DE102017110606A1

DE102017110606A1 - Hybridantriebsstrangsystem

Info

Publication number: DE102017110606A1
Application number: DE102017110606.5A
Authority: DE
Inventors: Derek F. Lahr; Farzad Samie; Norman K. Bucknor; Chunhao J. Lee; Dongxu Li; Chandra S. Namuduri; Alexandru Rajala
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2017-11-16
Also published as: US20170326965A1; CN107379956A; CN107379956B; US10017044B2

Abstract

Ein Antriebsstrangsystem wird beschrieben und umfasst einen eine Kurbelwelle enthaltenden Verbrennungsmotor und eine eine drehbare Welle enthaltende elektrische Maschine, wobei die drehbare Welle mit einer Motorriemenscheibe gekoppelt ist. Ein Drehmomentwandler enthält einen Impeller und eine Pumpe, wobei die Pumpe mit einer äußeren Treibscheibe gekoppelt ist. Ein außeraxiales mechanisches Antriebssystem umfasst die äußere Treibscheibe des Drehmomentwandlers, die mit der Motorriemenscheibe der elektrischen Maschine drehbar gekoppelt ist. Die elektrische Maschine ist über das außeraxiale mechanische Antriebssystem mit der Pumpe des Drehmomentwandlers gekoppelt, und die Kurbelwelle ist über eine Kupplung mit der Pumpe des Drehmomentwandlers gekoppelt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 16. Mai 2016 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/336,986, deren Offenbarung durch Verweis hierdurch einbezogen ist.
HINTERGRUND
Bekannte Hybridantriebsstrangsysteme umfassen Verbrennungsmotoren und Elektromotoren/Generatoren, die mit Getrieben gekoppelt sind, um Drehmoment zu einem Endantrieb für eine Antriebskraft zu übertragen. Bekannte Elektromotoren/Generatoren werden von den Energiespeichersystemen mit elektrischer Leistung versorgt. Antriebsstrangsysteme können in verschiedenen Modi arbeiten, um Antriebsleistung zu erzeugen und zu Fahrzeugrädern zu übertragen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Antriebsstrangsystem wird beschrieben und umfasst einen eine Kurbelwelle enthaltenden Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine, die eine drehbare Welle enthält, wobei die drehbare Welle mit einer Motorriemenscheibe gekoppelt ist. Ein Drehmomentwandler umfasst ein Pumpenrad bzw. einen Impeller und eine Pumpe, wobei die Pumpe mit einer äußeren Treibscheibe gekoppelt ist. Ein achsenversetztes bzw. außeraxiales mechanisches Antriebssystem enthält die Treibscheibe des Drehmomentwandlers, die mit der Motorriemenscheibe der elektrischen Maschine drehbar gekoppelt ist. Die elektrische Maschine ist mit der Pumpe des Drehmomentwandlers über das außeraxiale mechanische Antriebssystem gekoppelt, und die Kurbelwelle ist über eine Kupplung mit der Pumpe des Drehmomentwandlers gekoppelt.
Ein Aspekt der Offenbarung umfasst die Kupplung, die eine wählbare Einwegkupplung ist.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung umfasst einen Starter, der mit der Kurbelwelle drehbar gekoppelt ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die elektrische Maschine, die mit einem Umrichter bzw. Inverter elektrisch gekoppelt ist, der mit einer Quelle elektrischer Leistung elektrisch verbunden ist, wobei die Quelle elektrischer Leistung dafür eingerichtet ist, bei einem Spannungspegel zu arbeiten, der niedriger als 60 V Gleichspannung ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die äußere Treibscheibe des Drehmomentwandlers, die über einen durchgehenden Riemen mit der Motorriemenscheibe der elektrischen Maschine drehbar gekoppelt ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die äußere Treibscheibe des Drehmomentwandlers, die über eine Kette mit der Motorriemenscheibe der elektrischen Maschine drehbar gekoppelt ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die äußere Treibscheibe des Drehmomentwandlers, die über ineinandergreifende Zahnräder mit der Motorriemenscheibe der elektrischen Maschine drehbar gekoppelt ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst ein Getriebe, das ein Eingangselement und ein Ausgangselement umfasst, und einen Endantrieb, wobei das Eingangselement des Getriebes mit dem Impeller des Drehmomentwandlers gekoppelt ist und das Ausgangselement des Getriebes mit dem Endantrieb gekoppelt ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst einen Controller, der mit dem Antriebsstrangsystem wirksam verbunden ist, wobei der Controller einen Anweisungssatz enthält, der ausführbar ist, um den Verbrennungsmotor automatisch zu stoppen und einen Betrieb des Antriebsstrangsystems in einem rein elektrischen Antriebsmodus zu steuern, um Antriebsleistung zum Endantrieb zu übertragen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst einen Controller, der mit dem Antriebsstrangsystem wirksam verbunden ist, wobei der Controller einen Anweisungssatz enthält, der ausführbar ist, um einen Betrieb des Antriebsstrangsystems in einem Motor-Antriebsmodus mit elektrischer Unterstützung zu steuern, um Antriebsleistung zum Endantrieb zu übertragen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst einen Controller, der mit dem Antriebsstrangsystem wirksam verbunden ist, wobei der Controller einen Anweisungssatz enthält, der ausführbar ist, um einen Betrieb des Antriebsstrangsystems in einem regenerativen Modus zu steuern, um Antriebsleistung zum Endantrieb zu übertragen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung schließt einen Controller ein, der mit dem Antriebsstrangsystem wirksam verbunden ist, wobei der Controller einen Anweisungssatz enthält, der ausführbar ist, um einen Betrieb des Antriebsstrangsystems in einem reinen Motor-Antriebsmodus zu steuern, um Antriebsleistung zum Endantrieb zu übertragen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst den Verbrennungsmotor, das Getriebe und den Endantrieb, die in einer Ausführung eines Vorderradantriebs eines Fahrzeugs angeordnet sind.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung schließt den Verbrennungsmotor, das Getriebe und den Endantrieb ein, die in einer Ausführung eines Hinterradantriebs eines Fahrzeugs angeordnet sind.
Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der besten Verfahren und anderer Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, ohne weiteres ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Antriebsstrangsystem, das einen Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle, der über einen Drehmomentwandler mit einem Getriebe gekoppelt ist und über ein außeraxiales mechanisches Antriebssystem mit einer elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschine gekoppelt ist, wobei das Getriebe mit einem Endantrieb koppelt, gemäß der Offenbarung schematisch veranschaulicht;
2 eine partielle seitliche Schnittansicht eines Teils eines Antriebsstrangsystems, das einen Drehmomentwandler und ein außeraxiales mechanisches Antriebssystem enthält, das mit einer elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschine gekoppelt ist, gemäß der Offenbarung schematisch veranschaulicht;
3 eine isometrische Ansicht eines Teils einer Ausführungsform eines außeraxialen mechanischen Antriebssystems, das mit einer elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschine gekoppelt ist, die Teil eines Antriebsstrangsystems ist, gemäß der Offenbarung schematisch veranschaulicht; und
4 eine isometrische Ansicht eines Teils einer anderen Ausführungsform eines außeraxialen mechanischen Antriebssystems, das mit einer elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschine gekoppelt ist, die Teil eines Antriebsstrangsystems ist, gemäß der Offenbarung schematisch veranschaulicht.
DETAILBESCHREIBUNG
Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, wie sie hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielzahl verschiedener Ausführungen angeordnet und entworfen werden. Folglich soll die folgende detaillierte Beschreibung den Umfang der Offenbarung, wie sie beansprucht wird, nicht beschränken, sondern ist nur repräsentativ für deren mögliche Ausführungsformen. Außerdem können, während zahlreiche spezifische Details in der folgenden Beschreibung dargelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen zu schaffen, einige Ausführungsformen ohne einige dieser Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde zum Zwecke der Übersichtlichkeit bestimmtes technisches Material, das im Stand der Technik bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um eine unnötige Unklarheit der Offenbarung zu vermeiden.
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, worin die Darstellungen allein zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht für den Zweck, diese zu beschränken, dienen, zeigt 1 schematisch eine Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangsystems 100, das mehrere drehmomenterzeugende Vorrichtungen umfasst, die einen Verbrennungsmotor (Motor) 10 und zumindest eine elektrisch angetriebene Drehmomentmaschine (elektrische Maschine) 30 einschließen. Der Motor 10 und die elektrische Maschine 30 sind über einen Drehmomentwandler 50 und ein achsenversetztes bzw. außeraxiales mechanisches Antriebssystem 40 mechanisch gekoppelt, um Antriebsleistung über ein Getriebe 60 und einen Endantrieb 90 zu Fahrzeugrädern 96 zu übertragen. Die hierin beschriebenen Konzepte können für jede beliebige geeignete Antriebsstrangausführung gelten, die den Verbrennungsmotor 10 und die elektrische Maschine 30 umfasst, die über den Drehmomentwandler 50 und das außeraxiale mechanische Antriebssystem 40 gekoppelt sind. Gleiche Bezugszeichen verweisen in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente. Ein Betrieb des Antriebsstrangsystems 100 kann durch einen Controller 15 gesteuert werden, welcher der einfachen Darstellung halber als eine einheitliche Vorrichtung dargestellt ist. Das Antriebsstrangsystem 100 kann in vorteilhafterweise an einem Fahrzeug verwendet werden, um Antriebsleistung bereitzustellen, und das Fahrzeug kann gemäß nicht beschränkenden Beispielen einen Personenkraftwagen, einen leichten oder schweren Lkw, ein Nutzfahrzeug, ein landwirtschaftliches Fahrzeug, ein Industrie-/Lagerfahrzeug oder einen Freizeit-Geländefahrzeug umfassen.
Das Antriebsstrangsystem 100 ist so eingerichtet, dass der Motor 10 und die elektrische Maschine 30 unter Verwendung des Drehmomentwandlers 50 und des außeraxialen mechanischen Antriebssystems 40 mit dem Getriebe 60 mechanisch koppeln. Dies ermöglicht, dass das Antriebsstrangsystem 100 in einer Vorderradantriebsanordnung ausgeführt ist und in einem von mehreren wählbaren Modi arbeitet, die einen reinen Motor-Antriebsmodus, einen rein elektrischen Antriebsmodus, einen Modus für regeneratives Bremsen und einen Motor-Modus mit elektrischer Unterstützung umfassen. Alternativ dazu kann das Antriebsstrangsystem 100 in einer Hinterradantriebsanordnung oder einer Allradantriebsanordnung ausgeführt und in einem von mehreren wählbaren Modi betreibbar sein, die einen reinen Motor-Antriebsmodus, einen rein elektrischen Antriebsmodus, einen Modus für regeneratives Bremsen und einen Motor-Modus mit elektrischer Unterstützung umfassen. Die Ausführung des Antriebsstrangsystems 100 ermöglicht Motorstopp/-startvorgänge während eines Betriebs des Antriebsstrangsystems. Das hierin beschriebene Antriebsstrangsystem 100 verwendet in vorteilhafter Weise den Drehmomentwandler 50, was eine verbesserte Fahrbarkeit während Beschleunigungsereignissen, Getriebeschaltereignissen und Abbremsereignissen zur Folge hat. Überdies ist das außeraxiale mechanische Antriebssystem 40 vorzugsweise dafür eingerichtet, die elektrische Maschine 30 bei der Motordrehzahl zu drehen, wodurch ein Bedarf an einem Generator, um ein Laden einer Niederspannungsbatterie 78 zu bewerkstelligen, eliminiert wird. Ferner besteht kein Bedarf an einer zusätzlichen, elektrisch angetriebenen hydraulischen Pumpe für das Getriebe 60, da die elektrische Maschine 30 dafür eingerichtet ist und gesteuert werden kann, den Drehmomentwandler 50 zu drehen, wenn der Motor 10 in einem AUS-Zustand ist. Überdies kann die Motortrennkupplung 24 in das Gehäuse des Drehmomentwandlers 50 integriert werden, was folglich Operationen eines Modus für regeneratives Bremsen und Schubbetriebs erleichtert, was einen Betrieb im rein elektrischen Antriebsmodus ermöglicht, und ein Segeln bei geschlossener Drossel verbessert.
