1) für ein Fahrzeug, wobei die Antriebseinheit mehrere elektrische Maschinen (2, 3), mindestens ein Planentengetriebe (4) und mehrere formschlüssige Schaltelemente (A, B, C, D) aufweist, wobei eine erste elektrische Maschine (2) direkt oder indirekt, permanent an ein Sonnenrad (7) eines ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist, wobei eine zweite elektrische Maschine (3) direkt oder indirekt, abhängig von der Schaltstellung eines ersten formschlüssigen Schaltelements (A) und eines zweiten formschlüssigen Schaltelements (B) entweder an das Sonnenrad (7) des ersten Planetengetriebes (4) oder an ein Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist, und wobei das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) abhängig von der Schaltstellung eines dritten formschlüssigen Schaltelements (C) und eines vierten formschlüssigen Schaltelements (D) entweder an ein Gehäuse (9) oder an einen Steg (10) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
Aus der WO 2012/042137 A1 ist eine Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug mit zwei elektrischen Maschinen bekannt, wobei die Antriebseinheit weiterhin ein Getriebe in Stirnradbauweise aufweist, um die elektrischen Maschinen an eine Abtriebswelle zu koppeln. Eine solche Antriebseinheit mit einem Getriebe in Stirnradbauweise verfügt über große Abmessungen und eignet sich insbesondere nicht zur Verwendung an einer angetriebenen Niederflurachse mit einem Achsgetriebe eines Nutzfahrzeugs bzw. Busses.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Antriebseinheit für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben derselben zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist die Antriebseinheit mehrere, vorzugsweise zwei, elektrische Maschinen, mindestens ein Planentengetriebe und mehrere formschlüssige Schaltelemente auf, wobei eine erste elektrische Maschine direkt oder indirekt, permanent an ein Sonnenrad eines ersten Planetengetriebes gekoppelt ist, wobei eine zweite elektrische Maschine direkt oder indirekt, abhängig von der Schaltstellung eines ersten formschlüssigen Schaltelements und eines zweiten formschlüssigen Schaltelements entweder an das Sonnenrad des ersten Planetengetriebes oder an ein Hohlrad des ersten Planetengetriebes gekoppelt ist, und wobei das Hohlrad des ersten Planetengetriebes abhängig von der Schaltstellung eines dritten formschlüssigen Schaltelements und eines vierten formschlüssigen Schaltelements entweder an ein Gehäuse oder an einen Steg des ersten Planetengetriebes gekoppelt ist.
Die hier vorliegende Erfindung schlägt eine neuartige Antriebseinheit mit zwei elektrischen Maschinen, mindestens einem Planetengetriebe und mindestens vier formschlüssigen Schaltelementen vor.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit verfügt über eine kompakte Bauform und eignet sich insbesondere zur Anwendung an einer ein Achsgetriebe aufweisenden Niederflurachse eines Nutzfahrzeugs bzw. Busses. Bedingt dadurch, dass die erfindungsgemäße Antriebseinheit mindestens ein Planetengetriebe aufweist, kann dieselbe an unterschiedliche Drehmoment-Anforderungen und Geschwindigkeit-Anforderungen unterschiedlicher Applikationen einfach angepasst werden. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit verfügt über eine kompakte Bauform und ermöglicht die Ausführung elektrisch aktiv synchronisierter Lastschaltungen.
Vorzugsweise ist der Steg des ersten Planetengetriebes entweder direkt oder indirekt über ein zweites Planetengetriebe an ein Achsgetriebe des Fahrzeugs gekoppelt. Durch Verwendung des zweiten Planetengetriebes kann die erfindungsgemäße Antriebseinheit ohne Änderungen am ersten Planetengetriebe einfach an eine unterschiedliche Drehmoment-Anforderung und Geschwindigkeit-Anforderung des Fahrzeugs angepasst werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste elektrische Maschine indirekt über ein drittes Planetengetriebe an das Sonnenrad des ersten Planetengetriebes gekoppelt, wobei die erste elektrische Maschine an ein erstes Element des dritten Planetengetriebes direkt gekoppelt ist, wobei ein zweites Element des dritten Planetengetriebes direkt an die Sonne des ersten Planetengetriebes gekoppelt ist, wobei abhängig von der Schaltstellung eines fünften und sechsten formschlüssigen Schaltelements ein drittes Element des dritten Planetengetriebes entweder an das Gehäuse oder an das zweite Element des dritten Planetengetriebes gekoppelt ist. Auch hierdurch kann die erfindungsgemäße Antriebseinheit einfach an eine unterschiedliche Drehmoment-Anforderung und Geschwindigkeit-Anforderung des Fahrzeugs angepasst werden.
