DE102018123740A1 - Hybridgetriebe, Hybrid-Antriebsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Antriebsanordnung - Google Patents

Hybridgetriebe, Hybrid-Antriebsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Antriebsanordnung Download PDF

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Steffen Lehmann
Andreas Trinkenschuh
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe, eine Hybrid-Antriebsanordnung mit dem Hybridgetriebe und ein Verfahren zum Betreiben der Hybrid-Antriebsanordnung. Das Hybridgetriebe (3) umfasst eine Anschlusseinrichtung (4) zur Ankopplung an eine Verbrennungskraftmaschine (1), eine Trennkupplung (10), eine erste elektrische Maschine (20), eine erste Kupplungseinrichtung (30) sowie eine Abtriebseinrichtung (40) des Hybridgetriebes (3), die in Reihe miteinander verbunden sind, wobei die Anschlusseinrichtung (4) mechanisch mit der Eingangsseite (11) der Trennkupplung gekoppelt ist, die Ausgangsseite (12) der Trennkupplung (10) mit einem Rotor (22) der ersten elektrischen Maschine (20) gekoppelt ist, der Rotor (22) der ersten elektrischen Maschine (20) mit der Eingangsseite (31) der ersten Kupplungseinrichtung (30) gekoppelt ist, und die Ausgangsseite (32) der ersten Kupplungseinrichtung (30) mit der Abtriebseinrichtung (40) des Hybridgetriebes (3) gekoppelt ist.Mit dem hier vorgeschlagenen Hybridgetriebe und der erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsanordnung werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, die in kostengünstiger sowie bauraumsparender Weise eine hohe Anzahl unterschiedlicher Modi zum Betreiben der Hybrid-Antriebsanordnung gewährleisten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe, eine Hybrid-Antriebsanordnung mit dem Hybridgetriebe und ein Verfahren zum Betreiben der Hybrid-Antriebsanordnung.
  • Aus dem Stand der Technik sind Hybrid-Antriebseinheiten bekannt, welche zwei elektrische Maschinen sowie zumindest eine Kupplungseinrichtung umfassen. Dabei ist zwischen einer elektrischen Maschine und einem Ausgangselement einer Verbrennungskraftmaschine eine Kupplungseinrichtung, insbesondere eine Trennkupplung angeordnet. Eine solche Anordnung wird auch als P2-Anordnung bezeichnet. Da die Verbrennungskraftmaschine vom restlichen Antriebsstrang abgekoppelt werden kann, sind eine rein elektrische Fahrt durch die jeweils andere elektrische Maschine sowie eine Rekuperation ohne Leistungseinbußen durch das Schleppmoment der Verbrennungskraftmaschine realisierbar. Dabei sind unterschiedliche Kupplungseinrichtungen wie z.B. Doppelkupplungsvorrichtungen realisierbar.
    Bekannte Hybrid-Antriebssysteme umfassen zwei elektrische Maschinen sowie ein Getriebe, wobei zwischen einer der elektrischen Maschinen und dem Getriebe eine Kupplungseinrichtung angeordnet ist, um diese elektrische Maschine einzukuppeln oder abzukuppeln. Das Getriebe ist in einer solchen Ausführung oftmals ein Automatikgetriebe bzw. Doppelkupplungsgetriebe. Die Wahl des Getriebes kann auch von der Auslegung der elektrischen Maschine abhängig sein. So ist es beispielsweise bei entsprechend hoher Leistung einer für den Antrieb des Kraftfahrzeugs eingerichteten elektrischen Maschine, welche somit in einen großen Drehzahlbereich betrieben werden kann, nicht zwingend notwendig, dass das Getriebe mehrere Übersetzungsstufen ausbildet.
    Bekannt sind weiterhin Antriebsanordnungen, welche zwei elektrische Maschinen, eine Getriebeeinheit, eine Trennkupplung sowie weitere Kupplungseinrichtungen und eine Verbrennungskraftmaschine umfassen, um verschiedenste Fahr-Modi für ein Kraftfahrzeug zu realisieren. Die beiden elektrischen Maschinen sind für unterschiedliche Leistungen ausgelegt. Die elektrische Maschine mit höherer Leistung wird als Antriebseinheit genutzt. Die elektrische Maschine mit geringerer Leistung weist ein vernachlässigbares Schleppmoment auf und wird dementsprechend bevorzugt für die Rekuperation von elektrischer Energie genutzt.
    Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik auch sogenannte leistungsverzweigte Hybride bekannt.
    Insbesondere für Anforderungen erhöhter Sportlichkeit des anzutreibenden Fahrzeugs oder auch erhöhter Geländegängigkeit kann es notwendig sein, mehrere Achsen des Kraftfahrzeugs anzutreiben.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Hybridgetriebe, eine Hybrid-Antriebsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Antriebsanordnung zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher, kostengünstiger und bauraumsparender Weise unterschiedlichste Betriebs- bzw. Fahrzustände von mit dem Hybridgetriebe bzw. der Hybrid-Antriebsanordnung ausgerüsteten Kraftfahrzeugen realisiert werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Hybridgetriebe nach Anspruch 1, durch die erfindungsgemäße Hybrid-Antriebsanordnung nach Anspruch 7 und durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Antriebsanordnung nach Anspruch 10 gelöst.
    Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Hybridgetriebes sind in den Unteransprüchen 2-6 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsanordnung sind in den Unteransprüchen 8 und 9 angegeben.
  • Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
  • Die Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Hybridgetriebe, umfassend eine Anschlusseinrichtung zum Ankoppeln an eine Verbrennungskraftmaschine, eine Trennkupplung, eine erste elektrische Maschine, eine erste Kupplungseinrichtung sowie eine Abtriebseinrichtung des Hybridgetriebes, die in Reihe miteinander verbunden sind. Die Anschlusseinrichtung ist mechanisch mit der Eingangsseite der Trennkupplung gekoppelt und die Ausgangsseite der Trennkupplung ist mit einem Rotor der ersten elektrischen Maschine gekoppelt. Der Rotor der elektrischen Maschine ist mit der Eingangsseite der ersten Kupplungseinrichtung gekoppelt und die Ausgangsseite der ersten Kupplungseinrichtung ist mit der Abtriebseinrichtung des Hybridgetriebes gekoppelt. Vorzugsweise ist in dem erfindungsgemäßen Hybridgetriebe lediglich eine elektrische Maschine angeordnet.
    An der Abtriebseinrichtung kann ein Differenzialgetriebe angeordnet sein, oder die Abtriebseinrichtung kann durch diese Abtriebseinrichtung ausgebildet sein.
  • Die Trennkupplung, die erste elektrische Maschine sowie die erste Kupplungseinrichtung definieren somit einen ersten Drehmoment-Übertragungspfad zwischen der Anschlusseinrichtung und der Abtriebseinrichtung.
  • Damit ist es möglich, die folgenden Betriebszustände zu realisieren:
    • - Laden einer Batterie im Stillstand eines mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestatteten Kraftfahrzeugs, wobei die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, die Trennkupplung geschlossen wird und die von der Verbrennungskraftmaschine angetriebene erste elektrische Maschine als Generator betrieben wird und die dadurch generierte elektrische Energie einer Batterie zwecks Speicherung zugeführt wird,
    • - serieller Betrieb, bei dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, die Trennkupplung geschlossen wird und die erste elektrische Maschine als Generator betrieben wird und die dadurch generierte elektrische Energie einer zweiten elektrischen Maschine zwecks Antrieb des Kraftfahrzeugs zugeführt wird,
    • - rein elektromotorischer Antrieb, bei dem die erste elektrische Maschine als elektromotorischer Antrieb betrieben wird und die erste Kupplungseinrichtung geschlossen wird,
    • - Rekuperationsbetrieb, bei dem die Abtriebseinrichtung des Hybridgetriebes durch die Bewegungsenergie des mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestatteten Kraftfahrzeugs angetrieben wird, die erste Kupplungseinrichtung geschlossen wird und die erste elektrische Maschine generatorisch betrieben wird, und
    • - alleiniger Antrieb durch die Verbrennungskraftmaschine, bei dem ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, wobei die Trennkupplung als auch die erste Kupplungseinrichtung geschlossen wird.
  • Es ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass an der Achse des anzutreibenden Kraftfahrzeugs, auf die das Hybridgetriebe wirkt, lediglich eine elektrische Maschine in Zusammenwirkung mit einer Verbrennungskraftmaschine in dem Hybridgetriebe betrieben wird. Dabei soll die Anordnung bzw. Verwendung einer weiteren elektrischen Maschine im Hybridgetriebe an der vom Hybridgetriebe angetriebenen Achse nicht ausgeschlossen werden, insofern diese im Vergleich zur erfindungsgemäß vorgesehenen ersten elektrischen Maschine eine wesentlich geringere Nennleistung aufweist und demzufolge keinen nennenswerten Beitrag zur Antriebsleistung eines mit dem Hybridgetriebe ausgestatteten Kraftfahrzeuges leistet.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hybridgetriebes ist vorgesehen, dass das Hybridgetriebe weiterhin eine zweite Kupplungseinrichtung aufweist, die in einem von der Trennkupplung, der ersten elektrischen Maschine sowie der ersten Kupplungseinrichtung definierten ersten Drehmoment-Übertragungspfad parallel verlaufenden zweiten Drehmoment-Übertragungspfad angeordnet ist.
  • Entsprechend ist eine Eingangsseite der zweiten Kupplungseinrichtung mit der Anschlusseinrichtung zum Anschluss an eine Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, und die Ausgangsseite der zweiten Kupplungseinrichtung ist mit der Abtriebseinrichtung des Hybridgetriebes gekoppelt.
  • Damit sind weitere Betriebszustände realisierbar, nämlich:
    • - paralleler Betrieb, bei dem ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, und die Trennkupplung sowie die erste Kupplungseinrichtung und/ oder zweite Kupplungseinrichtung geschlossen werden, so dass ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattetes Kraftfahrzeug anteilig mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, und das Kraftfahrzeug anteilig mittels der ersten elektrischen Maschine als weiterer Antriebsmotor angetrieben wird,
    • - Betrieb mit Lastpunktverschiebung, bei dem ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, und die Trennkupplung sowie die erste Kupplungseinrichtung und/ oder zweite Kupplungseinrichtung geschlossen wird und die von der Verbrennungskraftmaschine angetriebene erste elektrische Maschine als Generator betrieben wird und die dadurch generierte elektrische Energie der Batterie zwecks Speicherung zugeführt wird, und
    • - alleiniger Antrieb durch die Verbrennungskraftmaschine, bei dem ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, wobei die zweite Kupplungseinrichtung geschlossen wird.