Der Motor 10 ist vorzugsweise als ein Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern ausgeführt, der Kraftstoff durch einen thermodynamischen Verbrennungsprozess in mechanisches Drehmoment umwandelt. Der Motor 10 ist mit einer Vielzahl von Stellgliedern und Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen eines Betriebs und Liefern von Kraftstoff ausgestattet, um Ladungen zur Verbrennung im Zylinder zu bilden, die eine Expansionskraft auf Kolben erzeugen, wobei solch eine Kraft zu einer Kurbelwelle 12 übertragen wird, um Drehmoment zu erzeugen. Der Motor 10 enthält einen Starter 20, der einen Starterschalter und ein Starterrad 22 umfasst, wobei das Starterrad 22 mit Zahnradzähnen ineinandergreifend im Eingriff steht, die auf einem äußeren Umfang einer Schwungrades 14 angeordnet sind, das mit der Kurbelwelle 12 gekoppelt ist. Der Starter 20 ist vorzugsweise als ein einphasiger Elektromotor ausgeführt, der eine Ausgangswelle aufweist, die mit dem Starterrad 22 koppelt, wobei der einphasige Elektromotor über eine Aktivierung des Starterschalters mit der Niederspannungsbatterie 78 elektrisch verbunden wird. In einer Ausführungsform steht das Starterrad 22 mit dem Schwungrad 14 ständig ineinandergreifend in Eingriff. Das Schwungrad 14 koppelt auch mit einem Eingangselement 18, das über eine Motortrennkupplung 24 mit einem Pumpenteil 56 des Drehmomentwandlers 50 gekoppelt ist. In einer Ausführungsform ist die Motortrennkupplung 24 eine wählbare Einwegkupplung. Die Stellglieder des Motors 10, einschließlich des Starterschalters, werden vorzugsweise durch einen Motor-Controller gesteuert.
Der Motor 10 ist vorzugsweise mit geeigneter Hardware mechanisch ausgeführt, und der Motor-Controller enthält vorzugsweise geeignete Steuerungsroutinen, um Autostart- und Austostoppfunktionen, Funktionen zur Kraftstoffbeschickung und -unterbrechung (FCO) und Funktionen zur Deaktivierung aller Zylinder und von Zylindern während eines laufenden Betriebs des Antriebsstrangs 100 auszuführen. Der Motor 10 soll als in einem AUS-Zustand befindlich betrachtet werden, wenn er nicht dreht. Der Motor 10 soll als in einem AN-Zustand befindlich betrachtet werden, wenn er dreht. Der Zustand mit allen Zylindern schließt einen Motorbetrieb ein, bei dem alle Motorzylinder aktiviert werden, indem sie mit Kraftstoff beschickt und gezündet werden. Der Zylinderdeaktivierungszustand schließt einen Motorbetrieb ein, bei dem einer oder eine Vielzahl der Motorzylinder deaktiviert wird, indem er oder sie nicht mit Kraftstoff beschickt und nicht gezündet wird oder werden, und vorzugsweise ein Betreiben mit Motorauslassventilen in offenen Zuständen, um Pumpverluste zu minimieren, während die übrigen Zylinder mit Kraftstoff beschickt und gezündet werden und somit Drehmoment erzeugen. Der AN-Zustand kann den FCO-Zustand einschließen, in welchem der Motor 10 schnell dreht und nicht mit Kraftstoff beschickt wird. Der AN-Zustand kann den Zylinderdeaktivierungszustand einschließen. Der AN-Zustand kann den FCO-Zustand in Kombination mit dem Zylinderdeaktivierungszustand einschließen. Mechanische Ausführungen des Motors und Steuerungsroutinen zum Ausführen von Autostart-, Autostopp-, FCO- und Zylinderdeaktivierungs-Steuerungsroutinen sind bekannt und werden hierin nicht beschrieben. Ein Motorbetrieb kann im Kontext von Motorzuständen beschrieben werden, die einen Motorbetriebszustand, einen Zustand der Kraftstoffbeschickung des Motors und einen Motorzylinderzustand einschließen. Die Motorbetriebszustände umfassen vorzugsweise den AN- und den AUS-Zustand. Die Zustände der Kraftstoffbeschickung des Motors schließen den Zustand mit Kraftstoffbeschickung und den FCO-Zustand ein. Die Motorzylinderzustände umfassen die Zustände mit allen Zylindern und den Zylinderdeaktivierungszustand.
