DE102016217299A1 - Hybridantriebseinheit für ein Kraftrad und entsprechendes Kraftrad - Google Patents

Hybridantriebseinheit für ein Kraftrad und entsprechendes Kraftrad Download PDF

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    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K2006/4833—Step up or reduction gearing driving generator, e.g. to operate generator in most efficient speed range
    • B60K2006/4841—Step up or reduction gearing driving generator, e.g. to operate generator in most efficient speed range the gear provides shifting between multiple ratios
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2300/00—Indexing codes relating to the type of vehicle
    • B60W2300/36—Cycles; Motorcycles; Scooters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridantriebseinheit (12) für ein Kraftrad, mit – einer Brennkraftmaschine (14) und zumindest einer elektrischen Maschine (16) als Antriebsmaschinen (14, 16) – einem abtriebsseitigen Rotationselement (30), insbesondere einem Antriebsrad (32) für einen Umschlingungstrieb (34), und – einem ersten Momentenpfad zwischen der Brennkraftmaschine (14) und dem abtriebsseitigen Rotationselement (30), in dem eine Kupplung (28) verschaltet ist. Es ist vorgesehen, dass die Hybridantriebseinheit (12) einen vom ersten Momentenpfad unabhängig verlaufenden zweiten Momentenpfad zwischen der elektrischen Maschine (16) und dem abtriebsseitigen Rotationselement (30) aufweist, in dem ein als Planetengetriebe (40) oder Kupplung (62) ausgebildetes Maschinenelement (38) verschaltet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Kraftrad.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hybridantriebseinheit für ein Kraftrad, mit einer Brennkraftmaschine und zumindest einer elektrischen Maschine als Antriebsmaschinen, einem abtriebsseitigen Rotationselement, insbesondere für einen Umschlingungstrieb, und einem ersten Momentenpfad zwischen der Brennkraftmaschine und dem abtriebsseitigen Rotationselement, in dem eine Kupplung verschaltet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftrad mit einer derartigen Hybridantriebseinheit.
  • Hybridantriebe mit einer Kombination aus Brennkraftmaschine und zumindest einer elektrischen Maschine als Antriebsmaschinen sind weit verbreitet in der Welt der zweispurigen Kraftfahrzeuge. Bei Krafträdern, also bei einspurigen Kraftfahrzeugen wie Motorrädern, Kleinkrafträdern, Rollern, etc. gibt es durch die größeren Beschränkungen bezüglich Bauraum und Kosten weit weniger bekannte Beispiele von Hybridantrieben. Hier herrschen derzeit herkömmliche Kraftrad-Antriebskonzepte mit reinem Brennkraftantrieb vor. Bei vielen dieser Krafträdern ist der Brennkraftmaschine ein Getriebe nachgeschaltet. Zwar ist auch hier in der Regel eine elektrische Maschine vorhanden, diese dient jedoch als Anlasser/Starter für die Brennkraftmaschine und nicht als Antriebsmaschine.
  • Die DE 10 2011 080 161 A1 zeigt eine Hybridantriebseinheit für ein Kraftrad wie zum Beispiel einem Roller. Die Hybridantriebseinheit umfasst einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor als Antriebsmaschinen, ein abtriebsseitiges Rotationselement für einen Umschlingungstrieb und eine zwischen die Antriebsmaschinen und das abtriebsseitige Rotationselement zwischengeschaltete und per Aktor schaltbare Kupplung.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Hybridantriebseinheit für ein Kraftrad sowie ein entsprechendes Kraftrad selbst anzugeben, die einerseits preisgünstig herstellbar sind und deren Antriebskonzept gegenüber einem herkömmlichen, rein verbrennungsmotorischen Kraftrad-Antriebskonzept nur geringe Modifikationen aufweist.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Hybridantriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Kraftrad mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