  • Wenigstens eine der genannten Kupplungen bzw. Kupplungseinrichtungen kann dabei als Lamellenkupplung, vorzugsweise als nasslaufende Lamellenkupplung, ausgestaltet sein.
  • In weiterer Ausgestaltung ist im ersten Drehmoment-Übertragungspfad zwischen der ersten Kupplungseinrichtung und der Abtriebseinrichtung eine erste Übersetzungsstufe angeordnet, und im zweiten Drehmoment-Übertragungspfad zwischen der zweiten Kupplungseinrichtung und der Abtriebseinrichtung ist eine zweite Übersetzungsstufe angeordnet, wobei die zweite Übersetzungsstufe eine andere Übersetzung realisiert als die erste Übersetzungsstufe.
    Dadurch lassen sich in den Betriebszuständen „paralleler Betrieb“ und „Betrieb mit Lastpunktverschiebung“ unterschiedliche Drehmomente bzw. Drehzahlen an der Abtriebseinrichtung realisieren, je nach Schließung einer jeweiligen Kupplungseinrichtung und demzufolge Betätigung einer jeweiligen, mit der betreffenden Kupplungseinrichtung gekoppelten Übersetzungsstufe.
  • Vorzugsweise ist die mit der zweiten Übersetzungsstufe realisierte Übersetzung deutlich größer, mindestens 1,5 mal größer, als die von der ersten Übersetzungsstufe realisierte Übersetzung.
    Wenigstens eine der Übersetzungsstufen ist dabei vorteilhafterweise als Stirnradsatz ausgebildet. Dies ermöglicht die Ausführung des Hybridgetriebes im Wesentlichen ohne Klauen und Synchronelemente sowie dafür benötigte Aktorik.
  • Das Abtriebselement selbst kann ein Differenzialgetriebe sein. Das Differenzialgetriebe dient zum Anschluss der Antriebswellen von Rädern der mit dem Hybridgetriebe angetriebenen Achse, insbesondere der Vorderachse.
  • Weiterhin ist zwecks kompakter Gestaltung des Hybridgetriebes vorzugsweise vorgesehen, dass die beiden Kupplungseinrichtungen Teilkupplungen einer Doppelkupplungsvorrichtung sind.
  • Zur weiteren volumensparenden Ausgestaltung des Hybridgetriebes ist vorgesehen, dass wenigstens zwei der drei Kupplungen Trennkupplung, erste Kupplungseinrichtung und zweite Kupplungseinrichtung zumindest bereichsweise in axialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse des Rotors der ersten elektrischen Maschine, innerhalb eines vom Rotor der ersten elektrischen Maschine radial umschlossenen Raumes angeordnet sind.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Hybrid-Antriebsanordnung, die ein erfindungsgemäßes Hybridgetriebe aufweist, wobei das Hybridgetriebe einer ersten Achse eines anzutreibenden Kraftfahrzeug zugeordnet ist, sowie eine zweite elektrische Maschine aufweist, die einer zweiten Achse zugeordnet ist und derart mit der ersten elektrischen Maschine elektrisch leitfähig verbunden ist, dass die zweite elektrische Maschine von mittels der ersten elektrischen Maschine generierter elektrischer Energie zumindest indirekt betreibbar ist.
  • Mittels des Hybridgetriebes ist somit auf die ihm zugeordnete erste Achse Drehmoment aufbringbar.
  • Das Betreiben der zweiten elektrischen Maschine kann dadurch realisiert sein, dass die zweite elektrische Maschine unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung eines Stromspeichers, mit der ersten elektrischen Maschine verbunden ist, sodass mittels der ersten elektrischen Maschine generierte elektrische Energie in der zweiten elektrischen Maschine zwecks deren Antrieb umsetzbar ist.
    Alternativ oder hinzukommend kann auch die zweite elektrische Maschine über einen Stromspeicher, wie zum Beispiel eine Batterie eines Hybridfahrzeugs, mit der ersten elektrischen Maschine verbunden sein, so dass von der ersten elektrischen Maschine generierte elektrische Energie zunächst im Stromspeicher gespeichert werden kann und von dort der zweiten elektrischen Maschine zwecks deren Antrieb zuführbar ist.
  • Die Erfindung ist somit für eine Konfiguration mit zwei angetriebenen Fahrzeugachsen einsetzbar. Durch Möglichkeit des Antriebs der Vorderachse oder auch der Hinterachse oder beider Achsen gleichzeitig kann gewählt werden, welche Achse angetrieben wird. Demzufolge kann entsprechend die Achse betrieben werden, an der eine erhöhte Drehmoment-Anforderung besteht, wie zum Beispiel beim Gebrauch von Schneeketten.
    Trotz Hinterradantrieb bedarf es keiner Kardanwelle, sondern lediglich einer hinsichtlich ihres Bauvolumens relativ klein bemessenen elektrischen Maschine, wie zum Beispiel einer elektrischen Achse.
