DE102017115530A1

DE102017115530A1 - Hybrider Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102017115530A1
Application number: DE102017115530.9A
Authority: DE
Inventors: Farzad Samie; Derek F. Lahr; Peter Beller; Chunhao J. Lee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2018-01-18
Also published as: CN107618352A; US10710449B2; US20180015817A1

Abstract

Ein Getriebesatz für ein Antriebsstrangsystem ist angeordnet zum Übertragen von mechanischer Kraft zwischen einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor und einem Antriebssystem. Der Getriebesatz beinhaltet ein Schwungrad, einen Drehmomentwandler, eine außeraxiale mechanische Verbindung und ein Getriebe. Die außeraxiale mechanische Verbindung beinhaltet ein erstes Element drehbar gekoppelt mit einem zweiten Element. Das Schwungrad ist mit einer Kurbelwelle des Motors gekoppelt. Der Drehmomentwandler beinhaltet eine Pumpe, eine Turbine und eine Pumpennabe und das Getriebe beinhaltet ein Antriebselement. Die Pumpe des Drehmomentwandlers ist gekoppelt mit dem Schwungrad und der Pumpennabe mit dem ersten Element der außeraxialen mechanischen Verbindung. Das zweite Element der außeraxialen mechanischen Verbindung ist gekoppelt mit einem Rotor des Elektromotors und die Turbine des Drehmomentwandlers ist gekoppelt mit dem Antriebselement des Getriebes.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf hybride Antriebsstränge für Fahrzeuge.
HINTERGRUND
Bekannte hybride Antriebsstrangsysteme umfassen Verbrennungsmotoren und Elektromaschinen/-generatoren, die mit Getrieben zum Übertragen von Drehmoment auf ein Antriebssystem zum Bereitstellen von Zugkraft gekoppelt sind. Bekannte Elektromotoren/Generatoren werden mit elektrischem Strom von Energiespeichersystemen versorgt. Antriebsstrangsysteme für hybride Antriebsstränge können in verschiedenen Betriebsmodi zum Erzeugen und Übertragen von Antriebsleistung an die Fahrzeugräder betrieben werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Getriebesatz für ein Antriebsstrangsystem wird beschrieben und ist angeordnet zum Übertragen von mechanischer Kraft zwischen einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor und einem Antriebssystem. Der Getriebesatz beinhaltet ein Schwungrad, einen Drehmomentwandler, eine außeraxiale mechanische Verbindung und ein Getriebe. Die außeraxiale mechanische Verbindung beinhaltet einen Radsatz, der innerhalb eines Gehäuses des Getriebesatzes angeordnet ist und beinhaltet ein erstes Element, das drehbar mit einem zweiten Element gekoppelt ist. Das Schwungrad ist mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Der Drehmomentwandler beinhaltet eine Pumpe, eine Turbine und eine Pumpennabe und das Getriebe beinhaltet ein Antriebsglied. Die Pumpe des Drehmomentwandlers ist mit dem Schwungrad gekoppelt und die Pumpennabe ist mit dem ersten Element der außeraxialen mechanischen Verbindung gekoppelt. Das zweite Element der außeraxialen mechanischen Verbindung ist mit einem Rotor des Elektromotors gekoppelt und die Turbine des Drehmomentwandlers ist mit dem Antriebselement des Getriebes gekoppelt.
Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 veranschaulicht schematisch ein Antriebsstrangsystem, das einen Verbrennungsmotor und eine Elektromaschine beinhaltet, der an einen Getriebesatz gekoppelt ist, worin der Elektromotor mit dem Getriebesatz über eine außeraxiale mechanische Verbindung gekoppelt ist und worin der Getriebesatz mit einem Antriebsstrang gekoppelt ist in Übereinstimmung mit der Offenbarung;
2 veranschaulicht schematisch eine Schnittseitenansicht eines Teils einer Ausführungsform des Antriebsstrangsystems mit Bezug auf 1 einschließlich des mit dem Getriebesatz über eine außeraxiale mechanische Verbindung gekoppelten Elektromaschine in Übereinstimmung mit der Offenbarung;
3-1 veranschaulicht schematisch eine Schnittdraufsicht des Getriebesatzes aus 2 einschließlich einer ersten Ausführungsform der außeraxialen mechanischen Verbindung in Form einer Ketten- und Kettenradverbindung in Übereinstimmung mit der Offenbarung; und
