DE102018201126A1 - Frontantriebseinheit für ein Hybridelektrofahrzeug - Google Patents

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Akash Babu Damera
Simit Subodh Pradhan
Hariprasad Gowrisankar
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Robert Bosch GmbH
Bosch Ltd
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Robert Bosch GmbH
Bosch Ltd
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Abstract

Eine Frontantriebseinheit 100 umfasst einen Motor 102 und eine elektrische Maschine 114 mit einer Rotorwelle 112. Die Frontantriebseinheit 100 ist durch eine Epizykloidengetriebeanordnung 110 und ein Antriebszahnrad 1110 gekennzeichnet. Die Epizykloidengetriebeanordnung 110 koppelt die elektrische Maschine 114 mit dem Differenzial 108 und umfasst ein Sonnenrad 1102, ein Hohlrad (nicht gezeigt), mindestens zwei Planetenräder 1104 und einen Träger 1106. Das Sonnenrad 1102 ist mit der Rotorwelle 112 gekoppelt. Die mindestens zwei Planetenräder 1104 sind an mindestens zwei Armen des Trägers 1106 befestigt und kämmen zwischen dem Sonnenrad 1102 und dem Hohlrad. Der Träger 1106 umfasst eine Ausgangswelle 1108, die sich gegenüber der Rotorwelle 112 erstreckt. Das Antriebszahnrad 1110 ist an der Ausgangswelle 1108 des Trägers 1106 befestigt und koppelt diese mit dem Differenzial 108.

Description

  • Die folgende Beschreibung beschreibt und bestimmt die Beschaffenheit der vorliegenden Erfindung und die Art und Weise, auf die sie durchzuführen ist:
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug und bezieht sich insbesondere auf eine Frontantriebseinheit für ein Hybridelektrofahrzeug.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es stehen zahlreiche Mechanismen zum Integrieren eines Elektromotors in ein Getriebe einer beliebigen Art, wie z. B. Handschalt-, Halbautomatik-, Automatik-, und Doppelkupplungsgetriebe usw., eines mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor betriebenen Fahrzeugs zur Verfügung. Durch die Integration des Elektromotors in das Getriebe wird es als Parallelhybrid bezeichnet. Die Gründe für solch eine Integration sind vielfältig und reichen von der Erhöhung der Kraftstoffökonomie bis zur Verbesserung des Komforts. Die existierenden Mechanismen sind standardisiert, wodurch ein Vergleich der relativen Kraftstoffökonomie bei der Befestigung des Elektromotors an einer anderen Stelle oder in einigen Fällen speziellen Befestigungsstellen unabhängig von den Antriebsrädern (Frontmotor oder Heckmotor) möglich wird. Weiterhin sind die existierenden Mechanismen allgemein und erfordern einen Elektromotor mit höherer Spannung und Leistungsstufe.
  • Somit ist eine neue Hybridtopologie erforderlich, die die Integration einer elektrischen Niederspannungsmaschine mit einem Motor in einer Modulanordnung ermöglicht.
  • Figurenliste
  • Eine Ausführungsform der Offenbarung wird mit Bezug auf die folgende anhängige Zeichnung beschrieben.