    Der an der Vorderachse realisierte Antrieb bedarf lediglich eines sehr kleinen Getriebes mit nur zwei Übersetzungen, um den gewünschten Drehzahl-Bereich bzw. Drehmoment-Bereich abdecken zu können, da die Verbrennungskraftmaschine sowie die erste elektrische Maschine in optimaler Weise zusammen betrieben werden können.
    Gleichzeitig ist ein kraftstoffsparender Betrieb möglich, da beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitigem Betrieb der ersten elektrischen Maschine als Generator und damit verbundener Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem insgesamt hohen Wirkungsgrad betreibbar ist.
    Dabei ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Hybridgetriebes nicht auf die Zusammenwirkung mit einer zweiten, elektromotorisch angetriebenen Achse eingeschränkt, sondern das ordnungsgemäße Hybridgetriebe kann auch in Kraftfahrzeugen ohne zweite, elektromotorisch angetriebene Achse eingesetzt werden und die diesbezüglich genannten Betriebszustände realisieren, wie zum Beispiel in einem einfachen P2-Konzept oder als so genannter Range Extender.
  • Die zweite elektrische Maschine kann dabei insbesondere als elektrische Antriebsachse, vorzugsweise an der Hinterachse eines Kraftfahrzeugs, ausgestaltet sein.
    Wenigstens eine der beiden elektrischen Maschinen kann öl- oder wassergekühlt ausgeführt sein. Eine Steuerung der Kühlungsvorgänge innerhalb des Hybridgetriebes und insbesondere der Kupplungen bzw. Kupplungseinrichtungen kann insbesondere über elektrische Pumpenaktoren realisiert sein.
    Des Weiteren kann wenigstens eine der beiden elektrischen Maschinen eine Leistungselektronik aufweisen, die in oder an einem Gehäuse des Hybridgetriebes positioniert ist.
  • In weiterer Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Hybrid-Antriebsanordnung eine Verbrennungskraftmaschine, deren Abtrieb mechanisch mit der Anschlusseinrichtung des Hybridgetriebes gekoppelt ist.
    Gegebenenfalls kann auch ein Schwingungsdämpfer zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Hybridgetriebe und demzufolge am Eingang des Hybridgetriebes angeordnet sein. Dieser Schwingungsdämpfer ist vorzugsweise ein Bogenfederdämpfer mit Fliehkraftpendel.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsanordnung in einem der Betriebszustände:
    1. i) Laden einer Batterie im Stillstand eines mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestatteten Kraftfahrzeugs:
      • Hierbei wird die Verbrennungskraftmaschine betrieben, die Trennkupplung geschlossen und die von der Verbrennungskraftmaschine angetriebene erste elektrische Maschine wird als Generator betrieben und die dadurch generierte elektrische Energie wird einer Batterie zwecks Speicherung zugeführt.
    2. ii) Serieller Betrieb:
      • Hierbei wird die Verbrennungskraftmaschine betrieben, die Trennkupplung geschlossen und die erste elektrische Maschine wird als Generator betrieben, wobei die dadurch generierte elektrische Energie der zweiten elektrischen Maschine zwecks Antrieb des Kraftfahrzeugs zugeführt wird. In dem Betriebszustand des seriellen Betriebs ist die zweite Kupplungseinrichtung geöffnet, da der Betrieb des Verbrennungsmotors lediglich zum Antrieb der generatorisch betriebenen ersten elektrischen Maschine dient, der eigentliche Antrieb des Kraftfahrzeugs jedoch mittels der zweiten elektrischen Maschine, vorzugsweise an der Hinterradachse, vorgenommen wird. Hier soll nicht ausgeschlossen sein, dass anteilig von der ersten elektrischen Maschine generierte elektrische Energie der Batterie zwecks Speicherung zugeführt wird.
    3. iii) Paralleler Betrieb:
      • Hierbei wird ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, und die Trennkupplung sowie die erste Kupplungseinrichtung und/ oder zweite Kupplungseinrichtung werden geschlossen, so dass das mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattete Kraftfahrzeug anteilig mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, und das Kraftfahrzeug anteilig mittels der ersten elektrischen Maschine als weiterer Antriebsmotor angetrieben wird. Im Betriebszustand des parallelen Betriebs wird eine der beiden Kupplungseinrichtungen geschlossen, um das Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs zu nutzen. Beim parallelen Betrieb kann durch Auswahl des jeweiligen Drehmoment-Übertragungspfades und der darin angeordneten ersten oder zweiten Übersetzungsstufe der Betrieb demnach mit Abgabe eines hohen Drehmoments und relativ geringen Drehgeschwindigkeiten, wie zum Beispiel beim Anfahren eines Kraftfahrzeugs benötigt, realisiert werden, oder mit Abgabe eines verhältnismäßig geringen Drehmoments und hohen Drehgeschwindigkeiten realisiert werden, wie zum Beispiel für eine Autobahnfahrt.