Vorzugsweise ist ein Verbrennungsmotor über eine Trennkupplung an das erste Element des dritten Planetengetriebes gekoppelt. Diese Weiterbildung der Erfindung stellt eine vorteilhafte Antriebseinheit für einen Hybridantrieb bereit, die neben den beiden elektrischen Maschinen noch einen Verbrennungsmotor umfasst. Der Verbrennungsmotor und die zweite elektrische Maschine treiben in dasselbe Element des dritten Planetengetriebes ein.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist die zweite elektrische Maschine abhängig von der Schaltstellung des ersten formschlüssigen Schaltelements und des zweiten formschlüssigen Schaltelements entweder indirekt über ein viertes Planetengetriebe an das Sonnenrad des ersten Planetengetriebes oder an das Hohlrad des ersten Planetengetriebes gekoppelt. Auch hierdurch kann die erfindungsgemäße Antriebseinheit einfach an eine unterschiedliche Drehmoment-Anforderung und Geschwindigkeit-Anforderung des Fahrzeugs angepasst werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Antriebseinheit ist in Anspruch 9 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein Schema einer ersten erfindungsgemäßen Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug;
2a bis 2e mehrere Zustände der Antriebseinheit der 1 bei der Ausführung einer Hochschaltung;
3a bis 3e mehrere Zustände der Antriebseinheit der 1 bei der Ausführung einer Rückschaltung;
4a und 4b Schemata einer zweiten erfindungsgemäßen Antriebseinheit und einer dritten erfindungsgemäßen Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug;
5a bis 5g Schemata mehrerer erfindungsgemäßer Antriebseinheiten für ein Hybridfahrzeug;
6a bis 6g Schemata mehrerer erfindungsgemäßer Antriebseinheiten für ein Hybridfahrzeug;
7a bis 7g Schemata mehrerer erfindungsgemäßer Antriebseinheiten für ein Hybridfahrzeug;
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, rein elektrischen Antriebseinheit 1 für ein Fahrzeug. Die Antriebseinheit 1 der 1 verfügt über zwei elektrische Maschinen 2 und 3, ein Planetengetriebe 4 sowie vier formschlüssige Schaltelemente A, B, C und D.
Gemäß 1 sind ein erstes formschlüssiges Schaltelement A und ein zweites formschlüssiges Schaltelement B zu einem Doppelschaltelement 5 sowie ein drittes formschlüssiges Schaltelement C und ein viertes formschlüssiges Schaltelement D zu einem Doppelschaltelement 6 kombiniert.
Eine erste elektrische Maschine 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel direkt und permanent an ein Sonnenrad 7 des Planetengetriebes 4 gekoppelt, wohingegen die zweite elektrische Maschine 3 abhängig von der Schaltstellung des Doppelschaltelements 5 und damit des ersten formschlüssigen Schaltelements A und des zweiten formschlüssigen Schaltelements B entweder das Sonnenrad 7 des Planetengetriebes 4 oder an ein Hohlrad 8 desselben gekoppelt ist.
Dann, wenn das erste formschlüssige Schaltelement A geschlossen ist, ist die zweite elektrische Maschine 3 zusammen mit der ersten elektrischen Maschine 2 an das Sonnenrad 7 des Planetengetriebes 4 gekoppelt. Dann hingegen, wenn das zweite formschlüssige Schaltelement B geschlossen ist, ist die zweite elektrische Maschine 3 vom Sonnenrad 7 des Planetengetriebes 4 abgekoppelt und an das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 angekoppelt.
Das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 ist abhängig von der Schaltstellung des Doppelschaltelements 6, also von der Schaltstellung des dritten formschlüssigen Schaltelements C und des vierten formschlüssigen Schaltelements D, entweder an ein Gehäuse 9 oder an einen Steg 10 des Planetengetriebes 4 gekoppelt.
Dann, wenn das dritte formschlüssige Schaltelement C des Doppelschaltelements 6 geschlossen ist, ist das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 an das Gehäuse 9 gekoppelt. Dann hingegen, wenn das vierte formschlüssige Schaltelement D geschlossen ist, ist das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 an den Steg 10 des Planetengetriebes 4 gekoppelt.
Die in 1 gezeigte, erfindungsgemäße Antriebseinheit verfügt demnach über zwei elektrische Maschinen 2, 3, das erste Planetengetriebe 4 sowie über vier formschlüssige Schaltelemente A, B, C und D, wobei diese vier Schaltelemente A bis D im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel zu zwei Doppelschaltelementen 5, 6 zusammengeschaltet sind.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 ist die erste elektrische Maschine 2 direkt und permanent an das Sonnenrad 7 des Planetengetriebes 4 gekoppelt. Die zweite elektrische Maschine 3 ist direkt und umschaltbar entweder an das Sonnenrad 7 oder an das Hohlrad 10 des Planetengetriebes 4 gekoppelt.