  • Bei der erfindungsgemäßen Hybridantriebseinheit ist vorgesehen, dass die Hybridantriebseinheit einen vom ersten Momentenpfad unabhängig verlaufenden zweiten Momentenpfad zwischen der elektrischen Maschine und dem abtriebsseitigen Rotationselement aufweist, in dem ein als Planetengetriebe oder Kupplung ausgebildetes Maschinenelement verschaltet ist. Der vom ersten Momentenpfad unabhängig verlaufende zweite Momentenpfad hat also keinerlei gemeinsame Komponente mit dem ersten Momentenpfad, mit Ausnahme des Rotationselements, bei dem beide Pfade enden. Gegenüber dem Stand der Technik wird also – vereinfacht ausgedrückt – einfach ein solcher zweiter Momentenpfad (genauer gesagt: Drehmomentübertragungspfad) hinzugefügt. Über die in diesem zweiten Momentenpfad verschalteten Drehmomentübertragungselemente kann die Antriebseinheit nun so angepasst werden, dass die Antriebsmaschinen für unterschiedliche Betriebsmodi der Antriebseinheit in einem jeweils günstigen Arbeitsbereich/Arbeitspunkt betreibbar sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Motorgenerator ausgebildet ist. So kann diese elektrische Maschine nicht nur als Antriebsmaschine sondern auch zur Rekuperation genutzt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die im ersten Momentenpfad verschaltete Kupplung als ein Freilauf ausgebildet. Unter einem Freilauf ist eine Überholkupplung, eine Einwegkupplung, etc. zu verstehen.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im ersten Momentenpfad weiterhin ein Getriebe verschaltet. Dieses Getriebe ist beispielsweise ein Mehrgang-/Mehrstufengetriebe oder ein stufenloses Getriebe. Bei konventionellen Antriebskonzepten für Krafträder ist es durchaus bekannt derartige Getriebe der Brennkraftmaschine nachzuschalten. Bevorzugt ist dieses Getriebe im ersten Momentenpfad zwischen die Brennkraftmaschine und die erwähnte Kupplung (den Freilauf) zwischengeschaltet.
  • Prinzipiell sind diverse Betriebsarten des Planetengetriebes bekannt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Planetengetriebe zumindest temporär in einer Betriebsart mit blockiertem Planetenträger betreibbar ist. Dabei ist die elektrische Maschine bevorzugt mit dem Sonnenrad und das Rotationselement mit dem Außenrad (Hohlrad) verbunden. Die Verbindung zwischen Rotationselement und Außenrad erfolgt beispielsweise über eine Außenverzahnung des Außenrades, die mit einem Zahnkranz des Rotationselements kämmt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kupplung im zweiten Momentenpfad mittels eines Aktors schaltbar. Die Kupplung ist insbesondere eine elektromagnetische Kupplung, also eine Kupplung mit (elektro-)magnetischem Aktor.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Starter für die Brennkraftmaschine nutzbar ist. Die elektrische Maschine ist dazu in der Regel wahlweise mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbindbar.
  • Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die elektrische Maschine über eine Fliehkraftkupplung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbindbar ist.
  • Bei dem die Hybridantriebseinheit aufweisenden Kraftrad ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese als vorstehend genannte Hybridantriebseinheit ausgebildet ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dieses weiterhin ein Antriebsrad und einen Umschlingungstrieb zur Momentübertragung zwischen dem Rotationselement der Hybridantriebseinheit und dem Antriebsrad aufweist. Der Umschlingungstrieb kann ein Kettentrieb, ein Riementrieb, etc. sein.
  • 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: einen Antriebsstrang eines Kraftrades mit einer Hybridantriebseinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
  • 2: einen Antriebsstrang eines Kraftrades mit einer Hybridantriebseinheit gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die 1 zeigt einen Antriebsstrang 10 eines Kraftrades mit einer Hybridantriebseinheit 12. Die Hybridantriebseinheit 12 weist zwei Antriebsmaschinen 14, 16 auf, nämlich eine Brennkraftmaschine (BKM) 14, sowie eine im Beispiel als Motorgenerator ausgebildete elektrische Maschine 16, die an einen (nicht gezeigten) elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie (Akkumulator), angeschlossen ist. Die Brennkraftmaschine 14 bildet im gezeigten Beispiel zusammen mit einem nachgeschalteten Getriebe 18 eine gemeinsame Baugruppe 20 der Hybridantriebseinheit 12. Die Kurbelwelle 22 der Brennkraftmaschine 14 ist über eine Fliehkraftkupplung 24 mit einem Schwungrad 26 verbindbar/verbunden. Über ein Räderwerk kann sie weiterhin auch mit der elektrischen Maschine 16 verbunden werden. Der Abtrieb des Getriebes 18 ist über eine Einwegkupplung oder einen anderen Freilauf 28 mit einem abtriebsseitigen Rotationselement 30 der Hybridantriebseinheit 12 verbunden. Das der Brennkraftmaschine 14 nachgeschaltete Getriebe 18 wie auch der Freilauf 28 sind Teil eines zum Rotationselement 30 führenden ersten Momentenpfades. Dabei können der Freilauf 28 und das Rotationselement 30 aber durchaus eine Baueinheit bilden. Das Rotationselement 30 ist hier im gezeigten Beispiel ein Antriebsrad 32 für einen Umschlingungstrieb 34.