    4. iv) Betrieb mit Lastpunktverschiebung:
      • Hierbei wird ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, und die Trennkupplung sowie die erste Kupplungseinrichtung und/ oder zweite Kupplungseinrichtung wird geschlossen und die von der Verbrennungskraftmaschine angetriebene erste elektrische Maschine wird als Generator betrieben, wobei die dadurch generierte elektrische Energie der Batterie zwecks Speicherung zugeführt wird. Im Betrieb mit Lastpunktverschiebung wird wenigstens eine der beiden Kupplungseinrichtungen geschlossen, um das Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs zu nutzen. Zudem kann die Lastpunktverschiebung durch die Auswahl der Nutzung eines jeweiligen Drehmoment-Übertragungspfades mit darin integrierter Übersetzungsstufe beeinflusst werden. Die Lastpunktverschiebung ermöglicht den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitigem Antrieb der generatorisch betriebenen ersten elektrischen Maschine mit einem sehr hohen Wirkungsgrad und demzufolge sehr kraftstoff- und em issionssparend .
    5. v) Rein elektromotorischer Antrieb:
      • Hierbei wird die erste elektrische Maschine als elektromotorischer Antrieb betrieben und die erste Kupplungseinrichtung wird geschlossen. Bei dieser reinen Elektrofahrt soll nicht ausgeschlossen werden, dass zusätzlich zur ersten elektrischen Maschine auch die zweite elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dient.
    6. vi) Rekuperationsbetrieb:
      • Hierbei wird die Abtriebseinrichtung des Hybridgetriebes durch die Bewegungsenergie des mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestatteten Kraftfahrzeugs angetrieben, die erste Kupplungseinrichtung wird geschlossen und die erste elektrische Maschine wird generatorisch betrieben. Im Rekuperationsbetrieb kann die gewonnene elektrische Energie in der Batterie des Kraftfahrzeugs gespeichert werden. Des Weiteren lässt sich der Rekuperationsbetrieb auch zum Bremsen des Kraftfahrzeugs mittels des in der ersten elektrischen Maschine zu überwindenden Drehmoments einsetzen.
    7. vii) Alleiniger Antrieb durch die Verbrennungskraftmaschine:
      • Hierbei wird ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, wobei die Trennkupplung als auch die erste Kupplungseinrichtung, oder die zweite Kupplungseinrichtung geschlossen wird. Beim alleinigen Antrieb durch die Verbrennungskraftmaschine werden entweder die Trennkupplung und die erste Kupplungseinrichtung geschlossen, um das Drehmoment von der Verbrennungskraftmaschine auf die Achse des Kraftfahrzeugs zu bringen, oder aber lediglich die zweite Kupplungseinrichtung wird geschlossen, welches beim rein verbrennungsmotorischen Antrieb die bevorzugte Variante ist.
  • Bei den Betriebszuständen „paralleler Betrieb“ sowie „Betrieb mit Lastpunktverschiebung“ ist je nach Nutzung eines jeweiligen Drehmoment-Übertragungspfades über die erste Kupplungseinrichtung bzw. die zweite Kupplungseinrichtung sowie dahinter geschaltete Übersetzungsstufen das mit der erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsanordnung ausgestattete Kraftfahrzeug in unterschiedlichen Übersetzungsstufen antreibbar. So kann insbesondere die erste Übersetzungsstufe im ersten Drehmoment-Übertragungspfad zum Anfahren genutzt werden oder wenn generell ein erhöhtes Drehmoment an den angetriebenen Rädern gefordert ist.
    Für höhere Geschwindigkeiten und einen höheren Drehzahlbereich empfiehlt sich die Nutzung des zweiten Drehmoment-Übertragungspfades mit der darin integrierten zweiten Übersetzungsstufe.
  • Es folgt eine Zusammenfassung der unterschiedlichen Betriebsmodi, wobei mit i1 die erste Übersetzungsstufe bezeichnet ist und mit i2 die zweite Übersetzungsstufe bezeichnet ist.
    Betriebszustand Übersetz -ungsstufe Trennkupplung erste Kupplungseinrichtung Zweite Kupplungseinrichtung
    Laden einer Batterie im Stillstand geschlossen
    Serieller Betrieb geschlossen
    Paralleler Betrieb i1 geschlossen geschlossen
    Paralleler Betrieb i2 geschlossen geschlossen
    Betrieb mit Lastpunktverschiebung i1 geschlossen geschlossen
    Betrieb mit Lastpunktverschiebung i2 geschlossen geschlossen
    rein elektromotorischer Antrieb geschlossen
    Rekuperationsbetrieb geschlossen
    alleiniger Antrieb durch Verbrennungskraftmaschine geschlossen
  • Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
    • 1: ein erfindungsgemäßes Hybridgetriebe in schematischer Ansicht,
    • 2: ein erfindungsgemäßes Hybridgetriebe in detaillierter Ansicht, und
    • 3: eine erfindungsgemäße Hybrid-Antriebsanordnung in schematischer Ansicht.
  • Zunächst wird der Aufbau des erfindungsgemäßen Hybridgetriebes anhand der 1 und 2 erläutert.
    Das Hybridgetriebe 3 umfasst eine Anschlusseinrichtung 4 zum Anschluss an einen Schwingungsdämpfer 2, der wiederum drehfest mit dem Ausgang einer Verbrennungskraftmaschine 1 verbunden ist.

    Die Anschlusseinrichtung 4 ist drehfest über eine in 2 dargestellte erste Steckverzahnung 5 mit der Eingangsseite 11 einer Trennkupplung 10 verbunden. Die Ausgangsseite 12 der Trennkupplung 10 ist wiederum drehfest mit dem Rotor 22 einer ersten elektrischen Maschine gekoppelt, der drehbar um eine Rotationsachse 24 innerhalb des Stators 21 der ersten elektrischen Maschine gelagert ist.