3-2 veranschaulicht schematisch eine Schnittdraufsicht des Getriebesatzes aus 2 einschließlich einer zweiten Ausführungsform der außeraxialen mechanischen Verbindung in Form einer Stirnradsatzverbindung in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung, wie sie beansprucht wird, einzuschränken, sondern sie ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung offengelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde der Klarheit halber bestimmtes technisches Material, das im Stand der Technik bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein hybrides Antriebsstrangsystem 100 schematisch dargestellt und beinhaltet mehrere drehmomenterzeugende Vorrichtungen, darunter einen Verbrennungsmotor (Motor) 10 und mindestens eine elektrisch angetriebene Drehmomentmaschine (Elektromotor) 30. Der Motor 10 und der Elektromotor 30 sind mechanisch mit einem Getriebesatz 60 gekoppelt und der Getriebesatz 60 ist mechanisch mit einem Antriebssystem 90 gekoppelt. Der Getriebesatz 60 beinhaltet vorzugsweise ein Schwungrad 14, einen Drehmomentwandler 50, eine außeraxiale mechanische Verbindung 40 und ein Getriebe 62. Der Antriebsstrang 90 beinhaltet vorzugsweise einen Differentialzahnradsatz 92, der mit mindestens einem Antriebswellenelement 94 gekoppelt ist, das mit einem entsprechenden Fahrzeugrad 96 gekoppelt ist. Der Elektromotor 30 ist mechanisch mit dem Getriebesatz 60 über die außeraxiale mechanische Verbindung 40 gekoppelt. Die hier beschriebenen Konzepte können auf jede geeignete Konfiguration übertragen werden, die eine Ausführungsform eines Getriebesatzes 60 beinhaltet, der zum Übertragen von Antriebskraft zwischen dem Verbrennungsmotor 10, dem Elektromotor 30 und dem Getriebeantriebsstrang 90 angeordnet ist. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich über die gesamte Beschreibung auf gleiche Elemente. Das Betreiben des Antriebsstrangsystems 100 kann durch eine Steuerung 15 gesteuert werden, die als eine einheitliche Vorrichtung zur Vereinfachung der Darstellung veranschaulicht ist. Das Antriebsstrangsystem 100 kann vorteilhaft in einem Fahrzeug verwendet werden, um Antriebsdrehmoment bereitzustellen. Das Fahrzeug kann, ohne darauf eingeschränkt zu sein, eine mobile Plattform in Form eines Nutzfahrzeuges, Industriefahrzeuges, landwirtschaftlichen Fahrzeugs, Personenkraftwagens, Flugzeugs, Wasserfahrzeugs, Zugs, Geländefahrzeugs, einer persönlichen Bewegungsvorrichtung, Roboters und dergleichen beinhalten, um die Zwecke der vorliegenden Offenbarung zu erfüllen.
Der Motor 10 beinhaltet eine Kurbelwelle 12, die einen äußeren Abschnitt aufweist, der mechanisch an ein Schwungrad 14 gekoppelt ist, das über eine Ausrückkupplung 20 an eine Pumpe 56 des Drehmomentwandlers 50 gekoppelt ist. Die Ausrückkupplung 20 kann in das Gehäuse des Drehmomentwandlers 50 integriert sein, was Antriebsstrangbetrieb in einem regenerativen Bremsmodus und Schubbetrieb erleichtert, den Betrieb im rein elektrischen Fahrmodus erleichtert und Fahren mit Gaspedal in Nullstellung verbessert. Dies erleichtert auch das Starten der Motors 10 ohne Drehen der Pumpe 56 des Drehmomentwandlers 50. In einer Ausführungsform (wie dargestellt) ist die Ausrückkupplung 20 ist konfiguriert zum Koppeln des Schwungrades 14 an die Pumpe 56 des Drehmomentwandlers 50, wenn diese aktiviert ist. Alternativ (nicht dargestellt) kann die Ausrückkupplung 20 konfiguriert sein zum Koppeln zwischen der Pumpe 56 und einer Pumpennabe 57 vor einem zweiten Drehelement 46 einer außeraxialen mechanischen Verbindung 40, wenn diese aktiviert ist.
Der Motor 10 ist bevorzugt ein mehrzylindriger Verbrennungsmotor, der Kraftstoff über einen thermodynamischen Verbrennungsprozess in mechanisches Drehmoment umwandelt. Der Motor 10 ist mit einer Vielzahl an Stellantrieben und Sensorvorrichtungen zum Überwachen des Betriebs und dem Bereitstellen von Kraftstoff ausgestattet, um im Zylinder Verbrennungsladungen zu bilden, die eine Expansionskraft auf die Kolben erzeugen, die auf eine Kurbelwelle 12 übertragen wird zum Erzeugen eines Drehmoments. Der Motor 10 beinhaltet vorzugsweise einen Starter 22, der einen Anlassschalter und ein Anlassergetriebe 24 beinhaltet, worin das Anlassergetriebe 24 ineinandergreifend in Zahnradzähne auf einem äußeren Umfang des Schwungrades 14 eingreift, das in einer Ausführungsform an die Kurbelwelle 12 gekoppelt ist. Der Starter 22 ist vorzugsweise konfiguriert als eine einphasige Elektromaschine mit einer Abtriebswelle, die an das Anlassergetriebe 24 gekoppelt ist, worin der einphasige Elektromotor elektrisch mit der Niederspannungsbatterie 78 über Aktivieren des Startschalters verbunden ist. Alternativ kann der Anlasser 22 als ein bürstenloser Elektromotor ausgeführt sein, der elektrisch mit einer Ader eines Hochspannungsbusses verbunden ist. In einer Ausführungsform ist das Anlassergetriebe 24 fest mit dem Schwungrad 14 ineinandergreifend verbunden. Das Schwungrad 14 koppelt auch über die Ausrückkupplung 20 zum Pumpenabschnitt 56 des Drehmomentwandlers 50 in einer Ausführungsform. In einer Ausführungsform ist die Ausrückkupplung 20 eine wählbare mechanische Diode wie eine Einwegkupplung oder eine wählbare Einwegkupplung. In einer Ausführungsform ist der Anlasser 22 weggelassen und die Anfahrfunktion wird durch der Elektromotor 30 bereitgestellt. Die Stellantriebe des Motors 10 einschließlich des Startschalters des Starters 22 erfolgt vorzugsweise mittels einer Motorsteuerung.