Obwohl in 1 nicht gezeigt, ist es möglich, die erste elektrische Maschine 2 unter Zwischenschaltung einer Übersetzungsstufe indirekt und permanent an das Sonnenrad 7 des Planetengetriebes 4 zu koppeln. Ebenso kann die zweite elektrische Maschine 3 über eine Übersetzungsstufe indirekt und umschaltbar an das Sonnenrad 7 oder an das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 koppelbar sein.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 eignet sich insbesondere zur Ausführung elektrisch aktiv synchronisierter Lastschaltungen, wobei bei Ausführung einer elektrisch aktiv synchronisierten Lastschaltung die zweite elektrische Maschine 3 das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 stützt.
Die Ausführung aktiv synchronisierter Lastschaltungen an der Antriebseinheit der 1 wird nachfolgend durch Bezugnahme auf 2a bis 2e und Bezugnahme auf 3a bis 3e beschrieben, wobei 2a bis 2e unterschiedliche Zustände der Antriebsanordnung 1 bei der Ausführung einer Hochschaltung und 3a bis 3e unterschiedliche Zustände der Antriebseinheit 1 bei der Ausführung einer Rückschaltung zeigen.
Die gestrichelten bzw. strichpunktierten Linienführungen in den 2a bis 2e und in den 3a bis 3e visualisieren jeweils den Momentenfluss ausgehend von den beiden elektrischen Maschinen 2 und 3 in Richtung auf eine abtriebsseitige Welle 11 des Planetengetriebes 4, die in 1 unmittelbar bzw. direkt am Steg 10 des Planetengetriebes 4 angreift.
2a bis 2e visualisieren den Fall der Ausführung einer Hochschaltung, wobei im Ausgangszustand der 2a das erste formschlüssige Schaltelement A geschlossen, zweite formschlüssige Schaltelement B geöffnet, das dritte formschlüssige Schaltelement C geschlossen und das vierte formschlüssige Schaltelement D geöffnet ist. In 2a ist demnach die zweite elektrische Maschine 3 ebenso wie die erste elektrische Maschine 2 an das Sonnenrad 7 des Planetengetriebes 4 gekoppelt, sodass dann beide elektrische Maschinen 2 und 3 in das Sonnenrad 7 des Planetengetriebes 4 antreiben. Das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 ist bedingt dadurch, dass das dritte formschlüssige Schaltelement C geschlossen ist, an das Gehäuse 9 gekoppelt.
Ausgehend von dem Zustand der 2a soll nun eine Hochschaltung ausgeführt werden, wobei hierzu zunächst das Antriebsmoment an der zweiten elektrischen Maschine 3 reduziert wird, um das erste Schaltelement A zu entlasten und im entlasteten Zustand zu öffnen. So ist in 2b das erste Schaltelement A geöffnet und das zweite formschlüssige Schaltelement B ist weiterhin geöffnet, sodass in diesem Fall die zweite elektrische Maschine 3 vom Planetengetriebe 4 vollständig abgekoppelt ist.
Bei der Reduzierung des von der zweiten elektrischen Maschine 3 bereitgestellten Antriebsmoments kann vorgesehen sein das von der elektrischen Maschine 2 bereitgestellte Antriebsmoment zu erhöhen, um die Reduzierung des Antriebsmoments der zweiten elektrischen Maschine 3 zumindest teilweise zu kompensieren.
Nach dem Öffnen des ersten formschlüssigen Schaltelements A wird die Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine 3 auf 0 reduziert und dann das zweite formschlüssige Schaltelement B geschlossen. Dies ist im Zustand der 2c gezeigt, wobei dann die zweite elektrische Maschine 3 an das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 gekoppelt ist. Im Zustand der 2c sind demnach das zweite formschlüssige Schaltelement B sowie das dritte formschlüssige Schaltelement C geschlossen.
Im Anschluss hieran wird an der zweiten elektrischen Maschine 3 ein Moment aufgebaut, um das dritte formschlüssige Schaltelement C zu entlasten und nachfolgend im entlasteten Zustand das dritte formschlüssige Schaltelement C zu öffnen. Dies ist in 2d gezeigt.
In 2d ist ausschließlich das zweite formschlüssige Schaltelement B geschlossen ist, das erste formschlüssige Schaltelement A, das dritte formschlüssige Schaltelement C und das vierte formschlüssige Schaltelement D sind allesamt geöffnet. In diesem Zustand stützt die zweite elektrische Maschine 3 das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 und von der ersten elektrischen Maschine 2 wird ein Antriebsmoment an der Welle 11 bereitgestellt.
Nachfolgend wird das vierte formschlüssige Schaltelement D mit Hilfe der zweiten elektrischen Maschine 3 synchronisiert, wobei das vierte formschlüssige Schaltelement D im synchronisierten Zustand geschlossen wird, sodass dann die Antriebseinheit 1 den Zustand der 2e einnimmt.