    Der Rotor 22 der ersten elektrischen Maschine 20 ist des Weiteren drehfest mit der Eingangsseite 31 einer ersten Kupplungseinrichtung 30 gekoppelt. Die Ausgangsseite 32 der ersten Kupplungseinrichtung 30 ist über eine in 2 dargestellte zweite Steckverzahnung 33 mit einer ersten Übersetzungsstufe i1 gekoppelt.
    Wie 2 entnehmbar ist, ist die erste Übersetzungsstufe i1 durch ein erstes Zahnradpaar 71 aus zwei Stirnrädern ausgebildet, welches eine erste Übersetzung realisiert.
    Mit dem Ausgang der ersten Übersetzungsstufe i1 ist eine Abtriebseinrichtung 40 gekoppelt, zur Abgabe des von der Verbrennungskraftmaschine 1 bzw. der ersten elektrischen Maschine 20 generierten Drehmoments.
    Das erfindungsgemäße Hybridgetriebe 3 realisiert somit von der Anschlusseinrichtung 4 bis zur Abtriebseinrichtung 40 einen ersten Drehmoment-Übertragungspfad 50.
    Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Hybridgetriebe 3 des Weiteren eine Verzweigung 6, an die die Eingangsseite 61 einer zweiten Kupplungseinrichtung 60 angeschlossen ist. Die Ausgangsseite 62 der zweiten Kupplungseinrichtung 60 ist mit einer zweiten Übersetzungsstufe i2 verbunden, die wiederum mit der Abtriebseinrichtung 40 gekoppelt ist.
    Insbesondere 2 stellt dabei dar, dass die Ausgangsseite 62 der zweiten Kupplungseinrichtung 60 mittels einer dritten Steckverzahnung 63 mit der zweiten Übersetzungsstufe i2 drehfest gekoppelt ist.
    Somit bildet das Hybridgetriebe 3 zwischen der Anschlusseinrichtung 4 und der Abtriebseinrichtung 40 über die zweite Kupplungseinrichtung 60 und die zweite Übersetzungsstufe i2 einen zweiten Drehmoment-Übertragungspfad 70 aus.
    Wie 2 entnehmbar ist, ist die zweite Übersetzungsstufe i2 durch ein zweites Zahnradpaar 72 aus zwei Stirnrädern ausgebildet, welches eine zweite Übersetzung realisiert. Anhand der Größenverhältnisse der beiden Zahnradpaare 71, 72 ist erkennbar, dass die zweite Übersetzungsstufe i2 eine größere Übersetzung realisiert als die erste Übersetzungsstufe i1.
    Zudem ist in 2 ersichtlich, dass sowohl die Trennkupplung 10 als auch die beiden Kupplungseinrichtungen 30,60 vollständig innerhalb eines radial vom Rotor 22 der ersten elektrischen Maschine 20 radial umschlossenen Raums 23 platzsparend angeordnet sind. Dabei sind die Trennkupplung 10 und die zweite Kupplungseinrichtung 60 radial ineinander verschachtelt angeordnet.
  • Weiterhin zeigt 2, dass die Abtriebseinrichtung 40 rotationsfest mit einem dritten Zahnradpaar 73 verbunden ist, welches eine vom Hybridgetriebe 3 erzeugte Drehbewegung auf ein angeschlossenes Differenzialgetriebe 80 überträgt. Das Differenzialgetriebe 80 verteilt die Drehbewegung bzw. das anliegende Drehmoment auf die beiden Antriebswellen 101 einer ersten Achse 100, auf denen, wie in 1 dargestellt, jeweils Räder 102 eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind.
  • In 3 ist in der dargestellten erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsanordnung 200 das erfindungsgemäße Hybridgetriebe 3 mit daran angeschlossener erster Achse 100 als Vorderachse mit Antriebswellen 101 und Rädern 102 ebenfalls dargestellt.
  • Es ist ersichtlich, dass ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug bereits alleine mit dem erfindungsgemäßen Hybridgetriebe 3 antreibbar wäre.
    Die erfindungsgemäße Hybrid-Antriebsanordnung 200 sieht aber auch eine zweite Achse 210 vor, hier als Hinterachse ausgebildet, deren Antriebswellen 101 mit einer zweiten elektrischen Maschine 220 gekoppelt sind, die vorzugsweise als elektrische Antriebsachse ausgestaltet ist.
  • Der Betrieb des erfindungsgemäßen Hybridgetriebes 3 bzw. der erfindungsgemäßen Hybrid- Antriebsanordnung 200 kann in unterschiedlichen Modi erfolgen.
    Im Stillstand eines mit der Hybrid-Antriebsanordnung 200 ausgestatteten Kraftfahrzeugs wird die Verbrennungskraftmaschine 1 betrieben und Trennkupplung 10 geschlossen, sodass die erste elektrische Maschine 20 von der Verbrennungskraftmaschine 1 angetrieben wird und als Generator betrieben wird. Die dadurch generierte elektrische Energie wird vorzugsweise einer hier nicht dargestellten Batterie zwecks Speicherung zugeführt.