Die elektrische Maschine 30 ist vorzugsweise ein mehrphasiger Elektromotor/Generator, der dafür eingerichtet ist, gespeicherte elektrische Energie in mechanische Leistung umzuwandeln und mechanische Leistung in elektrische Energie umzuwandeln, die in einer Gleichstrom-Leistungsquelle (48 V-Batterie) 70 gespeichert werden kann. Die 48 V-Batterie 70 ist vorzugsweise bei einem nominellen 48 V-Gleichspannungspegel konfiguriert. Die elektrische Maschine 30 umfasst vorzugsweise einen Rotor und einen Stator und verbindet über das Invertermodul 36 elektrisch mit der 48 V-Batterie 70. Der Rotor koppelt mit einem drehbaren Element 32, das mit einer Motorriemenscheibe 34 koppelt, die ein Element des außeraxialen mechanischen Antriebssystems 40 ist. Alternativ dazu kann anstelle der elektrischen Maschine 30 eine andere verbrennungsfreie Drehmomentmaschine wie etwa eine pneumatisch angetriebene Vorrichtung oder eine hydraulisch angetriebene Vorrichtung verwendet werden. Per definitionem ist eine verbrennungsfreie Drehmomentmaschine jede beliebige Vorrichtung, die imstande ist, Drehmoment zu erzeugen, indem eine Quelle potentieller Energie ohne Verbrennung der potentiellen Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Nicht beschränkende Beispiele der Quelle potentieller Energie sind elektrische Energie, pneumatische Energie und hydraulische Energie. Pneumatisch angetriebene Vorrichtungen und hydraulisch angetriebene Vorrichtungen sind bekannt und werden hierin im Detail nicht beschrieben.
Der Drehmomentwandler 50 ist eine drehbare drehmomentkoppelnde Vorrichtung, die zwischen dem Eingangselement 18 des Motors 10 und einem Eingangselement 51 des Getriebes 60 angeordnet ist. Der Drehmomentwandler 50 umfasst vorzugsweise eine Pumpe 56, die mit der Kurbelwelle 12 drehbar gekoppelt ist, einen Starter 57, einen Impeller 58, der mit dem Eingangselement 51 zum Getriebe 60 drehbar gekoppelt ist, und eine steuerbare Kupplung 59. Der Drehmomentwandler 50 arbeitet dahingehend, eine Fluiddrehmomentkopplung zwischen der Pumpe 56 und dem Impeller 58 zu schaffen, wenn die Kupplung 59 deaktiviert oder gelöst ist, und schafft eine mechanische Drehmomentkopplung zwischen der Pumpe 56 und dem Impeller 58, wenn die Kupplung 59 aktiviert ist. Andere Details, die sich auf einen Entwurf von Drehmomentwandlern und Drehmomentwandlerkupplungen beziehen, sind bekannt und werden hierin im Detail nicht beschrieben. Die Pumpe 56 ist mit einer äußeren Treibscheibe 52 gekoppelt, die an einem äußeren Umfang der Pumpe 56 angeordnet sein kann. Eine beispielhafte Ausführungsform eines Teils des Antriebsstrangsystems 100, der den Drehmomentwandler 50 und die äußere Treibscheibe 52 umfasst, ist mit Verweis auf 2 dargestellt. Alternativ dazu kann die äußere Treibscheibe 52 auf einer separaten Scheibe bzw. Riemenscheibe angeordnet sein, die an der Pumpe 56 fest angebracht ist, um damit zu rotieren, mit einem äußeren Umfang, der im Wesentlichen gleich einem äußeren Umfang der Pumpe 56 ist, und damit koaxial ist.
Das außeraxiale mechanische Antriebssystem 40 umfasst in einer Ausführungsform vorzugsweise die äußere Treibscheibe 52, die mit der Pumpe 56 des Drehmomentwandlers 50 gekoppelt ist, die Motorriemenscheibe 34, die mit dem Rotor der elektrischen Maschine 30 gekoppelt ist, und einen durchgehenden Riemen 42. Die äußere Treibscheibe 52 und die Motorriemenscheibe 34 sind über den durchgehenden Riemen 42 drehbar gekoppelt, um Drehmoment dazwischen zu übertragen. Die äußere Treibscheibe 52 und die Motorriemenscheibe 34 können mit Riemenkontaktoberflächen geeignet ausgebildet sein, die in der Form einer einzigen Umfangsrille, mehrerer Umfangsrillen, radialer Zähne oder einer anderen geeigneten Anordnung vorliegen, und der durchgehende Riemen 42 ist gemäß den Riemenkontaktoberflächen der äußeren Treibscheibe 52 und der Motorriemenscheibe 34 ausgeführt. Vorzugsweise enthält das außeraxiale mechanische Antriebssystem 40 eine Riemenspannvorrichtung, um sicherzustellen, dass der durchgehende Riemen 42 mit zumindest 180° der Riemenkontaktoberflächen der äußeren Treibscheibe 52 und der Motorriemenscheibe 34 einen Kontakt herstellt. Der durchgehende Riemen 42 kann in einer Ausführungsform aus Kevlar-Schnüren hergestellt sein. In einer Ausführungsform beträgt das Scheibenverhältnis zwischen der äußeren Treibscheibe 52 und der Motorriemenscheibe 34 2,5:1. Alternativ dazu sind die äußere Treibscheibe 52 und die Motorriemenscheibe 34 über eine durchgehende Kette drehbar gekoppelt, um Drehmoment dazwischen zu übertragen. Alternativ dazu sind die äußere Treibscheibe 52 und die Motorriemenscheibe 34 über ineinandergreifende Zahnräder drehbar gekoppelt, um Drehmoment dazwischen zu übertragen.