Im Zustand der 2e sind das zweite formschlüssige Schaltelement B und das vierte formschlüssige Schaltelement D beide geschlossen, das erste formschlüssige Schaltelement A und das dritte formschlüssige Schaltelement C sind jedoch beide geöffnet. In diesem Fall treibt die erste elektrische Maschine 2 in das Sonnenrad 7 und die zweite elektrische Maschine 3 in das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 ein, wobei sich das von den beiden bereitgestellte Antriebsmoment an der Welle 11 überlagert. Im Zustand der 2e ist die Hochschaltung abgeschlossen.
3a bis 3e visualisieren Zustände der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 der 1 bei der Ausführung einer Rückschaltung, wobei hierbei im Ausgangszustand der 3a das erste Schaltelement A geöffnet und das zweite Schaltelement B geschlossen ist, sodass die erste elektrische Maschine 2 in das Sonnenrad 7 und die zweite elektrische Maschine 3 in das Hohlrad des Planetengetriebes eingreift, wobei im Ausgangszustand der 3a weiterhin das dritte formschlüssige Schaltelement C geöffnet und das vierte formschlüssige Schaltelement D geschlossen ist, sodass das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 an den Steg 10 desselben gekoppelt ist.
Zur Ausführung einer Lastrückschaltung wird zunächst das Antriebsmoment der zweiten elektrischen Maschine 3 reduziert, um das vierte formschlüssige Schaltelement D zu entlasten und im entlasteten Zustand zu öffnen.
So zeigt 3b einen Zustand, in welchem die zweite elektrische Maschine 3 das Hohlrad 8 des Planetengetriebes 4 stützt und von der ersten elektrischen Maschine 2 ein Antriebsmoment an der Welle 11 bereitgestellt wird. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, über die erste elektrische Maschine 2 die Momentreduzierung an der zweiten elektrischen Maschine 3 zumindest teilweise zu kompensieren.
Anschließend hieran wird über die zweite elektrische Maschine 3 das dritte Schaltelement C synchronisiert, um dasselbe im synchronisierten Zustand zu schließen, wobei dieser Zustand der Antriebseinheit 1 in 3c gezeigt ist.
Nach dem Schließen des dritten formschlüssigen Schaltelements C übergibt die zweite elektrische Maschine 3 Moment an das Gehäuse 9, wobei das zweite formschlüssige Schaltelement B entlastet und das erste formschlüssige Schaltelement A synchronisiert wird. Nach dem Entlasten des zweiten formschlüssigen Schaltelements B wird dieses geöffnet, wobei dieser Zustand in 3d gezeigt ist.
Nach beendeter Synchronisierung des ersten formschlüssigen Schaltelements A kann dasselbe geschlossen werden, wobei dann die Antriebseinheit 1 den Zustand der 3e einnimmt und wobei dann die Rückschaltung beendet ist. In diesem Zustand treiben dann wieder beide elektrische Maschinen 2 und 3 in das Sonnenrad 7 des Planetengetriebes 4 ein.
4a und 4b zeigen Weiterbildungen der Antriebseinheit der 1, bei welchen die oben beschriebenen Lastschaltverfahren ebenfalls zum Einsatz kommen können, wobei sich die 4a und 4b von 1 lediglich dadurch unterscheiden, dass zwischen den Steg 10 des Planetengetriebes 4 und die abtriebsseitige Welle 11 der Antriebseinheit 1 ein zweites Planetengetriebe 12. Dabei ist gemäß 4a der Steg 10 des ersten Planetengetriebes 4 an ein Hohlrad 13 des zweiten Planetengetriebes 12 gekoppelt, die abtriebsseitige Welle 11 greift an einem Steg 14 des zweiten Planetengetriebes 12 an, das Sonnenrad 15 des zweiten Planetengetriebes 12 ist an das Gehäuse 9 angebunden. Demgegenüber greift in 4b das Hohlrad 13 des zweiten Planetengetriebes 12 am Gehäuse 9 an, der Steg 10 des ersten Planetengetriebes 4 ist an das Sonnenrad 15 des zweiten Planetengetriebes 12 gekoppelt. Die abtriebsseitige Welle 11 greift am Steg 14 des zweiten Planetengetriebes 12 an.
Über die 4a und 4b vorgesehene weitere Planetenstufe 12 kann die erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 einfach an Drehmomentanforderungen und Geschwindigkeitsanforderungen einer konkreten Fahrzeugapplikation angepasst werden, in welcher die Antriebseinheit 1 zum Einsatz kommen soll.
Hinsichtlich der übrigen Details stimmen die Ausführungsbeispiele der 4a und 4b mit dem Ausführungsbeispiel der 1 überein, sodass zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet und auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
1 bis 4b zeigen jeweils eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1, in welcher dieselbe rein elektrisch ausgeführt ist, wobei in 1 bis 4b die erste elektrische Maschine 2 jeweils permanent und direkt an das Sonnenrad 7 des ersten Planetengetriebes 4 angebunden ist.