    Im sogenannten „seriellen Betrieb“ wird ebenfalls die Verbrennungskraftmaschine 1 betrieben, die Trennkupplung geschlossen und die erste elektrische Maschine als Generator betrieben, wobei jedoch in diesem Betriebsmodus die dadurch generierte elektrische Energie der zweiten elektrischen Maschine 200 zwecks Antrieb des Kraftfahrzeugs zugeführt wird.
    Im sogenannten „parallelen Betrieb“ wird ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung 200 ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine 1 angetrieben, wobei die Trennkupplung 10 sowie die erste Kupplungseinrichtung 30 und/ oder zweite Kupplungseinrichtung 60 geschlossen werden, so dass das Kraftfahrzeug anteilig mittels der Verbrennungskraftmaschine 1 angetrieben wird, und anteilig mittels der ersten elektrischen Maschine 20 als weiterer Antriebsmotor angetrieben wird.
    Im Betriebsmodus mit Lastpunktverschiebung wird ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung 200 ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine 1 angetrieben und die Trennkupplung 10 sowie die erste Kupplungseinrichtung 30 und/ oder zweite Kupplungseinrichtung 60 werden geschlossen, sodass die von der Verbrennungskraftmaschine 1 angetriebene erste elektrische Maschine 20 als Generator betrieben wird und die dadurch generierte elektrische Energie der Batterie zwecks Speicherung zugeführt wird.
    Beim rein elektromotorischen Antrieb wird die erste elektrische Maschine 20 als elektromotorischer Antrieb betrieben und die erste Kupplungseinrichtung 30 geschlossen.
    Im Rekuperationsbetrieb wird die Abtriebseinrichtung 40 des Hybridgetriebes 3 durch die Bewegungsenergie des mit der Hybrid-Antriebsanordnung 200 ausgestatteten Kraftfahrzeugs angetrieben, wobei die erste Kupplungseinrichtung 30 geschlossen wird und die erste elektrische Maschine 20 generatorisch betrieben wird.
    Beim alleinigen Antrieb durch die Verbrennungskraftmaschine 1 wird ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung 200 ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine 1 angetrieben, wobei die Trennkupplung 10 als auch die erste Kupplungseinrichtung 30, oder die zweite Kupplungseinrichtung 60 geschlossen wird.
  • Mit dem hier vorgeschlagenen Hybridgetriebe und der erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsanordnung werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, die in kostengünstiger sowie bauraumsparender Weise eine hohe Anzahl unterschiedlicher Modi zum Betreiben der Hybrid-Antriebsanordnung gewährleisten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungskraftmaschine
    2
    Schwingungsdämpfer
    3
    Hybridgetriebe
    4
    Anschlusseinrichtung
    5
    erste Steckverzahnung
    6
    Verzweigung
    10
    Trennkupplung
    11
    Eingangsseite der Trennkupplung
    12
    Ausgangsseite der Trennkupplung
    20
    erste elektrische Maschine
    21
    Stator
    22
    Rotor
    23
    vom Rotor radial umschlossener Raum
    24
    Rotationsachse
    30
    erste Kupplungseinrichtung
    31
    Eingangsseite der ersten Kupplungseinrichtung
    32
    Ausgangsseite der ersten Kupplungseinrichtung
    33
    zweite Steckverzahnung
    40
    Abtriebseinrichtung
    50
    erster Drehmoment-Übertragungspfad
    i1
    erste Übersetzungsstufe
    60
    zweite Kupplungseinrichtung
    61
    Eingangsseite der zweiten Kupplungseinrichtung
    62
    Ausgangsseite der zweiten Kupplungseinrichtung
    63
    dritte Steckverzahnung
    70
    zweiter Drehmoment-Übertragungspfad
    i2
    zweite Übersetzungsstufe
    71
    erstes Zahnradpaar
    72
    zweites Zahnradpaar
    73
    drittes Zahnradpaar
    80
    Differenzialgetriebe
    100
    Erste Achse
    101
    Antriebswelle
    102
    Rad
    200
    Hybrid-Antriebsanordnung
    210
    zweite Achse
    220
    zweite elektrische Maschine

Claims (10)

  1. Hybridgetriebe (3), umfassend eine Anschlusseinrichtung (4) zur Ankopplung an eine Verbrennungskraftmaschine (1), eine Trennkupplung (10), eine erste elektrische Maschine (20), eine erste Kupplungseinrichtung (30) sowie eine Abtriebseinrichtung (40) des Hybridgetriebes (3), die in Reihe miteinander verbunden sind, wobei die Anschlusseinrichtung (4) mechanisch mit der Eingangsseite (11) der Trennkupplung (10) gekoppelt ist, die Ausgangsseite (12) der Trennkupplung (10) mit einem Rotor (22) der ersten elektrischen Maschine (20) gekoppelt ist, der Rotor (22) der elektrischen Maschine (20) mit der Eingangsseite (31) der ersten Kupplungseinrichtung (30) gekoppelt ist, und die Ausgangsseite (32) der ersten Kupplungseinrichtung (30) mit der Abtriebseinrichtung (40) des Hybridgetriebes (3) gekoppelt ist.