Die außeraxiale mechanische Verbindung 40 beinhaltet vorzugsweise ein erstes Drehelement 42, das drehbar mit einem zweiten Drehelement 46 gekoppelt ist, worin das erste drehende Element 42 mit des Elektromotors 30 und das zweite drehende Element 46 mit dem Pumpenabschnitt 56 des Drehmomentwandlers 50 gekoppelt ist. Das erste Drehelement 42 ist drehbar mit dem zweiten Drehelement 46 über eine Ketten- und Kettenradkonfiguration, eine ineinandergreifende Zahnradsatzkonfiguration, eine Riemen- und Riemenscheibenanordnung oder andere geeignete mechanische Konfiguration gekoppelt. Das Übersetzungsverhältnis oder Drehzahlverhältnis zwischen den ersten und zweiten rotierenden Elementen 42, 46 kann jedes beliebige geeignete Verhältnis einschließlich entweder eines Untersetzungs- oder eines Übersetzungsverhältnisses abhängig von den relativen Leistungsausgangskapazitäten des Elektromotors 30 und des Motors 10 und anderer Faktoren sein. Vorzugsweise befindet sich die außeraxiale mechanische Verbindung 40 jeweils innerhalb erster und zweiter Gehäuseteile 52, 54 des Getriebesatzes 60, was erlaubt, dass ein Teil davon in Schmierfluid eingetaucht ist (nicht dargestellt). Ausführungsformen der außeraxialen mechanischen Verbindung 40 sind dargestellt mit Bezug auf 2 und 3-1 und 3-2.
Der Motor 10 ist bevorzugt mit einer geeigneten Hardware mechanisiert und das ECM beinhaltet bevorzugt geeignete ausführbare Steuerroutinen zum Ausführen von Autostart- und Autostoppfunktionen, Kraftstoffversorgungs- und -abschaltungsfunktionen (FCO) und Zylinderabschaltungsfunktionen (aller oder einzelner Zylinder) während des laufenden Betriebs des Antriebsstrangsystems 100. Es wird angenommen, dass sich der Motor 10 in einem AUS-Zustand befindet, wenn er sich nicht dreht. Der Motor 10 befindet sich in einem EIN-Zustand, wenn er sich dreht. Der Alle-Zylinder-Zustand beinhaltet einen Motorbetrieb, worin alle Motorzylinder mit Kraftstoff versorgt sind, zünden und aktiviert sind. Der Zylinderdeaktivierungszustand beinhaltet einen Motorbetrieb, worin eine oder eine Vielzahl an Motorzylindern durch Zustände, in denen kein Kraftstoff zugeführt wird und kein Zünden stattfindet und der bevorzugt mit Motorauslassventilen in offenen Zuständen betrieben wird, um die Pumpverluste zu minimieren, während die übrigen Zylinder mit Kraftstoff versorgt werden, zünden und so Drehmoment erzeugen. Der EIN-Zustand kann den FCO-Zustand beinhalten, in dem sich der Motor 10 dreht und kein Kraftstoff fließt. Der EIN-Zustand kann den Zylinderdeaktivierungszustand beinhalten. Der EIN-Zustand kann den FCO-Zustand in Kombination mit dem Zylinderdeaktivierungszustand beinhalten. Motormechanisierungen und Steuerroutinen zum Durchführen von Autostart-, Autostopp-, FCO- und Zylinderabschaltungsroutinen sind bekannt und werden hier nicht beschrieben. Der Motorbetrieb kann im Sinne mehrerer Motorzustände einschließlich des Motorbetriebszustands, eines Motorbetankungszustands und eines Motorzylinderzustands beschrieben werden. Die Motorbetriebszustände beinhalten bevorzugt den EIN- und dem AUS-Zustand. Die Motor-Kraftstoffversorgungszustände beinhalten den Kraftstoffversorgungszustand und den FCO-Zustand. Die Motorzylinderzustände beinhalten den Alle-Zylinder- oder den Zylinderdeaktivierungszustand.
Die elektrische Maschine 30 ist vorzugsweise ein mehrphasiger Elektromotor/Generator, der konfiguriert ist zum Umwandeln elektrischer Energie in mechanische Leistung und zum Umwandeln von mechanischer Leistung in elektrische Energie, die in der Gleichstromquelle 70 gespeichert werden kann. Die Gleichstromquelle 70 kann in einer Ausführungsform konfiguriert sein bei einer 48 Volt-Nenn-Gleichspannung. Alternativ kann die Gleichstromquelle 70 konfiguriert sein bei einer 300 Volt-Nenn-Gleichspannungshöhe oder einer anderen geeigneten Spannungshöhe, die ausgewählt werden kann. Die elektrische Maschine 30 beinhaltet bevorzugt einen Rotor 32 und einen Stator 34 und ist über ein Wechselrichtermodul 38 mit der Gleichspannungsquelle 70 elektrisch verbunden. Der Rotor 32 koppelt an dem ersten Drehelement 42 der außeraxialen mechanischen Verbindung 40. Alternativ kann eine andere nicht durch Verbrennung betriebene Drehmomentmaschine wie eine pneumatisch angetriebene Vorrichtung oder eine hydraulisch angetriebene Vorrichtung anstelle des Elektromotors 30 verwendet werden. Definitionsgemäß ist eine nicht durch Verbrennung betriebene Drehmomentmaschine jede Vorrichtung, die in der Lage ist, Drehmoment zu erzeugen, indem eine potenzielle Energiequelle ohne Verbrennung der potenziellen Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Nicht einschränkende Beispiele für die potenzielle Energiequelle können elektrische Energie, pneumatische Energie und hydraulische Energie beinhalten. Pneumatisch betriebene Vorrichtungen und hydraulisch betriebene Vorrichtungen sind bekannt und werden hierin nicht im Detail beschrieben.