Demgegenüber zeigen 5a bis 7g vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1, in welcher dieselbe als hybridische Antriebseinheit ausgeführt ist, die zusätzlich zu den beiden elektrischen Maschinen 2 und 3 noch einen Verbrennungsmotor 16 umfassen. Auch bei diesen Ausgestaltungen können die oben beschriebenen Lastschaltverfahren zum Einsatz kommen.
So zeigt 5a ein Ausführungsbeispiel der Antriebseinheit 1, bei welcher die erste elektrische 2 zwar permanent, jedoch indirekt über ein drittes Planetengetriebe 17 an das Sonnenrad 7 des ersten Planetengetriebes 4 gekoppelt ist. So zeigt 5a, dass die erste elektrische Maschine 2 an ein Sonnenrad 18 des dritten Planetengetriebes 17 angebunden ist, wobei ein Steg 19 des dritten Planetengetriebes 17 an das Sonnenrad 7 des ersten Planetengetriebes 4 gekoppelt ist. Ein Hohlrad 20 des dritten Planetengetriebes 17 ist abhängig von der Schaltstellung eines fünften formschlüssigen Schaltelements G und eines sechsten formschlüssigen Schaltelements F, die gemäß 5a zu einem Doppelschaltelement 21 zusammengefasst sind, entweder an das Gehäuse 9 gekoppelt, nämlich dann, wenn das fünfte formschlüssige Schaltelement E geschlossen ist, oder dasselbe ist bei geschlossenem sechsen formschlüssigen Schaltelement F an den Steg 19 des dritten Planetengetriebes 17 gekoppelt.
Der Verbrennungsmotor 16 ist unter Zwischenschaltung einer Trennkupplung 22 an das Sonnenrad 18 des dritten Planetengetriebes 17 gekoppelt, sodass demnach dann, wenn die Trennkupplung 22 geschlossen ist, sowohl die erste elektrische Maschine 2 als auch der Verbrennungsmotor 16 beide an das Sonnenrad 18 des dritten Planetengetriebes 17 gekoppelt sind.
Dann hingegen, wenn die Trennkupplung 22 geöffnet ist, ist der Verbrennungsmotor 16 vom Sonnenrad 18 des dritten Planetengetriebes 17 abgekoppelt und ausschließlich die erste elektrische Maschine 2 ist an das Sonnenrad 18 des dritten Planetengetriebes 17 gekoppelt.
Hinsichtlich der übrigen Details stimmt das Ausführungsbeispiel der 5a mit dem Ausführungsbeispiel der 1 überein, sodass zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet und auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
5b und 5c zeigen Weiterbildungen der Variante der 5a, wobei sich die Ausführungsbeispiele der 5b und 5c vom Ausführungsbeispiel der 5a ebenso wie die Ausführungsbeispiele der 4a und 4b vom Ausführungsbeispiel der 1 dadurch unterscheiden, dass in 5b und 5c zwischen den Steg 10 des ersten Planetengetriebes 4 und die abtriebsseitige Welle 11 der jeweiligen Antriebseinheit 1 das zweite Planetengetriebe 12 geschaltet ist. Diesbezüglich wird auf die Ausführungen zu den Varianten der 4a und 4b verwiesen.
5d bis 5g zeigen Weiterbildungen der Varianten der 5a, die sich von der Variante der 5a jeweils dadurch unterscheiden, dass die zweite elektrische Maschine 3 im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 5a abhängig von der Schaltstellung der beiden formschlüssigen Schaltelemente A und B nicht unmittelbar entweder am Sonnenrad 7 oder am Hohlrad 8 des ersten Planetengetriebes 4 angreift, sondern vielmehr unter Zwischenschaltung einer weiteren als Planetengetriebe 23 ausgebildeten Übersetzungsstufe. Zusätzlich können, wie in den Varianten der 5e und 5g gezeigt, ein siebentes formschlüssiges Schaltelement G und ein achtes formschlüssiges Schaltelement H vorhanden sein, die wiederum als Doppelschaltelement 24 ausgeführt sind.
So greift in den Ausführungsbeispielen der 5d und 5e die zweite elektrische Maschine 3 an einem Hohlrad 25 des weiteren Planetengetriebes 23 an, wobei ein Steg 26 desselben abhängig von der Schaltstellung des ersten formschlüssigen Schaltelements A und des zweiten formschlüssigen Schaltelements B entweder an das Sonnenrad 7 des ersten Planetengetriebes 4 oder an das Hohlrad 8 desselben gekoppelt. In 5d ist dabei das Sonnenrad 27 des weiteren Planetengetriebes 23 permanent an das Gehäuse 9 angebunden, wohingegen in 5e das Sonnenrad 27 des weiteren Planetengetriebes 23 ausschließlich bei geschlossenem siebenten formschlüssigen Schaltelement G an das Gehäuse 9 angebunden und bei geschlossenem achten formschlüssigen Schaltelements H an den Steg 26 des weiteren Planetengetriebes 23 gekoppelt ist.