Das Getriebe 60 kann in einer Ausführungsform in einer Stufengetriebeausführung angeordnet sein und kann einen oder mehrere Differentialgetriebesätze und aktivierbare Kupplungen umfassen, die dafür eingerichtet sind, eine Drehmomentübertragung in einem einer Vielzahl fester Getriebe- bzw. Gangzustände über einen Bereich von Drehzahlverhältnissen zwischen dem Motor 10, dem Eingangselement 52 und dem Ausgangselement 62 zu bewerkstelligen. Das Getriebe 60 kann einen ersten Drehzahlsensor in der Form eines Hall-Effekt-Sensors oder eines anderen geeigneten Sensors enthalten, der dafür eingerichtet sein kann, eine Drehzahl des Eingangselements 51 zu überwachen, und/oder einen zweiten Drehzahlsensor, der dafür eingerichtet sein kann, eine Drehzahl des Ausgangselements 62 zu überwachen. Das Getriebe 60 schließt jede geeignete Ausführung ein und kann ein Automatikgetriebe sein, das zwischen den festen Gangzuständen automatisch schaltet, um bei einem Übersetzungsverhältnis zu arbeiten, das eine bevorzugte Übereinstimmung zwischen einer Anforderung eines Ausgangsdrehmoments und einem Motorbetriebspunkt erreicht. Das Getriebe 60 führt automatisch Hochschaltvorgänge aus, um in einen Gangzustand mit einem niedrigeren numerischen Vervielfältigungsverhältnis (Übersetzungsverhältnis) bei voreingestellten Drehzahl/Lastpunkten zu schalten, und führt Herabschaltvorgänge aus, um in einen Gangzustand mit einem höheren numerischen Vervielfältigungsverhältnis bei voreingestellten Drehzahl/Lastpunkten zu schalten. Das Getriebe 60 kann unter Verwendung eines steuerbaren Hydraulikschaltkreises gesteuert werden, der mit einem Getriebe-Controller kommuniziert, der in den Controller 15 integriert oder von diesem getrennt sein kann. Der Getriebe-Controller steuert vorzugsweise die Drehmomentwandlerkupplung 59. Das Getriebe 60 führt Hochschaltvorgänge aus, um in einen festen Gang zu schalten, der ein niedrigeres Vervielfältigungsverhältnis (Übersetzungsverhältnis) aufweist, und führt Herabschaltvorgänge aus, um in einen festen Gang zu schalten, der ein höheres numerisches Vervielfältigungsverhältnis aufweist. Ein Hochschalten des Getriebes kann eine Reduzierung der Motordrehzahl erfordern, so dass die Motordrehzahl mit einer Getriebeausgangsdrehzahl übereinstimmt, multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis bei einem mit einem Ziel-Gangzustand verbundenen Übersetzungsverhältnis. Ein Herabschalten des Getriebes kann ein Erhöhen der Motordrehzahl erfordern, so dass die Motordrehzahl mit der Getriebeausgangsdrehzahl übereinstimmt, multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis bei einem mit dem Ziel-Gangzustand verbundenen Übersetzungsverhältnis. Entwürfe von Getrieben und einer Getriebeschaltung sind bekannt und werden hierin im Detail nicht beschrieben. Eine Getriebebetätigung kann im Kontext einer Steuerungsvariable beschrieben werden, die an das Getriebe 60 kommuniziert werden kann, das sich auf einen ausgewählten festen Gangzustand bezieht.
Der Endantrieb 90 kann eine Differentialgetriebevorrichtung 92 einschließen, der mit einer Achse(n) 94 mechanisch koppelt, die mit einem Rad (Rädern) 96 in einer Ausführungsform mechanisch koppelt(n). Der Endantrieb 90 überträgt Zugkraft zwischen einem Ausgangselement des Getriebes 60 und einer Straßenoberfläche über das (die) Rad (Räder) 96. Der Antriebsstrang 100 ist veranschaulichend, und die hierin beschriebenen Konzepte gelten für andere Antriebsstrangsysteme, die ähnlich ausgeführt sind.
Das Invertermodul 36 ist mit geeigneten Steuerungsschaltungen ausgeführt, die Leistungstransistoren, z. B. Bipolartransistoren mit integriertem Gate (IGBTs) zum Transformieren von elektrischer DC- bzw. Gleichstromleistung in elektrische AC- bzw. Wechselstromleistung und Transformieren elektrischer Wechselstromleistung in elektrische Gleichstromleistung enthalten. Das Invertermodul 36 verwendet vorzugsweise eine Pulsweitenmodulations-(PWM-)Steuerung der IGBTs, um gespeicherte elektrische Gleichstromleistung, die von der 48 V-Batterie 70 stammt, in elektrische Wechselstromleistung umzuwandeln, um die elektrische Maschine 30 anzutreiben, um ein Drehmoment zu erzeugen. Ähnlich wandelt das Invertermodul 36 zu der elektrischen Maschine 30 übertragene mechanische Leistung in elektrische Gleichstromleistung um, um elektrische Energie zu erzeugen, die in der 48 V-Batterie 70 gespeichert werden kann, einschließlich als Teil einer Steuerungsstrategie für regeneratives Bremsen. Das Invertermodul 36 empfängt vom Controller 15 Motorsteuerungsbefehle und steuert Inverterzustände, um einen gewünschten Motor-Antriebsbetrieb oder einen Betrieb eines regenerativen Bremsens vorzusehen. In einer Ausführungsform verbindet ein zusätzlicher elektroscher DC/DC-Leistungswandler 76 elektrisch mit dem Bus und stellt elektrische Leistung bereit, um über einen Niederspannungsbus die Niederspannungsbatterie 78 zu laden.
Derartige Verbindungen elektrischer Leistung sind bekannt und werden im Detail nicht beschrieben. Die Niederspannungsbatterie 78 stellt elektrische Leistung mit niedriger Spannung Niederspannungssystemen an dem Antriebsstrangsystem 100 und dem Fahrzeug, einschließlich z. B. dem Starter 20, elektrischen Fenstern, HVAC-Ventilatoren, Sitzen und anderen Vorrichtungen, bereit. In einer Ausführungsform ist die Niederspannungsbatterie 78 dafür eingerichtet, bei einem nominalen 12 V-Gleichspannungspegel zu arbeiten.