Der Drehmomentwandler 50 ist eine drehbare Drehmomentkupplungsvorrichtung, die zwischen einem Antriebselement des Motors 10 und einem Antriebselement 64 des Getriebes 62 angeordnet ist. Der Drehmomentwandler 50 beinhaltet vorzugsweise eine Pumpe 56, die drehbar an die Kurbelwelle 12 gekoppelt ist, ein Statorelement (nicht abgebildet), eine Turbine 58, die drehbar an das Antriebselement 64 an das Getriebe 62 gekoppelt ist, und eine steuerbare Kupplung (nicht dargestellt). Die Pumpe 56 beinhaltet eine Pumpennabe 57, die ein zweites Drehelement 46 der außeraxialen mechanischen Verbindung 40 beinhaltet. Der Drehmomentwandler 50 wird betrieben, um Fluid-Drehmoment-Kopplung zwischen der Pumpe 56 und dem Flügelrad 58 bereitzustellen, wenn die Kupplung deaktiviert oder freigegeben ist, und stellt mechanische Drehmomentkopplung zwischen der Pumpe 56 und dem Flügelrad 58 bereit, wenn die Kupplung aktiviert wird. Der Fachmann versteht Einzelheiten im Zusammenhang mit der Gestaltung und dem Betrieb des Drehmomentwandlers 50.
Das Getriebe 62 kann in einer Ausführungsform als Stufengetriebe mit einem oder mehreren Differenzialgetriebesätzen und aktivierbaren Kupplungen ausgelegt sein, um über einen aus einer Vielzahl von festen Gängen innerhalb eines Bereiches von Drehzahlverhältnissen zwischen dem Motor 10, dem Antriebselement 64 und dem Abtriebselement 66 Drehmoment zu übertragen. Eine Hydraulikpumpe 68 ist konfiguriert zum Liefern von druckbeaufschlagter Hydraulikflüssigkeit an das Getriebe 62 und ist drehbar an die Pumpennabe 57 gekoppelt. Alternativ kann das Getriebe 62 als ein Handschaltgetriebe, ein stufenloses Getriebe oder eine CVT-Vorrichtung, ein Doppelkupplungsgetriebe oder eine DCT-Vorrichtung oder eine andere geeignete Anordnung konfiguriert sein. Wenn das Getriebe 62 als Schaltgetriebe ausgebildet ist, kann das zweite Drehelement 46 der außeraxialen mechanischen Verbindung 40 direkt an das Schwungrad 14 außerhalb des Gehäuses 50, vorzugsweise ohne einen intervenierenden Drehmomentwandler (nicht dargestellt) gekoppelt sein. Bei einer solchen Ausführungsform beinhaltet das Schaltgetriebe eine Benutzerkupplung und ein Antriebselement. Das erste Element 42 der außeraxialen mechanischen Verbindung 40 ist mit dem Schwungrad 14 verbunden und ist mit dem Antriebselement des Schaltgetriebes über die Benutzerkupplung verbunden, wenn diese betätigt wird. Das zweite Element 46 der außeraxialen mechanischen Verbindung ist mit dem Rotor 32 des Elektromotors 30 (nicht dargestellt) gekoppelt.
Das Getriebe 62 kann einen ersten Drehzahlsensor in Form eines Hallsensors oder eines anderen geeigneten Sensors beinhalten, der konfiguriert sein kann, um die Drehzahl des Antriebselements 64 zu überwachen und/oder einen zweiten Drehzahlsensor, der konfiguriert sein kann, um die Drehzahl des Abtriebselements 66 zu überwachen. Das Getriebe 62 beinhaltet jede beliebige geeignete Konfiguration und kann als ein Automatikgetriebe konfiguriert sein, das automatisch zwischen den unterschiedlichen Stufengetriebezuständen schaltet, um in einem Getriebeübersetzungsverhältnis zu arbeiten, das eine bevorzugte Übereinstimmung zwischen einer Abtriebsdrehmomentanfrage und einem Motorbetriebspunkt erreicht. Das Getriebe 62 führt automatisch Hochschaltungen aus, um in einen Übersetzungszustand zu schalten, der über ein niedrigeres numerisches Multiplikationsverhältnis (Getriebeübersetzungsverhältnis) verfügt, und es führt Herunterschaltungen aus, um in einen Gangzustand zu schalten, der über ein höheres nummerisches Multiplikationsverhältnis verfügt. Das Getriebe 62 kann anhand eines steuerbaren hydraulischen Kreislaufs gesteuert werden, der mit einer Getriebesteuerung, die in die Steuerung 15 integriert oder getrennt davon sein kann, kommuniziert. Die Getriebesteuerung steuert vorzugsweise die Drehmomentwandlerkupplung. Das Getriebe 62 führt Hochschaltungen aus, um in einen festen Gang zu schalten, der über ein niedrigeres numerisches Multiplikationsverhältnis (Getriebeübersetzungsverhältnis) verfügt und führt Herunterschaltungen aus, um in einen festen Gang zu schalten, der über ein höheres numerisches Multiplikationsverhältnis verfügt. Ein Hochschalten des Getriebes kann eine Verringerung der Motordrehzahl erfordern, damit die Motordrehzahl bei einem mit einem Soll-Getriebezustand in Verbindung stehenden Getriebeübersetzungsverhältnis mit der mit dem Getriebeübersetzungsverhältnis multiplizierten Getriebeausgangsdrehzahl übereinstimmt. Ein Herunterschalten des Getriebes kann eine Erhöhung der Motordrehzahl erfordern, damit die Motordrehzahl bei einem mit dem Soll-Getriebezustand in Verbindung stehenden Getriebeübersetzungsverhältnis mit der mit dem Getriebeübersetzungsverhältnis multiplizierten Getriebeausgangsdrehzahl übereinstimmt. Die Auslegungen von Getrieben und Getriebeschaltungen sind bekannt und werden hierin nicht in Einzelheiten beschrieben. Der Getriebebetrieb kann im Sinne einer Steuervariablen, die an das Getriebe 62 übermittelt werden kann, und mit einem ausgewählten festen Gangzustand in Verbindung steht, beschrieben werden. Das Abtriebsglied 66 des Getriebes 62 ist drehbar mit einem Antriebselement des Hauptradsatzes 92 entweder direkt oder über ein Kettengetriebe, einen maschenförmigen Zahnradsatz oder eine andere geeignete Drehmomentübertragungskonfiguration gekoppelt.
