DE102014209717A1 - Leistungsverzweigter Antriebsstrang für ein Hybridelektrofahrzeug - Google Patents

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Abstract

Ein Antriebsstrang enthält einen Planetenradsatz, der einen Eingang, der mit einer mit einer Kraftmaschine antriebsverbundenen Welle verbunden ist, einen mit einer elektrischen Maschine antriebsverbundenen zweiten Eingang und einen mit einer Zwischenwelle antriebsverbundenen Ausgang enthält, eine Kupplung zum lösbaren Verbinden der Zwischenwelle und der Eingangswelle durch ein erstes Paar kämmender Zahnräder und eine Bremse zum lösbaren Halten der Eingangswelle und des Eingangs gegen Drehung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen leistungsverzweigten Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug.
  • Der Antriebsstrang eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV – Hybrid Electric Vehicle) enthält eine Kraftmaschine, mindestens eine elektrische Maschine, die als ein Motor/Generator wirken kann, und eine Traktionsbatterie, wobei die Kraftmaschine und eine elektrische Maschine die Räder einzeln antreiben können, die Kraftmaschine durch Betrieb der elektrischen Maschine als Generator die Traktionsbatterie laden kann und die kinetische Energie des Fahrzeugs während der Verzögerung durch das Versorgen einer elektrischen Maschine mit Energie, so dass sie als Generator zum Wiederaufladen der Batterie wirkt, zurückgewonnen und regeneriert werden kann.
  • Ein leistungsverzweigter Antriebsstrang bietet bei Stadtfahrten eine ausgezeichnete Kraftstoffökonomie, weist jedoch bei Überlandfahrten aufgrund des Betriebs bei negativer Verzweigung Nachteile auf. Das Festlegen des Generators unter Verwendung einer Kupplung erzeugt nicht das beste Drehzahlverhältnis für die Kraftmaschine unter normalen Überlandfahrtbedingungen. Ein leistungsverzweigter Antriebsstrang weist keinen eigens vorgesehenen Rückwärtsgang auf, sondern erzeugt Rückwärtsfahrbetrieb unter Verwendung lediglich des elektrischen Motors zur Drehmomenterzeugung. Aufgrund dieses Betriebs steht das Rückwärtsanfahrvermögen in direktem Zusammenhang mit dem Spitzendrehmoment des Motors, das normalerweise geringer als bei einem herkömmlichen Fahrzeug ist. Das Spitzendrehmoment des Motors ist somit ein wesentlicher Konstruktionsparameter für das Hybridsystem mit Leistungsverzweigung.
  • Bei Verwendung einer Generatorbremse ist es möglich, die Generatorbremse bei Überlandgeschwindigkeit einzurücken, wodurch während des Betriebs bei negativer Verzweigung entstandene Übertragungsverluste beseitigt werden. Aufgrund der Gangübersetzungen erzeugt dies jedoch in der Regel eine Kraftmaschinendrehzahl, die für einen optimalen Kraftstoffverbrauch zu hoch ist. Die Verwendung einer Generatorbremse ist in der Praxis auf einen kleinen Betriebsbereich begrenzt.
  • Ein leistungsverzweigter Antriebsstrang, der eine Freilaufkupplung auf der Kraftmaschineneingangswelle enthält, gestattet, dass der Generator zur Verbesserung des Ausgangsspitzendrehmoments während eines Vorwärtsanfahrvorgangs Drehmoment beisteuert. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass dies eine große "Drehmomentloch"-Verringerung des Ausgangswellendrehmoments bei Kraftmaschinenstart verursacht. Darüber hinaus kann die Freilaufkupplung nicht zur Unterstützung eines Rückwärtsanfahrvorgangs verwendet werden, da die Drehmomentrichtung kein Einrücken der Kupplung verursacht.
  • Ein Antriebsstrang enthält einen Planetenradsatz, der einen Eingang, der mit einer mit einer Kraftmaschine antriebsverbundenen Welle verbunden ist, einen mit einer elektrischen Maschine antriebsverbundenen zweiten Eingang und einen mit einer Zwischenwelle antriebsverbundenen Ausgang enthält, eine Kupplung zum lösbaren Verbinden der Zwischenwelle und der Welle durch ein erstes Paar kämmender Zahnräder und eine Bremse zum lösbaren Halten der Welle und des Eingangs gegen Drehung.
  • Durch Hinzufügen einer separaten festen Übersetzung für Überlandfahrten kann die Übersetzung dahingehend konstruiert sein, die Kraftstoffökonomie bei Überlandfahrten zu maximieren. Des Weiteren ist die Motorspitzendrehmomentanforderung für das System reduziert, da der Generator Drehmoment während eines Fahrzeuganfahrvorgangs beisteuern kann.