In den Ausführungsbeispielen der 5f und 5g ist die zweite elektrische Maschine 3 jeweils permanent an das Sonnenrad 27 des weiteren Planetengetriebes 23 gekoppelt, wobei in 5f und 5g der Steg 26 des weiteren Planetengetriebes 23, abhängig von der Schaltstellung des ersten formschlüssigen Schaltelements A und des zweiten formschlüssigen Schaltelements B entweder an das Sonnenrad 7 des ersten Planetengetriebes 4 oder an das Hohlrad 8 desselben gekoppelt ist. In 5f ist das Hohlrad 25 des weiteren Planetengetriebes 23 permanent an das Gehäuse 9 angekoppelt, wohingegen in 5g das Hohlrad 25 des weiteren Planetengetriebes 23 ausschließlich dann an das Gehäuse 9 gekoppelt ist, wenn das siebente formschlüssige Schaltelement G geschlossen ist. Dann hingegen, wenn das achte formschlüssige Schaltelement H geschlossen ist, ist das Hohlrad 25 des weiteren Planetengetriebes 23 an den Steg 26 desselben gekoppelt.
6a bis 6g sowie 7a bis 7g zeigen weitere Ausführungsbeispiele einer hybridischen Antriebseinheit 1 für ein Hybridfahrzeug die hinsichtlich ihres grundsätzlichen Aufbaus den Ausführungsbeispielen der 5a bis 5g entsprechen, wobei sich die Ausführungsbeispiele der 6a bis 6g sowie die Ausführungsbeispiele der 7a bis 7g von den Ausführungsbeispielen der 5a bis 5g jeweils durch die Anbindung der ersten elektrischen Maschine 2 an das dritte Planetengetriebe 17 der jeweiligen Antriebseinheit 1 unterscheiden.
In den Varianten der 6a bis 6g ist die erste elektrische Maschine 2 jeweils permanent an das Hohlrad 20 des dritten Planetengetriebes 7 angebunden, der Steg 19 desselben ist in Übereinstimmung zu den Ausführungsbeispielen der 5a bis 5g permanent an das Sonnenrad 7 des ersten Planetengetriebes 4 gekoppelt. In 6a bis 6g ist das Sonnenrad 18 des dritten Planetengetriebes 17 abhängig von der Schaltstellung des fünften Schaltelements E und des sechsten Schaltelements F entweder an das Gehäuse 9 oder alternativ an den Steg 10 des dritten Planetengetriebes 17 gekoppelt. In den Varianten der 7a bis 7g ist die zweite elektrische Maschine 2 permanent an den Steg 19 des dritten Planetengetriebes 17 gekoppelt, das Hohlrad 20 des dritten Planetengetriebes 17 ist permanent an das Sonnenrad 7 des ersten Planetengetriebes 4 angebunden. In 7a bis 7g ist bei geschlossenem sechsten formschlüssigen Schaltelement F das Sonnenrad 18 des dritten Planetengetriebes 17 an das Gehäuse 9 angebunden, dann hingegen, wenn das fünfte formschlüssige Schaltelement E geschlossen ist, ist das Sonnenrad 18 des dritten Planetengetriebes 17 an den Steg 19 desselben gekoppelt.
Hinsichtlich der übrigen Details stimmen die Ausführungsbeispiele der 6a bis 7g mit den korrespondierenden Ausführungsbeispielen der 5a bis 5g überein, sodass wiederum zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet und auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
In der Variante der 5a ist eine hybridisierte Antriebseinheit mit zwei elektrischen Maschinen 2 und 3 gezeigt, die über vier Gänge verfügt. Die zweite elektrische Maschine 3 kann zwei dieser vier Gänge und die erste elektrische Maschine 2 ebenso wie der Verbrennungsmotor 16 alle vier Gänge nutzen. Der Verbrennungsmotor 16 kann über die Trennkupplung 22 abgekoppelt werden. Das dritte Planetengetriebe 17 dient der mittelbaren Anbindung der ersten elektrischen Maschine 2 sowie des Verbrennungsmotors 16 an das erste Planetengetriebe 4.
Dann, wenn bei niedrigen Geschwindigkeiten das erste formschlüssige Schaltelement A und das dritte formschlüssige Schaltelement C geschlossen sind, ist ein serieller Hybridbetrieb möglich. In diesem Fall sind alle übrigen formschlüssigen Schaltelemente geöffnet.
In diesem Fall wirkt die erste elektrische Maschine 2 als Generator und wird vom Verbrennungsmotor 16 über die Trennkupplung 22 angetrieben. Die zweite elektrische Maschine 3 wirkt dann als Fahrmotor. Die Gangübersetzung ist entsprechend kurz, um das volle Fahrmoment zur Verfügung stellen zu können. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die zweite elektrische Maschine 3 leistungsstärker als die erste elektrische Maschine 2 ist.