Der Antriebsstrang 90 ist angeordnet zum Übertragen von Antriebsleistung zwischen dem Getriebe 62 und dem Fahrzeugrad 96 über ein Antriebswellenelement 94, das mit dem Differentialzahnradsatz 92 gekoppelt ist. Der Antriebsstrang 90 kann in entweder einer Frontantriebskonfiguration, einer Hinterradantriebskonfiguration (wie dargestellt) oder Allradantriebskonfiguration angeordnet sein. Der Antriebsstrang 90 ist konfiguriert zum Übertragen von Traktionsleistung zwischen dem Abtriebselement 66 des Getriebes 62, dem Elektromotor 30 und einer Straßenoberfläche über das Rad 96. Das Antriebssystem 90 ist veranschaulichend und die hier beschriebenen Konzepte sind auf andere Antriebssysteme anwendbar, die ähnlich konfiguriert sind.
Das Wechselrichtermodul 38 ist bevorzugt mit einer MGU-Steuerung und geeigneten Steuerschaltungen konfiguriert, zu denen unter anderem Leistungstransistoren, wie z. B. IGBTs zum Umwandeln elektrischer Hochspannungsgleichstromenergie in elektrische Hochspannungswechselstromenergie und zum Umwandeln elektrischer Hochspannungswechselstromenergie in elektrische Hochspannungsgleichstromenergie gehören. Das Wechselrichtermodul 38 verwendet vorzugsweise eine Impulsbreitenmodulations(PWM)-Steuerung der IGBTs, um gespeicherte elektrische Gleichstromenergie, die aus der Gleichstromquelle 70 stammt, in elektrische Wechselstromenergie umzuwandeln, um den Elektromotor 30 anzutreiben, um ein Drehmoment zu erzeugen. Auf ähnliche Weise wandelt das Wechselrichtermodul 38 mechanische Leistung, die auf den Elektromotor 30 übertragen worden ist, in elektrische Gleichstromenergie um zum Erzeugen elektrischer Energie, die unter anderem als Teil einer regenerativen Bremsensteuerungsstrategie in einer Gleichstromquelle 70 speicherbar ist. Die MGU-Steuerung des Wechselrichtermoduls 38 erhält Motorsteuerbefehle von der Steuerung 15 und steuert Wechselrichterzustände zum Bereitstellen eines gewünschten Motorantriebsbetriebs oder einer regenerativen Bremsfunktionalität. In einer Ausführungsform stellt ein Gleichstrom-/Gleichstromwandler 76 eine elektrische Verbindung über einen Hochspannungsbus zur Gleichstromquelle 70 her und stellt einer Niederspannungsbatterie 78 elektrischen Strom über einen Niederspannungsbus bereit. Derartige elektrische Stromanschlüsse sind bekannt und werden nicht näher erläutert. Die Niederspannungsbatterie 78 stellt elektrischen Niedervoltstrom an Niederspannungssysteme am Antriebsstrangsystem 100 und Fahrzeug einschließlich z. B. des Starters 22, elektrischen Fenstern, HVAC-Lüftern, Sitzen und anderen Vorrichtungen bereit. In einer Ausführungsform ist die Niederspannungsbatterie 78 konfiguriert zum Betreiben bei einem 12 V-Nenn-Gleichspannungsniveau.
Die Gleichstromquelle 70 ist vorzugsweise angeordnet zum Liefern von elektrischer Leistung mit einem beliebigen geeigneten Spannungswert und kann jede beliebige Gleichstromquelle sein, beispielsweise eine mehrzellige Lithium-Ionen-Vorrichtung, ein Ultrakondensator oder eine andere geeignete Vorrichtung ohne Einschränkung. Überwachte Parameter, die mit der Gleichstromquelle 70 in Bezug stehen, beinhalten bevorzugt einen Ladezustand (SOC), eine Temperatur und sonstige Größen. In einer Ausführungsform kann die Gleichstromquelle 70 zum Laden elektrisch über ein fahrzeugeigenes Batterieladegerät mit einer entfernten, sich außerhalb des Fahrzeugs befindlichen elektrischen Energiequelle zum Laden verbunden sein, während das Fahrzeug steht.