  2. Hybridgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridgetriebe (3) weiterhin eine zweite Kupplungseinrichtung (60) aufweist, die in einem von der Trennkupplung (10), der ersten elektrischen Maschine (20) sowie der ersten Kupplungseinrichtung (30) definierten ersten Drehmoment-Übertragungspfad (50) parallel verlaufenden zweiten Drehmoment-Übertragungspfad (70) angeordnet ist.
  3. Hybridgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Drehmoment-Übertragungspfad (50) zwischen der ersten Kupplungseinrichtung (30) und der Abtriebseinrichtung (40) eine erste Übersetzungsstufe (i1) angeordnet ist, und im zweiten Drehmoment-Übertragungspfad (70) zwischen der zweiten Kupplungseinrichtung (60) und der Abtriebseinrichtung (40) eine zweite Übersetzungsstufe (i2) angeordnet ist, wobei die zweite Übersetzungsstufe (i2) eine andere Übersetzung realisiert als die erste Übersetzungsstufe (i1).
  4. Hybridgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (40) ein Differenzialgetriebe (80) ist.
  5. Hybridgetriebe nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kupplungseinrichtungen (30,60) Teilkupplungen einer Doppelkupplungsvorrichtung sind.
  6. Hybridgetriebe nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der drei Kupplungen Trennkupplung (10), erste Kupplungseinrichtung (30) und zweite Kupplungseinrichtung (60) zumindest bereichsweise in axialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse (24) des Rotors (22) der ersten elektrischen Maschine (20), innerhalb eines vom Rotor (22) der ersten elektrischen Maschine (20) radial umschlossenen Raumes (23) angeordnet sind.
  7. Hybrid-Antriebsanordnung (200), umfassend ein Hybridgetriebe (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Hybridgetriebe (3) einer ersten Achse (100) eines anzutreibenden Kraftfahrzeug zugeordnet ist, sowie eine zweite elektrische Maschine (220), die einer zweiten Achse (210) zugeordnet ist und derart mit der ersten elektrischen Maschine (20) elektrisch leitfähig verbunden ist, dass die zweite elektrische Maschine (220) von mittels der ersten elektrischen Maschine (20) generierter elektrischer Energie zumindest indirekt betreibbar ist.
  8. Hybrid-Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (220) als elektrische Antriebsachse, vorzugsweise an der Hinterachse eines Kraftfahrzeugs, ausgestaltet ist.
  9. Hybrid-Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 7 und 8, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine (1), deren Abtrieb mechanisch mit der Anschlusseinrichtung (4) des Hybridgetriebes (3) gekoppelt ist.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Antriebsanordnung (200) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 in einem der Betriebszustände: i) Laden einer Batterie im Stillstand eines mit der Hybrid-Antriebsanordnung (200) ausgestatteten Kraftfahrzeugs, wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) betrieben wird, die Trennkupplung (10) geschlossen wird und die von der Verbrennungskraftmaschine (1) angetriebene erste elektrische Maschine (20) als Generator betrieben wird und die dadurch generierte elektrische Energie einer Batterie zwecks Speicherung zugeführt wird, ii) Serieller Betrieb, bei dem die Verbrennungskraftmaschine (1) betrieben wird, die Trennkupplung (10) geschlossen wird und die erste elektrische Maschine (20) als Generator betrieben wird und die dadurch generierte elektrische Energie der zweiten elektrischen Maschine (220) zwecks Antrieb des Kraftfahrzeugs zugeführt wird, iii) Paralleler Betrieb, bei dem ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung (200) ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine (1) angetrieben wird, und die Trennkupplung (10) sowie die erste Kupplungseinrichtung (30) und/ oder zweite Kupplungseinrichtung (60) geschlossen werden, so dass das mit der Hybrid-Antriebsanordnung (200) ausgestattete Kraftfahrzeug anteilig mittels der Verbrennungskraftmaschine (1) angetrieben wird, und das Kraftfahrzeug anteilig mittels der ersten elektrischen Maschine (20) als weiterer Antriebsmotor angetrieben wird. iv) Betrieb mit Lastpunktverschiebung, bei dem ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung (200) ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine (1) angetrieben wird, und die Trennkupplung (10) sowie die erste Kupplungseinrichtung (30) und/ oder zweite Kupplungseinrichtung (60) geschlossen wird und die von der Verbrennungskraftmaschine (1) angetriebene erste elektrische Maschine (20) als Generator betrieben wird und die dadurch generierte elektrische Energie der Batterie zwecks Speicherung zugeführt wird, v) rein elektromotorischer Antrieb, bei dem die erste elektrische Maschine 20 als elektromotorischer Antrieb betrieben wird und die erste Kupplungseinrichtung 30 geschlossen wird, vi) Rekuperationsbetrieb, bei dem die Abtriebseinrichtung (40) des Hybridgetriebes (3) durch die Bewegungsenergie des mit der Hybrid-Antriebsanordnung (200) ausgestatteten Kraftfahrzeugs angetrieben wird, die erste Kupplungseinrichtung (30) geschlossen wird und die erste elektrische Maschine (20) generatorisch betrieben wird, vii) alleiniger Antrieb durch die Verbrennungskraftmaschine (1), bei dem ein mit der Hybrid-Antriebsanordnung (200) ausgestattetes Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine (1) angetrieben wird, wobei die Trennkupplung (10) als auch die erste Kupplungseinrichtung (30), oder die zweite Kupplungseinrichtung (60) geschlossen wird.
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