  • Das Anfahrdrehmoment des Antriebsstrangs bei niedrigen Drehzahlen wird durch die eingerückte Kupplung verbessert, da beide elektrischen Maschinen zum Fahrzeuganfahren verwendet werden können, wobei die Kraftmaschine dreht, aber kein Drehmoment erzeugt. Dadurch wird die Motorspitzendrehmomentanforderung an den Motor reduziert, und das "Drehmomentloch", das mit einer Freilaufkupplung einhergeht, wird reduziert.
  • Die Bremse hält die Kraftmaschineneingangswelle bei einer Drehzahl von null gesperrt, wodurch gestattet wird, dass beide elektrischen Maschinen sowohl zum Vorwärts- als auch Rückwärtsfahrdrehmoment und -anfahrvorgang beitragen. Bei einem PHEV-Fahrzeug könnte dieser Modus während des gesamten Ladungsabbaus verwendet werden, da das Drehmoment und die Leistung beider elektrischen Maschinen zur Bereitstellung von Antrieb kombiniert werden können.
  • Der Anwendungsumfang der bevorzugten Ausführungsform geht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung und speziellen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, aber nur der Veranschaulichung dienen. Verschiedene Änderungen und Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen und Beispielen werden für den Fachmann offensichtlich.
  • Durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung verständlicher; in den Zeichnungen zeigen:
  • 1 ein Schemadiagramm eines HEV-Antriebsstrangs;
  • 2 ein Schemadiagramm einer alternativen Umsetzung des in 1 gezeigten HEV-Antriebsstrangs.
  • Zunächst mit Bezug auf 1 enthält ein HEV-Antriebsstrang 10 eine Energiequelle, wie zum Beispiel eine Brennkraftmaschine 12, wie zum Beispiel einen Dieselmotor oder einen Benzinmotor; einen Planetenradsatz 14; eine erste elektrische Maschine 16, die herkömmlicherweise als Motor bezeichnet wird; ein Vorgelegewellen-Zahnradgetriebe 18; einen Differenzialmechanismus 20; eine zweite elektrische Maschine 22, die herkömmlicherweise als Generator bezeichnet wird; und eine Zwischenwelle 24, die mit dem Differenzialmechanismus 20 antriebsverbunden ist.
  • Jede elektrische Maschine 16, 22 ist ein Motor/Generator und kann wie gewünscht entweder als ein Motor oder als ein Generator betrieben werden, obwohl herkömmlicherweise die elektrische Maschine 16 manchmal als Motor oder Traktionsmotor bezeichnet wird und die elektrische Maschine 22 manchmal als Generator bezeichnet wird.
  • Das Sonnenrad 27 des Planetenradsatzes 14 ist am Rotor 28 der elektrischen Maschine 22 (des Generators) befestigt. Der Träger 32 des Planetenradsatzes 14 ist mit der Kraftmaschine 12 durch einen Torsionsdämpfer 34 und eine Welle 36 verbunden. Das Hohlrad 39 des Zahnradsatzes 14 ist durch ein Zahnrad 40 und ein Zahnrad 42, die miteinander in Eingriff stehen und ein Vorgelegezahnradpaar 40–42 bilden, mit der Zwischenwelle 24 antriebsverbunden. Auf dem Träger 32 gestützte Umlaufräder 43 stehen in ständigem Kämmeingriff mit dem Hohlrad 39 und dem Sonnenrad 27.
  • Der Rotor 44 der elektrischen Maschine 16 (des Motors) ist durch das Zahnradpaar 46–48 mit der Zwischenwelle 24 verbunden.
  • Die Zwischenwelle 24 ist durch ein Zahnrad 60 und ein Zahnrad 62 mit dem Differenzialmechanismus 20 verbunden, der durch Halbwellen oder Achswellen 68, 70 Leistung auf die Fahrzeugräder überträgt.
  • Eine Ölpumpe 72 ist durch ein Zahnrad 74 und ein Zahnrad 76 mit der Welle 36 und dem Kraftmaschinenausgang antriebsverbunden.
  • Der Antriebsstrang 10 stellt eine verbesserte Kraftstoffökonomie bei Überlandfahrten bereit, indem er ein spezifisches Verhältnis zwischen Kraftmaschinendrehzahl und Ausgangswellendrehzahl gestattet, wenn ein Modus mit fester Übersetzung aktiviert ist. Dies wird durch eine Reibkupplung 80, die an der Welle 36 befestigt ist; ein Zahnrad 82; und ein Zahnrad 84, das an der Zwischenwelle 24 befestigt ist und fortwährend mit dem Zahnrad 82 kämmt, wodurch ein Zahnradpaar 82–84 gebildet wird, erzielt. Zur Erzeugung eines festen Drehzahlverhältnisses zwischen der Kraftmaschinenkurbelwelle 86 und der Zwischenwelle 24 ist die Kupplung 80 eingerückt.