Die Steuerung 15 kann bemerkenswert an eine Bedienoberfläche (nicht dargestellt) verbunden sein und arbeitet zum hierarchischen Steuern einer Vielzahl von Steuergeräten zum Bewirken betrieblicher Steuerung von einzelnen Elementen des Antriebsstrangsystems 100 einschließlich beispielsweise dem Wechselrichtermodul 38, der Motorsteuerung und der Getriebesteuerungsteuerung. Die Steuerung 15 kommuniziert mit jedem der Wechselrichtermodule 38, der Motorsteuerung und der Getriebesteuerung entweder direkt oder über einen Kommunikationsbus 16 zum Überwachen des Betriebs und zum Steuern der Betriebsabläufe derselben. Die Begriffe Steuerung, Steuermodul, Modul, Steuern, Steuereinheit, Prozessor und Ähnliches beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis(e) (ASIC), elektronische(r) Schaltkreis(e), Zentraleinheit(en) wie z. B. Mikroprozessor(en) und diesen zugeordnete nicht-flüchtige Speicherkomponenten in Form von Speicher- und Speichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriff, Festplatte usw.). Die nicht-flüchtige Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in der Form einer oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingabe-/Ausgabeschaltung(en) und -geräten, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Zu den Ein- und Ausgabegeräten und Schaltungen gehören Analog-/Digitalwandler und ähnliche Geräte, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder in Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Befehle, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf sämtliche von einer Steuereinheit ausführbaren Befehlssätze, wie z. B. Kalibrierungen und Wertetabellen. Jede Steuerung führt für die gewünschten Funktionen ein Steuerprogramm(e) aus, einschließlich die Überwachung der Eingaben von Sensorvorrichtungen und anderen vernetzten Steuerungen und die Ausführung von Steuer- und Diagnoseprogrammen zum Steuern der Betätigung von Stellgliedern. Routinen können in regelmäßigen Abständen oder als Reaktion auf das Eintreten eines auslösenden Ereignisses ausgeführt werden. Kommunikation zwischen Steuereinheiten sowie zwischen Steuereinheiten, Stellantrieben und/oder Sensoren kann über Direktverkabelung, busgestützte Netzwerkkommunikation, drahtlose Verbindungen, ein serielles Peripherie-Interface (SPI) oder jede andere geeignete Kommunikationsverbindung bewerkstelligt werden. Kommunikationsinhalte beinhalten das Austauschen von Datensignalen auf jede beliebige geeignete Art. Hierzu zählen unter anderem z. B. auch elektrische Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetische Signale über die Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Datensignale können unter anderem Signale beinhalten, die Eingaben von Sensoren repräsentieren, Signale, die Stellgliedbefehle und Kommunikationssignale zwischen Steuereinheiten repräsentieren.
Ein Fahrzeugbetrieb, der auf die Anforderungen des Bedieners reagiert, beinhaltet Betriebsarten, denen Beschleunigungs-, Brems-, Beharrungs-, Schubbetriebs- und Leerlaufzustände zugeordnet sind. Der Beschleunigungsmodus beinhaltet eine Bedieneranforderung zum Erhöhen der Motordrehzahl des Fahrzeugs. Der Bremsmodus beinhaltet eine Bedieneranforderung zum Verringern der Motordrehzahl des Fahrzeugs. Der Beharrungszustand beinhaltet einen Fahrzeugbetrieb, worin das Fahrzeug sich gegenwärtig mit einer Motordrehzahlrate bewegt, die weder eine Bedieneranforderung für das Bremsen noch für das Beschleunigen erfordert, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit auf der Grundlage der gegenwärtigen Fahrzeuggeschwindigkeit sowie der Fahrzeugeigendynamik, dem Windwiderstand des Fahrzeugs, dem Rollwiderstand und der Trägheitskraft des Antriebsstrangs ermittelt wird. Der Schubbetriebsmodus beinhaltet einen Fahrzeugbetrieb, worin die Fahrzeuggeschwindigkeit sich oberhalb des minimalen Schwellenwerts befindet und die Bedieneranforderung an das Fahrpedal sich an einem Punkt befindet, der geringer als angefordert, um die gegenwärtige Fahrzeuggeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, ist. Der Leerlaufmodus beinhaltet Fahrzeugbetrieb, worin sich die Fahrzeuggeschwindigkeit bei oder nahe bei null bewegt.
