DE102020007522A1 - Elektrischer Antriebsstrang mit Anfahrunterstützung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsstrang und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs.Der erfindungsgemäße elektrische Antriebsstrang (1) für ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug umfassta) einen Elektromotor (2) mit einer Motorwelle (4) undb) eine Anfahrunterstützungseinheit (3), die mit der Motorwelle (4) mechanisch verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment der Motorwelle (4) in eine Abtriebsdrehzahl und ein Abtriebsdrehmoment umzuwandeln, wobei die Abtriebsdrehzahl geringer ist als die Motordrehzahl und/oder das Abtriebsdrehmoment höher ist als das Motordrehmoment.
Description
- Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsstrang und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs.
- Aus der
US 2019/0092157 A1 - Der erfindungsgemäße elektrische Antriebsstrang für ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug umfasst
- a) einen Elektromotor mit einer Motorwelle und
- b) eine Anfahrunterstützungseinheit, die mit der Motorwelle mechanisch verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment der
- Im Folgenden werden unter Effizienzen Energieeffizienzen verstanden.
- Bei Anfahrprozessen von rein elektrischen Fahrzeugen werden Elektromotoren typischerweise in ersten Leistungsbereichen betrieben, die durch niedrige Motordrehzahlen und geringe Motoreffizienzen gekennzeichnet sind. Dies kann zu hohen thermischen Belastungen von Elektromotorpolen und/oder Wechselrichterschaltelementen führen.
- Dadurch, dass der erfindungsgemäße elektrische Antriebsstrang eine Anfahrunterstützungseinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment der Motorwelle in eine Abtriebsdrehzahl und ein Abtriebsdrehmoment umzuwandeln, kann ein Elektromotor während eines Anfahrprozesses in einem zweiten Leistungsbereich, welcher gegenüber dem ersten Leistungsbereich eine höhere Effizienz aufweist, betreiben werden. Im zweiten Leistungsbereich erzeugt der Elektromotor ein Anfahrmotordrehmoment und eine Anfahrmotordrehzahl, welche durch die Anfahrunterstützungseinheit umgewandelt werden in ein Anfahrabtriebsdrehmoment und eine Anfahrabtriebsddrehzahl.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs bei einem Anfahrprozess umfasst die Schritte:
- a) Erhöhen einer Anfahrmotordrehzahl und eines Anfahrmotordrehmoments einer Elektromotorwelle eines Elektromotors;
- b) Umwandeln der Anfahrmotordrehzahl und des Anfahrmotordrehmoments in eine Anfahrabtriebsdrehzahl und ein Anfahrabtriebsdrehmoment mittels einer Anfahrunterstützungseinheit, wobei die Anfahrabtriebsdrehzahl geringer ist als die Anfahrmotordrehzahl und/oder das Anfahrabtriebsdrehmoment höher ist als das Anfahrmotordrehmoment;
- c) Schließen einer Überbrückungskupplung der Anfahrunterstützungseinheit.
- Durch das Schließen der Überbrückungskupplung wird eine Drehmoment- und/oder Drehzahlwandlung durch die Anfahrunterstützungseinheit beendet. Dadurch können wandlungsbedingte Energieverluste der Anfahrunterstützungseinheit vermieden werden.
- Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrangs, -
2 ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsparameterdiagramms eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrangs und -
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. - Ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebsstrangs
1 ist in1 dargestellt. Der elektrische Antriebsstrang1 umfasst einen Elektromotor2 , der als Permanentmagnet-Synchronmotor2 mit einer Motorwelle4 , einem Läufer26 und einem Stator27 ausgebildet ist. - Weiterhin umfasst der elektrische Antriebsstrang
1 eine Anfahrunterstützungseinheit3 . Im Ausführungsbeispiel ist die Anfahrunterstützungseinheit3 ein hydrodynamischer Drehmomentwandler. Der Drehmomentwandler3 umfasst ein öldichtes Gehäuse5 , welches mit einem Öl gefüllt ist, eine Antriebswelle6 , die mit der Motorwelle4 mechanisch verbunden ist, und ein Pumpenrad7 , das mit der Antriebswelle6 verbunden ist. Weiterhin umfasst der Drehmomentwandler3 ein Turbinenrad8 , welches mit einer Abtriebswelle9 verbunden ist und ein Leitrad10 , welches mit dem Gehäuse5 verbunden ist. Das Pumpenrad7 wandelt mechanische Energie der Antriebswelle6 in eine Strömungsenergie des Öls um. Das Leitrad10 bewirkt einen Ölrückstau, welcher zu einer Momenterhöhung am Turbinenrad8 führt. Das Turbinenrad8 wandelt die Strömungsenergie des Öls in eine mechanische Energie der Abtriebswelle9 in Form einer Abtriebsdrehzahl und eines Abtriebsdrehmoments um. - Des Weiteren umfasst der elektrische Antriebsstrang
1 eine zentrifugale Ölkühlung mit einem Kühler28 . Eine Zuleitung29 verbindet den Kühler28 hydraulisch mit dem hydrodynamischen Drehmomentwandler3 . Die Motorwelle4 des Elektromotors2 umfasst in ihrem inneren einen Kühlkanal11 , welcher mit dem Kühler28 ableitungsseitig hydraulisch verbunden ist (siehe1 ). In einem Bereich, in dem die Motorwelle4 vom Läufer umschlossen wird, stellen Motorwellenbohrungen30 eine hydraulische Verbindung zwischen dem Kühlkanal11 und einer Läuferaußenfläche her. Im Betrieb wird Öl aus dem hydrodynamischen Drehmomentwandler3 über die Zuleitung29 , den Kühler28 und den Kühlkanal11 in den Läufer gefördert. Durch eine Zentrifugalkraft wird das Öl aus dem Läufer26 heraus auf Pole12 des Stators27 geschleudert, wodurch diese gekühlt werden. Anschließend fließt das Öl über einen Rücklaufkanal13 in den hydrodynamischen Drehmomentwandler3 zurück. In1 sind Ölflussrichtungen anhand von schwarz gefüllten Pfeilen gekennzeichnet. - Weiterhin umfasst der elektrische Antriebsstrang
1 ein Getriebe14 mit einer festen Drehmoment- und Drehzahlübersetzung, welches mit der Abtriebswelle9 des hydrodynamischen Drehmomentwandlers3 verbunden ist. Der hydrodynamische Drehmomentwandler3 ist stufenlos. Im Ausführungsbeispiel umfasst der Antriebsstrang1 keine weiteren Drehmoment- und/oder Drehzahlwandler. Somit weisen alle Drehmoment- und/oder Drehzahlwandler des Antriebsstrangs1 feste oder stufenlose Drehmoment- und/oder Drehzahlübersetzungen auf. - Der elektrische Antriebsstrang
1 ist im Ausführungsbeispiel Teil eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) und wird bei einem Anfahrprozess betreiben. Im Ausführungsbeispiel ist der Anfahrprozess dadurch gekennzeichnet, dass eine Anfahrmotordrehzahl der Motorwelle4 kleiner ist als 15 % einer maximalen Motordrehzahl15 . Im Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Motordrehzahl 15000 rmp. Die maximale Motordrehzahl15 und ein 15 %-Wert 16 der maximalen Motordrehzahl sind in einem Betriebsparameterdiagramm17 in2 dargestellt. Das Betriebsparameterdiagramm17 zeigt eine zweidimensionale Auftragung von Motordrehmomenten des Elektromotors2 auf einer Y-Achse18 und Motordrehzahlen des Elektromotors2 auf einer X-Achse19 bei verschiedenen Betriebspunkten. Ebenfalls in2 dargestellt sind Niveaulinien20 . Eine Niveaulinie20 kennzeichnet Betriebspunkte des Elektromotors2 mit gleicher Motoreffizienz. - Im Ausführungsbeispiel steigt bei einem Anfahrprozess ein Anfahrmotordrehmoment mit einer Anfahrmotordrehzahl progressiv an. Der Anstieg des Anfahrmotordrehmoments ist in einer ersten Kennlinie