  • Der Antriebsstrang 10 enthält auch eine Reibungsbremse 88, die die Kraftmaschinenkurbelwelle 86 durch Verankerung mit einem Gehäuse 90 bei einer Drehzahl von null halten kann. Wenn die Bremse 88 eingerückt ist, stellt sie ein erhöhtes Rückwärtsanfahrdrehmoment durch den Planetenradsatz 14 bereit, indem der Träger 32 gegen Drehung gehalten wird, während die elektrische Maschine 22 (der Generator) das Sonnenrad 27 antreibt und sich das Ausgangshohlrad 39 in einer Umkehrrichtung bezüglich des Rotors 28 dreht.
  • 2 zeigt die Komponenten des Antriebsstrangs 10, die dahingehend neu angeordnet sind, dass eine Kupplung 80 und eine Bremse 88 weggelassen sind. Ein Zahnrad 100 ist an der Welle 36 befestigt. Ein Zahnrad 102, das mit dem Zahnrad 100 kämmt, ist auf der Zwischenwelle 24 gelagert. Eine Kupplung 104 und eine Bremse 106 sind auf der Kurbelwelle 24 gelagert. Zur Erzeugung eines festen Drehzahlverhältnisses, das durch das Zahnradpaar 100–102 zwischen der Kraftmaschinenkurbelwelle 86 und der Zwischenwelle 24 erzeugt wird, ist die Kupplung 104 eingerückt. Wenn die Bremse 106 eingerückt ist, stellt sie Rückwärtsanfahrdrehmoment durch den Planetenradsatz 14 bereit, indem der Träger 32 gegen Drehung gehalten wird, während die elektrische Maschine 22 (der Generator) das Sonnenrad 27 antreibt und sich das Ausgangshohlrad 39 in einer Umkehrrichtung bezüglich des Rotors 28 dreht.
  • Die Kupplungen 80, 104 und die Bremsen 88, 106 können hydraulisch betätigte Rutschscheiben-Reibvorrichtungen, Synchronisiereinrichtungen, Klauenkupplungen oder andere bekannte Verfahren zur Realisierung einer Kupplung sein.
  • Bei Betrieb mit eingerückter oder geöffneter Kupplung 80, 104 und Bremse 88, 106 wird der Antriebsstrang 10 als standardmäßiges Leistungsverzweigungsgetriebe betrieben, wodurch eine ausgezeichnete Kraftstoffökonomie während Stadtfahrten bereitgestellt wird.
  • Der Antriebsstrang 10 wird bei Überlandfahrtbedingungen vorzugsweise mit eingerückter oder geschlossener Kupplung 80, 104 und geöffneter Bremse 88, 106 betrieben. Die Kraftmaschinendrehzahl ist direkt mir der Drehzahl der Ausgangswelle verbunden. In der Regel wird das Verhältnis zwischen Kraftmaschinendrehzahl und Ausgangswellendrehzahl zur Optimierung der Kraftstoffökonomie bei Überlandfahrten gewählt. In diesem Überlandfahrtbetriebsmodus kann die elektrische Maschine 16 (der Motor) zusätzliches Drehmoment bereitstellen, um Beschleunigungen und kurze Bergauffahrten ohne Ausrücken der Kupplung 80, 104 zu unterstützen.
  • In diesem Überlandfahrtbetriebsmodus ist das Drehzahlverhältnis in dem Planetenradsatz 14 festgelegt, so dass sich die elektrische Maschine 22 (der Generator) mit einem festgelegten Vielfachen der Ausgangswellendrehzahl dreht. Die elektrische Maschine 22 (der Generator) kann Drehmoment und Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs beisteuern. Antrieb kann durch die elektrische Maschine 22 (den Generator), die elektrische Maschine 16 (den Motor) und die Kraftmaschine 12 gleichzeitig bereitgestellt werden, wenn genügend Batterieleistung vorliegt.
  • Das Anfahrdrehmoment des Antriebsstrangs 10 bei niedrigen Drehzahlen wird durch Anfahren mit eingerückter Kupplung 80, 104 und Verwenden sowohl der elektrischen Maschine 22 (des Generators) als auch der elektrischen Maschine 16 (des Motors) zum Anfahren des Fahrzeugs, wobei die Kraftmaschine 12 dreht, aber kein Drehmoment erzeugt, verbessert. Dadurch wird die Motorspitzendrehmomentanforderung an den Motor reduziert, und das "Drehmomentloch", das mit Anfahren unter Verwendung zweier Motoren und einer Freilaufkupplung auf der Eingangswelle einhergeht, wird reduziert.