Das Antriebsstrangsystem 100 ist wirksam in einem von einer Vielzahl von Betriebsmodi, der ausgewählt und ausgestaltet werden kann während des fortlaufenden Betriebs des Antriebsstrangs zum Erzielen von Fahrzeugmanövern wie Beschleunigungen, Bremsen, konstantes Fahren, Rollen und Leerlauf. Die Antriebsstrangmodi beinhalten den Nur-Verbrennungsmotor-Fahrmodus, einen Nur-Elektromotor-Fahrmodus und einen Verbrennungsmotor/Elektromotor-assistierten Fahrmodus mit begleitenden Motor-Autostart-/Autostopp-Betriebsabläufen. Im Nur-Motor-Fahrmodus wird der Motor 10 gesteuert zum Erzeugen von Antriebskraft, während der Elektromotor 30 freiläuft. Dieser Betriebszustand kann während Fahrzeugbeschleunigung oder stationärem Betrieb befohlen werden oder wenn SOC der Gleichspannungs-Leistungsversorgung 70 größer ist als ein maximaler Pegel. Im Nur-Elektrischen-Fahrmodus wird der Elektromotor 30 gesteuert als ein Motor zum Erzeugen von Antriebskraft, während der Motor 10 sich im AUS-Zustand befindet und durch die Betätigung der Ausrückkupplung 20. Dieser Betriebszustand kann befohlen werden bei Leerlauf, Fahrzeugbeschleunigung oder konstantem Fahren. Im regenerativen Modus wird der Elektromotor 30 gesteuert als ein Generator zum Reagieren auf Antriebsstrangdrehmoment und zum Erzeugen von elektrischer Energie, während sich der Motor 10 entweder im Leerlauf oder im AUS-Zustand befindet durch Betätigen der Ausrückkupplung 20. Dieser Betriebszustand kann befohlen werden während Rollens und Fahrzeugbremsens. Im der Motor-/Elektro-assistierten Fahrmodus werden der Motor 10 und der Elektromotor 30 gesteuert zum Erzeugen von Antriebskraft. Dieser Betriebszustand kann bei Fahrzeugbeschleunigung oder Konstantfahren befohlen werden.
2 veranschaulicht schematisch einen aufgeschnittenen Teil des Getriebesatzes 60, der mechanisch über die außeraxiale mechanische Verbindung 40 an die Elektromaschine 30 gekoppelt ist. Veranschaulichte Elemente des Elektromotors 30 beinhalten den Rotor 32, den Stator 34 und das Gehäuse 36. Veranschaulichte Elemente des Getriebesatzes 60 beinhalten den Drehmomentwandler 50, der innerhalb des ersten Gehäuseteils 52 angeordnet ist, die außeraxiale mechanische Verbindung 40 und das Getriebe 62, das innerhalb des zweiten Gehäuseteils 54 angeordnet ist. Veranschaulichte Elemente des Drehmomentwandlers 50 beinhalten die Pumpe 56, Pumpennabe 57 und Turbine 58. Veranschaulichte Elemente der außeraxialen mechanischen Verbindung 40 beinhalten das erste Drehelement 42 und das zweite Drehelement 46, worin das erste Drehelement 42 mit dem Rotor 32 des Elektromotors 30 und das zweite Drehelement 46 mit der Pumpennabe 57 des Drehmomentwandlers 50 gekoppelt ist. Schnittdraufsichten 3-1 und 3-2 werden angezeigt.
Die Schnittdraufsicht 3-1 des Getriebesatzes 60 der 2 ist eine erste Ausführungsform der außeraxialen mechanischen Verbindung 40. Diese Ausführungsform der außeraxialen mechanischen Verbindung 40 ist vorzugsweise in Form einer Ketten- und Kettenradverbindung ausgeführt. In dieser Ausführungsform ist das erste Drehelement 42 ein Zahnrad, das mit dem Rotor 32 des Elektromotors 30 gekoppelt ist und das zweite Drehelement 46 ist ein Zahnrad, das mit der Pumpennabe 57 des Drehmomentwandlers 50 gekoppelt ist. Eine ununterbrochene Kette 44 ist angeordnet zum Koppeln der Drehung der ersten und zweiten rotierenden Elemente 42, 46. Geeignete Straffer, Leerlaufräder und dergleichen kann auch darin angeordnet sein. Die ersten und zweiten rotierenden Elemente 42, 46 können gestaltet sein und ein geeignetes Übersetzungsverhältnis aufweisen, dass eine Kopplung erlaubt, die ausgewählt werden kann basierend auf Drehmoment, Drehzahl und Leistungsfähigkeiten des Motors 10 und des Elektromotors 30. Alternativ können die ersten und zweiten rotierenden Elemente 42, 46 zwei Riemenscheiben mit geeigneten Durchmessern beinhalten, um ein ausgewählte Übersetzungsverhältnis zu erzielen und die durchgehende Kette 44 kann in Form eines kontinuierlichen flexiblen Riemens vorliegen.
Die Schnittdraufsicht 3-2 des Getriebesatzes 60 der 2 ist eine zweite Ausführungsform der außeraxialen mechanischen Verbindung 40. Diese Ausführungsform der außeraxialen mechanischen Verbindung 40 ist vorzugsweise als eine Stirnradsatz-Verbindung mit einer Vielzahl von ineinandergreifenden Zahnradelementen ausgeführt. In dieser Ausführungsform kann das erste Drehelement 42 ein Stirnrad sein, das mit dem Rotor 32 des Elektromotors 30 gekoppelt ist und das zweite Drehelement 46 kann ein Stirnrad sein, der mit der Pumpennabe 57 des Drehmomentwandlers 50 gekoppelt ist. Erste und zweite zwischenliegende Stirnräder 47, 48 sind jeweils zwischen den ersten und zweiten rotierenden Elementen 42, 46 angeordnet und damit im Dauereingriff ineinandergreifend. Die ersten und zweiten rotierenden Elemente 42, 46 und die ersten und zweiten zwischenliegenden Stirnräder 47, 48 können ausgebildet sein und ein geeignetes Endübersetzungsverhältnis aufweisen, das eine mechanische Kopplung erlaubt, die auf Drehmoment, Drehzahl und Leistungsfähigkeiten des Motors 10 und des Elektromotors 30 basieren.