Für einen parallelen Hybridantrieb wird im ersten Gang zusätzlich das fünfte formschlüssige Schaltelement E geschlossen. Bei einer Hochschaltung in den zweiten Gang wird dann das fünfte formschlüssige Schaltelement E geöffnet und das sechste formschlüssige Schaltelement F geschlossen, wobei die zweite elektrische Maschine 3 diese Schaltung stützt und die erste elektrische Maschine 2 die Synchronisierung des fünften formschlüssigen Schaltelements E und des sechsten formschlüssigen Schaltelements F übernimmt. Bei den Hochschaltung in den dritten Gang wird zuerst mit Hilfe der zweiten elektrischen Maschine 3 das zuvor geschlossene erste formschlüssige Schaltelement A geöffnet und das zuvor geöffnete zweite formschlüssige Schaltelement B geschlossen, anschließend stützt die zweite elektrische Maschine 3 diese Hochschaltung. Die erste elektrische Maschine 2 synchronisiert die Schaltelement C und D sowie F und E nacheinander, um nacheinander zunächst das dritte formschlüssige Schaltelement C zu öffnen und das vierte formschlüssige Schaltelement D zu öffnen sowie anschließend das sechste formschlüssige Schaltelement F zu öffnen und das fünfte formschlüssige Schaltelement E schließen.
Bei einer Schaltung in den vierten Gang wird das fünfte formschlüssige Schaltelement E geöffnet und das sechste formschlüssige Schaltelement F geschlossen, wobei hierbei dann die zweite elektrische Maschine 3 die Schaltung stützt und die Synchronisierung von fünftem formschlüssigen Schaltelement E und sechstem formschlüssigen Schaltelement F mit Hilfe der ersten elektrischen Maschine 2 erfolgt.
Im vierten Gang befinden sich beide Planetengetriebe 4 und 17 des Ausführungsbeispiels der 5a im Blockumlauf, sodass dann ein Direktgang für die elektrischen Maschinen zur Verfügung steht.
Dann, wenn mit Hilfe der ersten elektrischen Maschine 2 synchronisiert wird, kann die Trennkupplung 22 ggf. kurzzeitig geöffnet werden.
Ein rein elektrisches Fahren kann auf obige Art und Weise analog erfolgen. In diesem Fall ist allerdings die Trennkupplung 22 permanent geöffnet, der Verbrennungsmotor 16 ist dann vorzugsweise stillgesetzt.
In den Varianten der 5b bis 7b kann die unter Bezugnahme auf 5a beschriebene Betriebsweise der hybriden Antriebseinheit grundsätzlich auch genutzt werden. Die Varianten der 5b bis 7b dienen der Anpassung der Antriebseinheit an unterschiedliche Drehmoment-Anforderungen und Geschwindigkeit-Anforderungen unterschiedlicher Fahrzeugapplikationen.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinheit
2: erste elektrische Maschine
3: zweite elektrische Maschine
4: erstes Planetengetriebe
5: Doppelschaltelement
6: Doppelschaltelement
7: Sonnenrad
8: Hohlrad
9: Gehäuse
10: Steg
11: Welle
12: zweites Planetengetriebe
13: Hohlrad
14: Steg
15: Sonnenrad
16: Verbrennungsmotor
17: drittes Planetengetriebe
18: Sonnenrad
19: Steg
20: Hohlrad
21: Doppelschaltelement
22: Trennkupplung
23: weiteres Planetengetriebe
24: Doppelschaltelement
25: Hohlrad
26: Steg
27: Sonnenrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/042137 A1 [0002]

Claims

Antriebseinheit für ein Fahrzeug, wobei die Antriebseinheit mehrere elektrische Maschinen (2, 3), mindestens ein Planentengetriebe (4, 12, 17, 23) und mehrere formschlüssige Schaltelemente (A, B, C, D, E, F, G, H) aufweist, wobei eine erste elektrische Maschine (2) direkt oder indirekt, permanent an ein Sonnenrad (7) eines ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist, wobei eine zweite elektrische Maschine (3) direkt oder indirekt, abhängig von der Schaltstellung eines ersten formschlüssigen Schaltelements (A) und eines zweiten formschlüssigen Schaltelements (B) entweder an das Sonnenrad (7) des ersten Planetengetriebes (4) oder an ein Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist, und wobei das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) abhängig von der Schaltstellung eines dritten formschlüssigen Schaltelements (C) und eines vierten formschlüssigen Schaltelements (D) entweder an ein Gehäuse (9) oder an einen Steg (10) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (10) des ersten Planetengetriebes (4) entweder direkt oder indirekt über ein zweites Planetengetriebe (12) an eine abtriebseitige Welle (11) gekoppelt ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (2) direkt an das Sonnenrad (7) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (2) indirekt über ein drittes Planetengetriebe (17) an das Sonnenrad (7) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist, wobei die erste elektrische Maschine (2) an ein erstes Element des dritten Planetengetriebes (17) direkt gekoppelt ist, wobei ein zweites Element des dritten Planetengetriebes (17) direkt an die Sonne (7) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist, und wobei abhängig von der Schaltstellung eines fünften und sechsten formschlüssigen Schaltelements (E, F) ein drittes Element des dritten Planetengetriebes (17) entweder an das