    • 1 stellt eine Frontantriebseinheit eines Hybridelektrofahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen:
  • 1 stellt eine Frontantriebseinheit eines Hybridelektrofahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Frontantriebseinheit 100 umfasst einen Motor 102 und eine elektrische Maschine 114 mit einer Rotorwelle 112. der Motor 102 ist über eine Kupplung 104 mit einem Getriebe 106 gekoppelt. Der Motor 102 und die elektrische Maschine 114 sind mit einem Differenzial 108 gekoppelt. Die Frontantriebseinheit 100 ist durch eine Epizykloidengetriebeanordnung 110 und ein Antriebszahnrad 1110 gekennzeichnet. Die elektrische Maschine 114 ist durch die Epizykloidengetriebeanordnung und ein Antriebszahnrad mit dem Differenzial gekoppelt. Die Epizykloidengetriebeanordnung 110, die auch als Planetenradanordnung bekannt ist, koppelt die elektrische Maschine 114 mit dem Differenzial 108. Die Epizykloidengetriebeanordnung 110 umfasst ein Sonnenrad 1102, ein Hohlrad (nicht gezeigt), mindestens zwei Planetenräder 1104 und einen Träger 1106. Das Sonnenrad 1102 ist mit der Rotorwelle 112 gekoppelt. Die mindestens zwei Planetenräder 1104 sind an mindestens zwei Armen des Trägers 1106 befestigt und kämmen zwischen dem Sonnenrad 1102 und dem Hohlrad. Der Träger 1106 umfasst eine Ausgangswelle 1108, die sich gegenüber der Rotorwelle 112 erstreckt. Das Antriebszahnrad 1110 ist an der Ausgangswelle 1108 des Trägers 1106 befestigt und koppelt diese mit dem Differenzial 108. Das Differenzial 108 ist mit einem Paar Vorderräder 116 gekoppelt. Ein Paar Hinterräder 118 des Fahrzeugs wird auch gezeigt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Motor 102 quer in dem Fahrzeug befestigt. Alternativ dazu kann der Motor 102 längs in dem Fahrzeug befestigt sein. Die elektrische Maschine 114 wird dahingehend betrieben, den Motor 102 zu unterstützen, Verlustenergie wiederzugewinnen und das Fahrzeug anzutreiben. Die Frontantriebseinheil/Topologie 100 kann den elektrischen Antrieb durch Abschalten des Motors 102, Öffnen der Kupplung 104 oder Schalten des Getriebes 106 in die Leerlaufstellung und dann Betreiben der elektrischen Maschine 114 herbeiführen. Wenn die elektrische Maschine 114 das Fahrzeug antreibt, ist die Kupplung 104 geöffnet. Der Motor 102 ist von dem Getriebe 106 getrennt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Motor 102 mit einem Getriebe 106 gekoppelt, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ein Handschaltgetriebe, ein Halbautomatikgetriebe, ein Automatikgetriebe, ein Doppelkupplungsgetriebe, ein stufenloses Getriebe (CVT - Continuously Variable Transmission), ein automatisiertes Handschaltgetriebe (AMT - Automated Manual Transmission) und dergleichen umfasst.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Frontantriebseinheit 100 den Einbau einer elektrischen Maschine 114 (Elektromotor/Generator) mit einer niedrigen Spannung oder niedrigen Leistungsfähigkeit, z. B. weniger als 60 V, an das Antriebszahnrad/Ritzel 1110 oder Differenzialtellerrad mit einem Differenzial 108 für den Quermotor 102. Die Frontantriebseinheit 100 kann das Drehmoment verstärken und die Drehzahl für die maximale Ausnutzung von Traktion und Rückgewinnung reduzieren. Weiterhin stellt die Frontantriebseinheit 100 einen dynamischen Traktion/Erzeugung-Moduswechsel der elektrischen Maschine 114 zur Unterdrückung von Antriebsstrangschwingungen während der Beschleunigung und zum Ausgleich des Drehmomentverlusts während eines Gangschaltvorgangs für das Getriebe 106, wie z. B. für ein AMT, bereit. Die Frontantriebseinheit 100 reduziert die Abnutzung der Kupplung während des Anfahrens des Fahrzeugs und Teiltrockenkupplungseinrückphasen. Die Frontantriebseinheit 100 ermöglicht auch, dass die elektrische Niederspannungsmaschine 114 für eine verbesserte Kraftstoffökonomie in Bezug auf die Fahrzeugbasiskonfiguration das Fahrzeug in Modi (z. B. Fahren im reinen Elektromodus, Fahren im Motor-Assist-Modus und allen möglichen Regenerationsmodi) unterstützt.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Frontantriebseinheit 100 in einer Modulkonstruktion bereitgestellt, die den Einbau der elektrischen Maschine 114 an dem Antriebsritzel oder Differenzialtellerrad des Getriebes 106 mit einer integrierten Achsgetriebeuntersetzung mit dem Differenzial 108 für den Quermotor 102 gestattet. Obgleich eine Frontantriebseinheit 100 beschrieben wird, ist auch eine Heckantriebseinheit möglich, bei der der Motor 102 im Heckbereich des Fahrzeugs befestigt ist. Die Modulkonstruktion der Frontantriebseinheit 100 ermöglicht, dass die elektrische Niederspannungsmaschine 114 sowohl in dem Traktionsmodus als auch in dem Generatormodus betrieben werden kann. Der Traktionsmodus ist dafür gedacht, ausreichend Drehmoment zum Antrieb des Fahrzeugs im Elektrofahrmodus bereitzustellen und auch den Motor 102 während des Antriebs zu unterstützen. Der Regenerationsmodus ist dafür gedacht, jegliche Energie, die ansonsten während des Bremsens (in Form von Wärme/Reibung) verloren ginge, aufzufangen. Die elektrische Maschine 114 wird dahingehend in einem dynamischen Wechselmodus zwischen „Traktion/Regeneration“ gesteuert, die Schwingungen von Motorklappern während der Beschleunigung zu unterdrücken.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beseitigt die Frontantriebseinheit 100 Drehmomentabfälle oder Drehmomentlöcher während Getriebeschaltvorgängen. Die Frontantriebseinheit 100 wird für eine kurze Stoßdauer (die basierend auf der Zeit für den Getriebeschaltvorgang zu diesem bestimmten Betriebspunkt berechnet wird) dahingehend in einem Modus unmittelbarer Höchstleistung betrieben, jeglichen Drehmomentabfall, der während Getriebeschaltvorgängen im AMT vom Fahrer verspürt wird, zu verhindern und jegliches Unbehagen aufgrund von Kupplungsrutschen im Handschaltgetriebe mit elektronischer Kupplungssteuerung zu verhindern.