Die 48 V-Batterie 70 ist vorzugsweise angeordnet, um elektrische Leistung bei einem nominalen Spannungspegel von 48 V DC zu liefern, und kann jede beliebige DC-Leistungsquelle, ohne Beschränkung z. B. eine Lithiumionen-Vorrichtung mit vielen Zellen, ein Ultrakondensator oder eine andere geeignete Vorrichtung, sein. Überwachte Parameter, die sich auf die 48 V-Batterie 70 beziehen, umfassen vorzugsweise einen Ladungszustand (SOC), Temperatur und andere. In einer Ausführungsform kann die 48 V-Batterie 70 über eine bordeigene Batterieladevorrichtung mit einer entfernten Quelle elektrischer Leistung außerhalb des Fahrzeugs elektrisch verbinden, um zu laden, während das Fahrzeug steht.
Der Controller 15 kann signalmäßig (engl. signally) mit einer (nicht dargestellten) Bedienerschnittstelle verbinden und sieht eine hierarchische Steuerung einer Vielzahl von Steuerungsvorrichtungen vor, um eine Betriebssteuerung einzelner Elemente des Antriebsstrangs 100 einschließlich z. B. des Invertermoduls 36, des Motor-Controllers und des Getriebe-Controllers zu bewerkstelligen. Der Controller 15 kommuniziert mit jedem des Invertermoduls 36, des Motor-Controllers und des Getriebe-Controller entweder direkt oder über einen Kommunikationsbus 16, um einen Betrieb und deren Steuerungsoperationen zu überwachen.
Die Begriffe Controller, Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine beliebige oder verschiedene Kombinationen einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung(en) (ASICs), elektronischen Schaltung(en), zentralen Verarbeitungseinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und eine zugeordnete nicht-transitorische Speicherkomponente in der Form von Speicher- und Massenspeichervorrichtungen (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.). Die nicht-transitorische Speicherkomponente ist imstande, maschinenlesbare Anweisungen in der Form eines oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischen logischen Schaltung(en), Eingabe-/Ausgabeschaltung(en) und -Vorrichtungen, Signalkonditionierungs- bzw. -aufbereitungs- und Pufferschaltungen und andere Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Eingabe-/Ausgabeschaltung(en) und Vorrichtungen enthalten Analog/Digital-Wandler und zugehörige Vorrichtungen, die Eingaben von Sensoren überwachen, wobei derartige Eingaben bei einer voreingestellten Abtastfrequenz oder als Antwort auf ein Auslöseereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerungsroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige, von einem Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen enthalten. Jeder Controller führt eine oder mehrere Steuerungsroutinen aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen, einschließlich einer Überwachung von Eingaben von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerk-Controllern und Ausführung von Steuerungs- und Diagnoseroutinen, um einen Betrieb von Stellgliedern zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden oder können als Antwort auf das Auftreten eines Auslöseereignisses ausgeführt werden. Eine Kommunikation zwischen Controllern und eine Kommunikation zwischen Controllern, Stellgliedern und/oder Sensoren können unter Verwendung einer direkt verdrahteten Kopplung, einer Kopplung über Netzwerk-Kommunikationsbusse, einer Drahtloskopplung, eines seriellen peripheren Schnittstellenbusses oder irgendeiner anderen geeigneten Kommunikationskopplung bewerkstelligt werden. Kommunikation umfasst ein Austauschen von Datensignalen in jeder beliebigen geeigneten Form, einschließlich zum Beispiel elektrischer Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetischer Signale über Luft, optischer Signale über optischen Wellenleiter und dergleichen. Datensignale können Signale einschließen, die Eingaben von Sensoren, Stellgliedbefehle repräsentierende Signale und Kommunikationssignale zwischen Controllern repräsentieren.
Ein auf Bedieneranforderungen ansprechender Fahrzeugbetrieb umfasst Betriebsmodi einer Beschleunigung, Bremsung, einer stabilen bzw. gleichmäßigen Fahrt, eines Schubbetriebs und Leerlaufs. Der Beschleunigungsmodus umfasst eine Bedieneranforderung, eine Fahrzeuggeschwindigkeit zu erhöhen. Der Bremsmodus beinhaltet eine Bedieneranforderung, eine Fahrzeuggeschwindigkeit zu verringern. Der Modus einer stabilen bzw. gleichmäßigen Fahrt umfasst einen Fahrzeugbetrieb, bei dem sich das Fahrzeug aktuell bei einer Geschwindigkeit ohne eine Bedieneranforderung nach entweder Bremsen oder Beschleunigen bewegt, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit basierend auf der gegenwärtigen Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Fahrzeugimpuls, dem Luftwiderstand und Rollwiderstand des Fahrzeugs und dem Trägheitswiderstand des Endantriebs bestimmt wird. Der Schubbetrieb-Modus beinhaltet einen Fahrzeugbetrieb, bei dem eine Fahrzeugdrehzahl oberhalb einer minimalen Schwellendrehzahl liegt und die Bedieneranforderung an das Gaspedal an einem Punkt ist, der geringer als erforderlich ist, um die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit beizubehalten. Der Leerlauf-Modus beinhaltet einen Fahrzeugbetrieb, bei dem eine Fahrzeugdrehzahl bei oder nahe Null ist.