  • Der Abtrieb 36 der elektrischen Maschine 16 ist über einen zweiten Momentenpfad mit zumindest einem Maschinenelement 38 ebenfalls mit dem abtriebsseitigen Rotationselement 28 verbunden. Im gezeigten Beispiel der 1 ist dieses Maschinenelement 38 ein Planetengetriebe 40 mit Sonnenrad 42, Planetenrädern 44, Planetenträger 46 und Außenrad 48. Das Außenrad 48 weist einen Außenverzahnung auf, die zur Momentübertagung mit einem Zahnkranz 50 des Rotationselements 30 kämmt.
  • Das Planetengetriebe wird (zumindest temporär) in einer Betriebsart mit blockiertem Planetenträger 46 betrieben. Dabei ist die elektrische Maschine 16 bevorzugt mit dem Sonnenrad 42 drehfest verbunden und das Rotationselement 28 mit dem Außenrad (Hohlrad) 48 verbunden. Die Verbindung zwischen Rotationselement 28 und Außenrad 48 erfolgt beispielsweise über eine Außenverzahnung des Außenrades, die mit dem Zahnkranz 50 des Rotationselements kämmt.
  • Das entsprechende Umschlingungsmittel 52 des Umschlingungstriebs 32 ist hier eine Kette, kann jedoch beispielsweise auch ein Riemen sein. Der Umschlingungstrieb 32 umfasst weiterhin ein Abtriebsrad 54, welches mit einer Radnabe 56 eines Rades 58 des Kraftrades verbunden ist. Dieses Rad 58 ist also ein beziehungsweise das angetriebene Rad des Kraftrades.
  • Die Hybridantriebseinheit 12 ermöglicht es nun, Energie während des Segelbetriebs zurückzugewinnen, mittels der elektrischen Maschine 16 in elektrische Energie zu wandeln und diese elektrische Energie in dem elektrischen Energiespeicher zu speichern. Über die Einwegkupplung (den Freilaufs) 28 ist die Brennkraftmaschine 14 im Freilaufbetrieb vollständig entkoppelt. In dieser Situation kann die elektrische Maschine 16 beispielsweise auch eine Motorbremsung mittels der Brennkraftmaschine 14 simulieren. Andererseits kann die elektrische Maschine 16 als Antriebsmaschine zum Boosten, also zur Drehmomentanhebung, genutzt werden.
  • Die gezeigte Antriebseinheit 12 kombiniert das bekannte Konzept des EDM (EDM: Engine Decoupling Mechanisms) mit einer Hybrid-Architektur (iEDM). Die elektrische Maschine 16 kann über das Räderwerk sowohl als Anlasser (Starter) genutzt werden, als auch zur Drehmomenterhöhung beziehungsweise bei hohen Geschwindigkeiten zur Geschwindigkeitserhöhung genutzt werden. Die gezeigte Wirkverbindung der elektrischen Maschine 16 zu der Kurbelwelle 22, also das Räderwerk, kann alternativ völlig wegfallen oder nur bei Bedarf genutzt werden.
  • Es ergibt sich der folgende Leistungsfluss bei den unterschiedlichen Betriebsmodi: Anlassen: Leistungsfluss von der elektrischen Maschine 16 über das Räderwerk Richtung Kurbelwelle 22.
  • Unterstützung beim Anfahren/bei Schleichfahrt: Momentübertragung über beide Momentenpfade von den Antriebsmaschinen 14, 16 zum Rotationselement 30.
  • Laden des Energiespeichers während der Fahrt: Momentübertragung über den ersten Momentenpfad von der Brennkraftmaschine 14 zum Rotationselement 30 und Momentübertragung über den zweiten Momentenpfad von dem Rotationselement 30 zur elektrischen Maschine 16. Dort Wandlung in elektrische Energie und anschließendes Speichern dieser Energie im elektrischen Energiespeicher.
  • Rekuperation im Segelbetrieb und beim (elektromotorischen) Bremsen: Momentübertragung über den zweiten Momentenpfad von dem Rotationselement 30 zur elektrischen Maschine 16. Dort Wandlung in elektrische Energie und anschließendes Speichern dieser Energie.