  • Normalerweise wird der Zündwinkel in der Motorleerlaufphase um einige Grad nach spät verstellt (Drehmomentreserve), so dass im Falle des Anfahrens, wenn eine plötzliche Erhöhung des Drehmoments erforderlich ist, der Zündwinkel nach früh verstellt wird und eine starke Zunahme des Drehmoments unmittelbar erfolgt. Des Weiteren wird der Zündwinkel bei einem Schubbetrieb des Motors 102 zunächst nach spät verstellt, bevor die Kraftstoffabschaltung vom Motor 102 erfolgt, diese Verstellung des Zündwinkels nach spät erzeugt einen plötzlichen Drehmomentabfall von dem Motor 102, was der Fahrer als „Motorbremsen“ empfindet. Bei der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Maschine 114 in der Lage, basierend auf den Anforderungen unmittelbar positives und negatives Drehmoment bereitzustellen. Der Zündwinkel ist auf den optimalen Zündwinkel eingestellt, außer bei speziellen Anforderungen, wie z. B. die Erwärmung eines Katalysators. Weiterhin wird das gesamte Fahrverhalten des Fahrzeugs (wie z. B. Anfahren und plötzliches Bremsen) von der elektrischen Maschine 114 gemanagt. Dadurch wird die Verbrennung stärker optimiert.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Frontantriebseinheit 100 auf bestehende Getriebe 106, darunter ein Doppelkupplungsgetriebe (Nass-/Trockenkupplung), ein Automatikgetriebe (Drehmomentwandler), ein stufenloses Getriebe (Zug/Druck), sowohl für die Kraftstoffökonomie als auch den Fahrkomfort konfigurierbar.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestattet die Modulkonstruktion der Frontantriebseinheit 100 den Betrieb der elektrischen Niederspannungsmaschine 114 in einem „Lastpunktverlagerungsmodus“, der gestattet, dass der Motor 102 zu den besten Betriebspunkten hinsichtlich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (BSFC - Brake Specific Fuel Consumption) gesteuert wird. Die Betriebspunkte des Motors 102 werden aufgrund der Lastpunktverlagerung zu besseren BSFC-Punkten verlagert.