Das Antriebsstrangsystem 100 arbeitet in einem einer Vielzahl von Modi, welche während eines laufenden Antriebsstrangbetriebs ausgewählt und implementiert werden können, um Fahrzeugfunktionen einer Beschleunigung, eines Bremens, einer stabilen bzw. gleichmäßigen Fahrt, eines Schubbetriebs und Leerlaufs zu auszuführen. Die Modi des Antriebsstrangs umfassen den reinen Motor-Antriebsmodus, einen rein elektrischen Antriebmodus, einen regenerativen Modus und einen Motor-Antriebsmodus mit elektrischer Unterstützung, mit einhergehenden Autostart/Autostopp-Operationen des Motors. Im reinen Motor-Antriebsmodus wird der Motor 10 gesteuert, um Antriebskraft zu erzeugen, während die elektrische Maschine 30 im Leerlauf dreht. Dieser Modus kann während einer Beschleunigung oder einer stabilen bzw. gleichmäßigen Fahrt des Fahrzeugs befohlen werden. Im rein elektrischen Antriebsmodus wird die elektrische Maschine 30 wie ein Motor gesteuert, um Antriebsleistung zu erzeugen, während der Motor 10 im AUS-Zustand und durch eine Aktion der Motortrennkupplung 24 getrennt ist. Dieser Modus kann während eines Leerlaufs, einer Beschleunigung oder einer stabilen bzw. gleichmäßigen Fahrt des Fahrzeugs befohlen werden. Im regenerativen Modus wird die elektrische Maschine 30 wie ein Generator gesteuert, um einem Drehmoment des Endantriebs entgegenzuwirken und elektrische Leistung zu erzeugen, während der Motor 10 entweder im Leerlauf oder im AUS-Zustand und durch eine Aktion der Motortrennkupplung 24 getrennt ist. Dieser Modus kann während eines Schubbetriebs und einer Bremsung des Fahrzeugs befohlen werden. Im Motor-Antriebsmodus mit elektrischer Unterstützung werden der Motor 10 und die elektrische Maschine 30 gesteuert, um Antriebsleistung zu erzeugen. Dieser Modus kann während einer Beschleunigung oder einer stabilen bzw. gleichmäßigen Fahrt des Fahrzeugs befohlen werden.
3 veranschaulicht schematisch eine isometrische Ansicht eines Teils einer Ausführungsform des außeraxialen mechanischen Antriebssystems 340, das mit einer elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschine (elektrischen Maschine) 330 über einen Drehmomentwandler 350 gekoppelt ist, der mit einem Ausgangselement eines (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors gekoppelt ist, der Teil einer Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangsystems 300 ist, das mehrere drehmomenterzeugende Vorrichtungen enthält. Das Hybridantriebsstrangsystem 300 umfasst ferner ein Getriebe und einen (nicht dargestellten) Endantrieb, um als Antwort auf Bedienereingaben Antriebsleistung zu (nicht dargestellten) Fahrzeugrädern zu übertragen. Die hierin beschriebenen Konzepte können Anwendung finden auf jede beliebige geeignete Antriebsstrangausführung für Vorderradantrieb, Hinterradantrieb oder Allradantrieb, wobei der Betrieb durch einen Controller gesteuert wird. In dieser Ausführungsform ist das außeraxiale mechanische Antriebssystem 340 vorzugsweise als ein Riemenantrieb ausgeführt, der eine äußere Treibscheibe 352 umfasst, die ringförmig zu und mit einer Pumpe 356 des Drehmomentwandlers 350 gekoppelt ist. Andere Elemente des außeraxialen mechanischen Antriebssystems 340 umfassen eine Motorriemenscheibe 332, die mit einem Rotor der elektrischen Maschine 330 gekoppelt ist, einen Endlos- bzw. durchgehenden Riemen 342 und eine Riemenspannvorrichtung 334. Die Riemenspannvorrichtung 334 ist angeordnet, um den durchgehenden Riemen 342 zu drängen, sicherzustellen, dass der durchgehende Riemen 342 einen Kontakt mit zumindest 180° der Riemenkontaktoberflächen der äußeren Treibscheibe 352 und der Motorriemenscheibe 332 schafft, was somit einen Riemenschlupf minimiert oder vollständig eliminiert. In einer Ausführungsform, und wie dargestellt ist, ist die Riemenspannvorrichtung 334 eine zweiseitige Riemenspannvorrichtung. Alternativ dazu kann die Riemenspannvorrichtung als eine einseitige Vorrichtung ausgeführt sein. Die äußere Treibscheibe 352 und die Motorriemenscheibe 332 sind über den durchgehenden Riemen 342 drehbar gekoppelt, um dazwischen Drehmoment zu übertragen. Die äußere Treibscheibe 352 und die Motorriemenscheibe 334 können mit Riemenkontaktoberflächen geeignet ausgebildet sein und sind so angeordnet, dass sie mehrere Umfangsrillen in ihren jeweiligen ringförmigen Oberflächen aufweisen. Einige der Umfangsrillen in der ringförmigen Oberfläche der äußeren Treibscheibe 352 sind durch Ziffer 353 bezeichnet. Der durchgehende Riemen 342 ist vorzugsweise gemäß den Umfangsrillen in der ringförmigen Oberflächen der äußeren Treibscheibe 352 und der Motorriemenscheibe 334 ausgebildet und weist folglich eine Vielzahl nach innen gewandter Umfangsrillen auf. Der durchgehende Riemen 342 kann in einer Ausführungsform aus Kevlar-Schnüren hergestellt sein. In einer Ausführungsform beträgt das Riemenscheibenverhältnis zwischen der äußeren Treibscheibe 352 und der Motorriemenscheibe 334 2,5:1.