Gehäuse (9) oder an das zweite Element des dritten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Verbrennungsmotor (16) über eine Trennkupplung (22) an das erste Element des dritten Planetengetriebes (17) gekoppelt ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (3) abhängig von der Schaltstellung des ersten formschlüssigen Schaltelements (A) und des zweiten formschlüssigen Schaltelements (B) entweder direkt an das Sonnenrad (7) des ersten Planetengetriebes (4) oder direkt an ein Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (3) abhängig von der Schaltstellung des ersten formschlüssigen Schaltelements (A) und des zweiten formschlüssigen Schaltelements (B) entweder indirekt über ein viertes Planetengetriebe (23) an das Sonnenrad (7) des ersten Planetengetriebes (4) oder indirekt über das viertes Planetengetriebe (23) an das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (3) an ein erstes Element des vierten Planetengetriebes (23) direkt gekoppelt ist, dass ein zweites Element des vierten Planetengetriebes (23) abhängig von der Schaltstellung des ersten formschlüssigen Schaltelements (A) und des zweiten formschlüssigen Schaltelements (B) entweder an das Sonnenrad (7) des ersten Planetengetriebes (4) oder an das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) gekoppelt ist, und dass ein drittes Element des vierten Planetengetriebes (23) abhängig von der Schaltstellung des siebten formschlüssigen Schaltelements (G) und des achten formschlüssigen Schaltelements (H) entweder an das Gehäuse (10) oder an das zweite Element des vierten Planetengetriebes (23) gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei bei Ausführung einer elektrisch aktiv synchronisierten Lastschaltung die zweite elektrische Maschine (2) das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) abstützt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn bei geschlossenem ersten Schaltelement (A) und bei geöffnetem zweiten Schaltelement (B) die erste elektrische Maschine (2) und die zweite elektrische Maschine (3) beide gemeinsam in das Sonnenrad (7) des ersten Planetengetriebes (4) eintreiben, und wenn weiterhin bei geschlossenem dritten Schaltelement (C) und bei geöffnetem vierten Schaltelement (D) das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) am Gehäuse (9) abgestützt ist, zur Ausführung einer Hochschaltung zunächst das Antriebsmoment der zweiten elektrischen Maschine (3) reduziert wird, um das erste Schaltelement (A) zu entlasten und im entlasteten Zustand zu öffnen, wobei hierbei vorzugsweise über die erste elektrische Maschine (2) die Momentreduzierung an der zweiten elektrische Maschine (3) zumindest teilweise kompensiert wird, anschließend die Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine (3) auf Null reduziert und das zweite Schaltelement (B) geschlossen wird, darauffolgend an der zweiten elektrischen Maschine (3) ein Moment aufgebaut wird, um das dritte Schaltelement (C) zu entlasten und im entlasteten Zustand zu öffnen, wobei dann die zweite elektrische Maschine (3) das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) stützt und von der ersten elektrischen Maschine (2) ein Antriebsmoment bereitgestellt wird, anschließend über die zweite elektrischen Maschine (3) das vierte Schaltelement (D) synchronisiert und dasselbe im synchronisierten Zustand geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn bei geöffnetem ersten Schaltelement (A) und bei geschlossenem zweiten Schaltelement (B) die erste elektrische Maschine (2) in das Sonnenrad (7) des ersten Planetengetriebes (4) und die zweite elektrische Maschine (3) in das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) eintreiben, und wenn weiterhin bei geöffnetem dritten Schaltelement (C) und bei geschlossenem vierten Schaltelement (D) das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) am Steg (10) des ersten Planetengetriebes (4) abgestützt ist, zur Ausführung einer Rückschaltung zunächst das Antriebsmoment der zweiten elektrischen Maschine (3) reduziert wird, um das vierte Schaltelement (D) zu entlasten und im entlasteten Zustand zu öffnen, wobei dann die zweite elektrische Maschine (3) das Hohlrad (8) des ersten Planetengetriebes (4) stützt und von der ersten elektrischen Maschine (2) eine Antriebsmoment bereitgestellt wird, und wobei hierbei vorzugsweise über die erste elektrische Maschine (2) die Momentreduzierung an der zweiten elektrische Maschine (4) zumindest teilweise kompensiert wird, anschließend über die zweite elektrische Maschine (3) das dritte Schaltelement (C) synchronisiert und dasselbe im synchronisierten Zustand geschlossen wird, darauffolgend die zweite elektrische Maschine (3) Last an das Gehäuse (9) übergibt, wobei das zweite formschlüssige Schaltelement (B) entlastet und das erste formschlüssige Schaltelement (A) synchronisiert wird; anschließend das erste formschlüssige Schaltelement (A) im synchronisierten Zustand geschlossen wird.