  • Alternativ dazu kann der Fahrzeuganfahrbetrieb durch Ausrücken der Kupplung 80, 104 und Einrücken der Bremse 88, 106 verbessert werden. Bei geöffneter Kupplung und geschlossener Bremse beträgt die Kraftmaschinendrehzahl null und das durch die elektrische Maschine 22 (den Generator) erzeugte Drehmoment wird mit einer großen Übersetzung auf die Zwischenwelle 24 übertragen. Dies kann zur Verbesserung sowohl des Vorwärtsanfahr- als auch des Rückwärtsanfahrvermögens des Antriebsstrangs 10 verwendet werden.
  • Zusätzlich zum Anfahren gestattet der Betrieb eines Plug-in-HEV im Ladungsabbaumodus mit geschlossener Bremse eine Kombination des Drehmoments und der Leistung der elektrischen Maschine 22 (des Generators) mit dem Drehmoment und der Leistung der elektrischen Maschine 16 (des Motors) zur Bereitstellung eines höheren Leistungsniveaus an den Rädern. Dies gestattet die Verwendung einer kleineren elektrischen Maschine 16 (des Motors) ohne Beeinträchtigung der PHEV-Elektroantriebsfähigkeit. Beispielsweise würden eine elektrische Maschine 16 (Motor) mit 70 kW und eine elektrische Maschine 22 (Generator) mit 50 kW zusammen ein Leistungsabgabevermögen von 120 kW bereitstellen. Um dieselbe Ausgabeleistung ohne die Bremse bereitzustellen, müsste die elektrische Maschine 16 (der Motor) in der Lage sein, das gesamte Leistungsvermögen von 120 kW bereitzustellen.
  • Kupplung 80 und Bremse 90 können wie in den 1 und 2 gezeigt in Kombination oder separat, d.h. mit implementierter Kupplung 80 und fehlender Bremse 90 oder mit implementierter Bremse 90 und entweder in Antriebsstrangkonfiguration 10 oder 100 fehlender Kupplung 80, implementiert werden.
  • Die bevorzugte Ausführungsform ist gemäß den Vorschriften der Patentbestimmungen beschrieben worden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die alternativen Ausführungsformen auch auf andere Weise durchgeführt werden können, als speziell dargestellt und beschrieben wurde.

Claims (10)

  1. Antriebsstrang, der Folgendes umfasst: einen Planetenradsatz, der einen Eingang, der mit einer mit einer Kraftmaschine antriebsverbundenen Welle verbunden ist, einen mit einer elektrischen Maschine antriebsverbundenen zweiten Eingang und einen mit einer Zwischenwelle antriebsverbundenen Ausgang enthält; eine Kupplung zum lösbaren Verbinden der Zwischenwelle und der Welle durch ein erstes Paar kämmender Zahnräder; eine Bremse zum lösbaren Halten der Welle und des Eingangs gegen Drehung.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, der ferner eine elektrische Maschine umfasst, die durch ein zweites Paar kämmender Zahnräder mit der Zwischenwelle verbunden ist.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 2, der ferner ein drittes Paar kämmender Zahnräder umfasst, durch die der Ausgang mit der Zwischenwelle verbunden ist.
  4. Antriebsstrang nach Anspruch 3, der ferner ein viertes Paar kämmender Zahnräder umfasst, durch die die Zwischenwelle mit einem Differenzial verbunden ist.
  5. Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei ein Differenzial Leistung zwischen der Zwischenwelle und den Fahrzeugrädern überträgt.
  6. Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Welle den Eingang durch einen Torsionsdämpfer mit der Kraftmaschine verbindet, wobei die Welle die Kupplung und die Bremse darauf stützt.
  7. Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei der Planetenradsatz Folgendes enthält: einen den Eingang umfassenden Träger, ein den zweiten Eingang umfassendes Sonnenrad; ein den Ausgang umfassendes Hohlrad; und Planetenräder, die zur Drehung auf dem Träger gestützt werden und mit dem Sonnenrad und dem Hohlrad kämmen.
  8. Antriebsstrang, der Folgendes umfasst: einen Planetenradsatz, der einen mit einer Kraftmaschine verbundenen Eingang, einen mit einer elektrischen Maschine verbundenen zweiten Eingang und einen mit einer Zwischenwelle verbundenen Ausgang enthält; ein erstes Zahnradpaar, das ein an dem Eingang befestigtes erstes Glied und ein auf der Zwischenwelle gestütztes zweites Glied enthält; eine Kupplung, die die Zwischenwelle und den Eingang durch das erste Zahnradpaar lösbar verbindet.
  9. Antriebsstrang nach Anspruch 8, der ferner eine elektrische Maschine umfasst, die durch ein zweites Paar kämmender Zahnräder mit der Zwischenwelle verbunden ist.
  10. Antriebsstrang nach Anspruch 9, der ferner ein drittes Paar kämmender Zahnräder umfasst, durch die die Zwischenwelle mit einem Differenzial verbunden ist.
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