Die hier beschriebene Anordnung verbessert das Fahrverhalten des Fahrzeugs unter Ausnutzen des Drehmomentwandlers 50. Die hier beschriebene Anordnung stellt eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Elektromotor 30 und dem Getriebesatz 60 her. Der Elektromotor 30 dreht mit einer Geschwindigkeit, die durch die Motordrehzahl bestimmt wird, was dem Elektromotor 30 erlaubt, als Generator zu arbeiten und die Notwendigkeit für eine separate Komponente zum Bereitstellen der Funktionen des elektrischen Generators in einer Ausführungsform beseitigt. Der Elektromotor 30 dreht die Hydraulikpumpe 68, die konfiguriert ist, druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit an das Getriebe 62 zu liefern, wodurch die Notwendigkeit für eine zusätzliche Hydraulikpumpe beseitigt wird und die Notwendigkeit für einen zugehörigen Elektromotor in einer Ausführungsform beseitigt.
Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während ein paar der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.

Claims

Getriebesatz für ein Antriebsstrangsystem, worin der Getriebesatz angeordnet ist zum Übertragen von mechanischer Kraft zwischen einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor und einem Antriebssystem, der Getriebesatz umfassend: ein Schwungrad, einen Drehmomentwandler, eine außeraxiale mechanische Verbindung und ein Getriebe; worin: die außeraxiale mechanische Verbindung innerhalb eines Gehäuses des Getriebesatzes angeordnet ist und ein erstes Element drehbar gekoppelt mit einem zweiten Element beinhaltet; der Drehmomentwandler eine Pumpe, eine Turbine und eine Pumpennabe beinhaltet, das Schwungrad mit einer Kurbelwelle des Motors und mit der Pumpe des Drehmomentwandlers verbunden ist, das Getriebe ein Antriebselement beinhaltet, die Pumpennabe mit dem ersten Element der außeraxialen mechanischen Verbindung gekoppelt ist, das zweite Element der außeraxialen mechanischen Verbindung mit einem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist, und die Turbine des Drehmomentwandlers mit dem Antriebselement des Getriebes gekoppelt ist.
Getriebesatz nach Anspruch 1, worin die außeraxiale mechanische Verbindung einen Stirnradsatz beinhaltet, worin das erste Element ein erstes Stirnrad und das zweite Element ein zweites Stirnrad umfasst und worin die ersten und zweiten Stirnräder drehbar ineinandergreifend gekoppelt sind über eingreifende Zwischenstirnräder.
Getriebesatz nach Anspruch 1, worin die außeraxiale mechanische Verbindung eine Kette und einen Kettenrad-Zahnradsatz beinhaltet, worin das erste Element ein erstes Zahnrad und das zweite Element ein zweites Zahnrad umfasst und worin die ersten und zweiten Zahnräder drehbar über eine Kette verbunden sind.
Getriebesatz nach Anspruch 1, worin die außeraxiale mechanische Verbindung einen Riemen und eine Riemenscheibenanordnung beinhaltet, worin das erste Element eine erste Riemenscheibenanordnung und das zweite Element eine zweite Riemenscheibenanordnung umfasst und worin die erste und die zweite Riemenscheibenanordnung drehbar über einen Riemen verbunden sind.
Getriebesatz nach Anspruch 1, worin ein Teil der außeraxialen mechanischen Verbindung in Schmierfluid eingetaucht ist.
Getriebesatz nach Anspruch 1, ferner umfassend die Pumpennabe drehbar gekoppelt an eine Hydraulikpumpe, die konfiguriert ist zum Liefern von druckbeaufschlagter Hydraulikflüssigkeit an das Getriebe.
Getriebesatz nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Ausrückkupplung angeordnet zwischen dem Schwungrad und der Pumpe des Drehmomentwandlers, worin das Schwungrad mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und über Aktivieren der Ausrückkupplung mit der Pumpe des Drehmomentwandlers gekoppelt ist.
Getriebesatz nach Anspruch 7, worin die Ausrückkupplung eines einer auswählbaren mechanischen Diode oder einer Reibungskupplung umfasst.
Getriebesatz nach Anspruch 1, worin der Elektromotor angeordnet ist zum Betrieb als Generator.
Getriebesatz für ein Antriebsstrangsystem, worin der Getriebesatz angeordnet ist zum Übertragen von mechanischer Kraft zwischen einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor und einem Antriebssystem, wobei der Getriebesatz Folgendes umfasst: ein Schwungrad, eine außeraxiale mechanische Verbindung und ein Antriebselement zu einem Schaltgetriebe; worin: die außeraxiale mechanische Verbindung sich außerhalb eines Gehäuses des Getriebesatzes befindet und ein erstes Element drehbar mit einem zweiten Element gekoppelt beinhaltet, das Schwungrad mit einer Kurbelwelle des Verbrenungsmotors gekoppelt ist, das erste Element der außeraxialen mechanischen Verbindung gekoppelt ist mit dem Schwungrad und verbunden ist mit dem Antriebsglied des Schaltgetriebes, und das zweite Element der außeraxialen mechanischen Verbindung gekoppelt ist mit einem Rotor des Elektromotors.