  • Die verschiedenen Betriebsmodi werden in der folgenden Tabelle kurz beschrieben:
    Modus BKM E-Maschine Magneto* Schwungrad
    Anlassen Anlassen Anlassen Generieren Verbunden
    Leerlauf Laufen no Generieren Verbunden
    Anfahren no Boostbetrieb no/Generieren Verbunden
    Norm. Fahrt Laufen no/Generieren Generieren/no Unverbunden
    Lastverteilung Laufen Momentunterst. no Unverbunden
    Ausrollen no/Leerlauf no/Regener. no/Generieren Verbunden
    (no = no operation/kein Betrieb)
  • Die 2 zeigt ein Antriebsstrang für ein Kraftrad mit einer etwas anderen Ausgestaltung der Hybridantriebseinheit 10. Da diese Hybridantriebseinheit 10 mit der zuvor beschriebenen Hybridantriebseinheit 10 der 1 weitgehen übereinstimmt, soll hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
  • Der Abtrieb 34 der elektrischen Maschine 16 ist auch bei dem Beispiel der 2 über zumindest ein Maschinenelement 36 mit dem abtriebsseitigen Rotationselement 28 verbunden. Dabei ist das Maschinenelement 36 eine mittels eines Aktors 60 schaltbare Kupplung 62. Diese Kupplung 62 ist im Beispiel konkret eine elektromagnetische Kupplung, also eine Kupplung mit (elektro-)magnetischem Aktor.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Antriebsstrang
    12
    Hybridantriebseinheit
    14
    Brennkraftmaschine
    16
    elektrische Maschine
    18
    Getriebe
    20
    Baugruppe
    22
    Kurbelwelle
    24
    Fliehkraftkupplung
    26
    Schwungrad
    28
    Freilauf (Einwegkupplung)
    30
    Rotationselement
    32
    Antriebsrad (Umschlingungstrieb)
    34
    Umschlingungstrieb
    36
    Abtrieb, elektrische Maschine
    38
    Maschinenelement
    40
    Planetengetriebe
    42
    Sonnenrad
    44
    Planetenräder
    46
    Planetenträger
    48
    Außenrad
    50
    Zahnkranz
    52
    Umschlingungsmittel
    54
    Abtriebsrad
    56
    Radnabe
    58
    Rad
    60
    Aktor
    62
    Kupplung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011080161 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Hybridantriebseinheit (12) für ein Kraftrad, mit – einer Brennkraftmaschine (14) und zumindest einer elektrischen Maschine (16) als Antriebsmaschinen (14, 16) – einem abtriebsseitigen Rotationselement (30), insbesondere einem Antriebsrad (32) für einen Umschlingungstrieb (34), und – einem ersten Momentenpfad zwischen der Brennkraftmaschine (14) und dem abtriebsseitigen Rotationselement (30), in dem eine Kupplung (28) verschaltet ist, gekennzeichnet durch – einen vom ersten Momentenpfad unabhängig verlaufenden zweiten Momentenpfad zwischen der elektrischen Maschine (16) und dem abtriebsseitigen Rotationselement (30) in dem ein als Planetengetriebe (40) oder Kupplung (62) ausgebildetes Maschinenelement (38) verschaltet ist.
  2. Hybridantriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (16) als Motorgenerator ausgebildet ist.
  3. Hybridantriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im ersten Momentenpfad verschaltete Kupplung (28) als ein Freilauf ausgebildet ist.
  4. Hybridantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Momentenpfad weiterhin ein Getriebe (18), insbesondere Mehrganggetriebe, verschaltet ist.
  5. Hybridantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (40) zumindest temporär in einer Betriebsart mit blockiertem Planetenträger (46) betreibbar ist.
  6. Hybridantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (62) im zweiten Momentenpfad mittels eines Aktors (60) schaltbar ist.
  7. Hybridantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (16) als Anlasser für die Brennkraftmaschine (14) nutzbar ist.
  8. Hybridantriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (16) über eine Fliehkraftkupplung (24) mit der Kurbelwelle (22) der Brennkraftmaschine (14) verbindbar ist.
  9. Kraftrad mit einer Hybridantriebseinheit (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Kraftrad nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Antriebsrad (58) und einen Umschlingungstrieb (34) zur Momentübertragung zwischen dem Rotationselement (30) der Hybridantriebseinheit (10) und dem Antriebsrad (58).
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