4 veranschaulicht schematisch eine isometrische Ansicht eines Teils einer anderen Ausführungsform des außeraxialen mechanischen Antriebssystems 440, das mit einer elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschine (elektrischen Maschine) 430 über einen Drehmomentwandler 450 gekoppelt ist, der mit einem Ausgangselement eines (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors gekoppelt ist, der Teil einer Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangsystems 400 ist, das mehrere drehmomenterzeugende Vorrichtungen umfasst. Das Hybridantriebsstrangsystem 400 umfasst ferner ein Getriebe und einen (nicht dargestellten) Endantrieb, um Antriebsleistung zu (nicht dargestellten) Fahrzeugrädern als Antwort auf Bedienereingaben zu übertragen. Die hierin beschriebenen Konzepte können Anwendung finden auf jede beliebige geeignete Antriebsstrangausführung für Vorderradantrieb, Hinterradantrieb oder Allradantrieb, wobei der Betrieb durch einen Controller gesteuert wird. In dieser Ausführungsform ist das außeraxiale mechanische Antriebssystem 440 vorzugsweise als ein Riemenantrieb ausgeführt, der eine äußere Treibscheibe 452 umfasst, die ringförmig zu und mit einer Pumpe 456 des Drehmomentwandlers 450 gekoppelt ist. Andere Elemente des außenaxialen mechanischen Antriebssystems 440 umfassen eine Motorriemenscheibe 432, die mit einem Rotor der elektrischen Maschine 430 gekoppelt ist, und einen durchgehenden Riemen 442. In dieser Ausführungsform gibt es keine Riemenspannvorrichtung. Die äußere Treibscheibe 452 und die Motorriemenscheibe 432 sind über den durchgehenden Riemen 442 drehbar gekoppelt, um Drehmoment dazwischen zu übertragen. Die äußere Treibscheibe 452 und die Motorriemenscheibe 434 sind mit Riemenkontaktoberflächen geeignet ausgeführt und so angeordnet, dass sie mehrere radiale Zähne in ihren jeweiligen ringförmigen Oberflächen aufweisen. Einige der radialen Zähne in der ringförmigen Oberfläche der äußeren Treibscheibe 452 sind durch Ziffer 453 bezeichnet. Der durchgehende Riemen 442 ist vorzugsweise gemäß den Umfangsrillen in der ringförmigen Oberfläche der äußeren Treibscheibe 452 und der Motorriemenscheibe 434 ausgeführt und hat folglich eine Vielzahl von nach innen gewandten radialen Zähnen. Der durchgehende Riemen 442 kann in einer Ausführungsform aus Kevlar-Schnüren hergestellt sein. In einer Ausführungsform beträgt das Riemenscheibenverhältnis zwischen der äußeren Treibscheibe 452 und der Motorriemenscheibe 434 2,5:1. In dieser Ausführungsform wird die Riemenspannung durch (nicht dargestellte) Spannvorrichtungen erreicht, die während einer Montage oder Riemeninstallation eingestellt werden.
Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die vorliegenden Lehren; der Umfang der vorliegenden Lehren ist jedoch nur durch die Ansprüche definiert. Obgleich einige der besten Verfahren und andere Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren im Detail beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Gestaltungen und Ausführungsformen, um die in den beigefügten Ansprüchen definierten vorliegenden Lehren in die Praxis umzusetzen.

Claims

Antriebsstrangsystem, umfassend: einen Verbrennungsmotor, der Kurbelwelle enthält; eine elektrische Maschine, die eine drehbare Welle enthält, wobei die drehbare Welle mit einer Motorriemenscheibe gekoppelt ist; und einen Drehmomentwandler, der einen Impeller und eine Pumpe umfasst, wobei die Pumpe mit einer äußeren Treibscheibe gekoppelt ist; wobei die äußere Treibscheibe des Drehmomentwandlers mit der Motorriemenscheibe der elektrischen Maschine drehbar gekoppelt ist; wobei die elektrische Maschine über das außeraxiale mechanische Antriebssystem mit der Pumpe des Drehmomentwandlers gekoppelt ist, und wobei die Kurbelwelle über eine Kupplung mit der Pumpe des Drehmomentwandlers gekoppelt ist.
Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die Kupplung eine wählbare Einwegkupplung ist.
Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen mit der Kurbelwelle drehbar gekoppelten Starter.
Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die elektrische Maschine mit einem Inverter elektrisch verbunden ist, der mit einer Quelle elektrischer Leistung elektrisch verbunden ist, wobei die Quelle elektrischer Leistung dafür eingerichtet ist, bei einem Spannungspegel, der geringer als 60 V DC ist, zu arbeiten.
Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die äußere Treibscheibe des Drehmomentwandlers über einen durchgehenden Riemen mit der Motorriemenscheibe der elektrischen Maschine drehbar gekoppelt ist.
Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die äußere Treibscheibe des Drehmomentwandlers über eine Kette mit der Motorriemenscheibe der elektrischen Maschine drehbar gekoppelt ist.
Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die äußere Treibscheibe des Drehmomentwandlers über ineinandergreifende Zahnräder mit der Motorriemenscheibe der elektrischen Maschine drehbar gekoppelt ist.
Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Getriebe, das ein Eingangselement und ein Ausgangselement umfasst, und einen Endantrieb; wobei das Eingangselement des Getriebes mit dem Impeller des Drehmomentwandlers gekoppelt ist; und wobei das Ausgangselement des Getriebes mit dem Endantrieb gekoppelt ist.
Antriebsstrangsystem nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Controller, der mit dem Antriebsstrangsystem wirksam gekoppelt ist, wobei der Controller einen Anweisungssatz enthält, wobei der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Verbrennungsmotor automatisch zu stoppen und einen Betrieb des Antriebsstrangsystems in einem rein elektrischen Antriebsmodus zu steuern, um Antriebsleistung zum Endantrieb zu übertragen.
Antriebsstrangsystem nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Controller, der mit dem Antriebsstrangsystem wirksam verbunden ist, wobei der Controller einen Anweisungssatz enthält, wobei der Anweisungssatz ausführbar ist, um einen Betrieb des Antriebsstrangsystems in einen Motor-Antriebsmodus mit elektrischer Unterstützung zu steuern, um Antriebsleistung zum Endantrieb zu übertragen.