  • Die elektrische Maschine 114 der Frontantriebseinheit 100 wird durch eine Steuerung, wie z. B. ein elektronisches Steuergerät (ECU), betrieben. Das ECU ist entweder eine eigens vorgesehene Steuerung oder ein vorliegendes ECU des Fahrzeugs, wie z. B. ein Motorsteuergerät. Das ECU ist dazu konfiguriert, die elektrische Maschine 114 zu steuern, und umfasst eine Eingabe/Ausgabe(I/O)-Schnittstelle, Speicher zum Speichern von Anweisungen, Kommunikationsbusse, einen Prozessor und dergleichen. Das ECU ist über die I/O-Schnittstelle an verschiedene Sensoren des Fahrzeugs angeschlossen. Die Sensoren umfassen einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, einen Motordrehzahlsensor, einen Temperatursensor, einen MAP-Sensor, einen Gangschaltungsstellungssensor und dergleichen. Das ECU detektiert oder misst des Weiteren die Batteriespannung, elektrische und mechanische Parameter der elektrischen Maschine 114, Getriebeschaltvorgangsabsichten und dergleichen. Das ECU ist dazu konfiguriert, obige Eingaben zu empfangen und die elektrische Maschine 114 in einem geeigneten Modus zu steuern.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Frontantriebseinheit 100 autonomes Parken. Der Motor 100 ist abgestellt, die Kupplung 104 ist geöffnet oder das Getriebe 105 befindet sich in der Leerlaufstellung. Ein Lenkrad wird mit dem vorliegenden Servolenkungsmotor oder mit einer zusätzlichen elektrischen Maschine 114 gesteuert, gefolgt vom Betrieb der elektrischen Maschine 114. Das ECU steuert die elektrischen Maschinen 114 dahingehend an, das Fahrzeug zusammen mit der Verwendung von Rückmeldungen von Ultraschallsensoren zur Einschätzung der Nähe von Gegenständen in der Umgebung/im Umfeld autonom zu parken.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestattet die Frontantriebseinheit 100 des Weiteren, dass die elektrische Maschine 114 den Motor 102 startet. Das Differenzial 108 ist mit einer Vorderachse gekoppelt, an der zwei Vorderräder 116 befestigt sind. Eine Achskupplung ist zwischen jedem Rad 116 und dem Differenzial 108 vorgesehen. Die Achskupplung ist als Vorgabe eingerückt/geschlossen. Wenn der Motor gestartet werden muss, wird die Achskupplung geöffnet. Die elektrische Maschine 114 wird durch das ECU aktiviert, wodurch der Motor 102 durch das Getriebe und die Kupplung 104 gestartet wird.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Integration des Niederspannungs(weniger als 60 V)-Elektromotors/Generators in das Antriebsritzel oder das Differenzialtellerrad eines Quermotors mit integriertem Achsgetriebe und Differenzial. Die Frontantriebseinheit 100 reduziert Schaltstöße bei einem automatisierten Handschaltgetriebe und Kupplungsruckeln bei einem Handschaltgetriebe mit elektronischem Kupplungssystem.
  • Es versteht sich, dass die in der obigen Beschreibung erläuterten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken. Es werden viele derartige Ausführungsformen und andere Modifikationen und Änderungen bei der in der Beschreibung erläuterten Ausführungsform in Betracht gezogen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird lediglich durch den Schutzumfang der Ansprüche beschränkt.

Claims (8)

  1. Frontantriebseinheit (100) für ein Hybridelektrofahrzeug, die einen Motor (102) und eine elektrische Maschine (114) mit einer Rotorwelle (112) umfasst, wobei der Motor (102) und die elektrische Maschine (114) mit einem Differenzial (108) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Frontantriebseinheit (100) eine Epizykloidengetriebeanordnung (110) die elektrische Maschine (114) mit dem Differenzial (108) koppelt, wobei die Epizykloidengetriebeanordnung (110) ein Sonnenrad (1102), ein Hohlrad, mindestens zwei Planetenräder (1104) und einen Träger (1106) umfasst, wobei das Sonnenrad (1102) mit der Rotorwelle (112) gekoppelt ist und die mindestens zwei Planetenräder (1104) an mindestens zwei Armen des Trägers (1106) befestigt sind und zwischen dem Sonnenrad (1102) und dem Hohlrad kämmen, wobei der Träger (1106) eine Ausgangswelle (1108) umfasst, die sich gegenüber der Rotorwelle (112) erstreckt, und ein Antriebszahnrad (1110) an der Ausgangswelle (1108) des Trägers (1106) befestigt ist und diese mit dem Differenzial (108) koppelt.
  2. Frontantriebseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei der Motor (102) quer in dem Fahrzeug befestigt ist.
  3. Frontantriebseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei der Motor (102) längs in dem Fahrzeug befestigt ist.
  4. Frontantriebseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine (114) dahingehend betrieben wird, den Motor (102) zu unterstützen, Energie wiederzugewinnen und das Fahrzeug anzutreiben.
  5. Frontantriebseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei der Motor (102) mit einem Getriebe (106) gekoppelt ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ein Handschaltgetriebe, ein Halbautomatikgetriebe, ein Automatikgetriebe, ein Doppelkupplungsgetriebe und ein automatisiertes Handschaltgetriebe (AMT - Automated Manual Transmission) umfasst.
  6. Frontantriebseinheit (100) nach Anspruch 1 ist lediglich mit Vorderrädern gekoppelt.
  7. Frontantriebseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei eine Achskupplung zwischen jedem Rad (116) und dem Differenzial (108) vorgesehen ist.
  8. Frontantriebseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei ein elektronisches Steuergerät (ECU) den Betrieb der elektrischen Maschine (114) steuert.
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