21 in2 dargestellt. Das Anfahrmotordrehmoment und die Anfahrmotordrehzahl werden mittels des hydrodynamischen Drehmomentwandlers3 in ein Anfahrabtriebsdrehmoment und eine Anfahrabtriebsdrehzahl umgewandelt. Das Anfahrabtriebsdrehmoment ist 2,5-mal so groß wie ein Anfahrmotordrehmoment. Es steigt mit der Anfahrabtriebsdrehzahl ebenfalls progressiv an. Der progressive Anstieg des Anfahrabtriebsdrehmoments ist in einer zweiten Kennlinie22 in2 dargestellt. - Im Ausführungsbeispiel ermöglicht die Drehomomentwandlung beim Anfahrprozess einen Betrieb des Elektromotors
2 in einem Anfahrleistungsbereich, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine durchschnittliche Elektromotoranfahreffizienz mehr als 80 % beträgt. Durch die hohe durchschnittliche Elektromotoranfahreffizienz ist eine verlustleistungsbedingte durchschnittliche thermische Belastung eines Elektromotorpols und eines Wechselrichterschalters beim Anfahrprozess um nicht mehr als einen Faktor von 1,2 höher als in einem kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich23 des Elektromotors2 . Im Ausführungsbeispiel wird unter thermischer Belastung eine Elektromotorpoltemperatur oder Wechselrichterschaltertemperatur in °C verstanden. Der kontinuierliche Betriebsleistungsbereich23 ist im Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, dass das Motordrehmoment zwischen 75 % und 85 % eines maximalen Motordrehmoments24 beträgt. Der kontinuierliche Betrieb des Elektromotors2 bei derart hohen Motordrehmomenten wird im Ausführungsbeispiel durch eine hohe Kühlleistung der zentrifugalen Ölkühlung ermöglicht. Der kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich23 sowie das maximalen Motordrehmoment24 sind in2 gekennzeichnet. - Weiterhin ermöglicht der hydrodynamische Drehmomentwandler
3 beim Anfahrprozess einen Betrieb des Elektromotors2 mit einem reproduzierbaren, drehzahlabhängigen Elektromotoranfahrwiderstand. Daher kann im beschriebenen elektrischen Antriebsstrang1 auf einen Einsatz eines Drehgebers, wie er typischerweise bei drehzahlvariablen Synchronmotoren Anwendung findet, verzichtet werden. - Im Ausführungsbeispiel umfasst der hydrodynamische Drehmomentwandler
3 eine Überbrückungskupplung25 . Die Überbrückungskupplung25 ist eine wiederholbar herstellbare und wiederholbar lösbare drehstarre mechanische Verbindung zwischen der Antriebswelle6 und der Abtriebswelle9 des hydrodynamischen Drehmomentwandlers3 . - Der elektrische Antriebsstrang
1 wird bei einem Anfahrprozess mit folgendem Verfahren betrieben (siehe3 ): Zu Beginn des Verfahrens ist die Überbrückungskupplung25 des hydrodynamischen Drehmomentwandlers3 geöffnet und der Elektromotor2 steht still. In einem ersten SchrittS1 werden die Anfahrmotordrehzahl und das Anfahrmotordrehmoment der Motorwelle4 erhöht. Das Anfahrmotordrehmoment steigt dabei mit der Anfahrmotordrehzahl progressiv an. - In einem zweiten Schritt
S2 , der parallel zum ersten SchrittS1 abläuft, werden die Anfahrmotordrehzahl und das Anfahrmotordrehmoment mittels des hydrodynamischen Drehmomentwandlers3 in eine Anfahrabtriebsdrehzahl und ein Anfahrabtriebsdrehmoment umgewandelt. Das Anfahrabtriebsdrehmoment ist 2,5-mal so hoch wie das Anfahrmotordrehmoment. Es ist dazu geeignet, das Fahrzeug beim Anfahrprozess zu beschleunigen. - In einem dritten Schritt
S3 , welcher nach dem ersten und zweiten SchrittS1 ,S2 erfolgt, wird die Überbrückungskupplung25 des hydrodynamischen Drehmomentwandlers3 geschlossen. Dadurch wird eine Verlustleistung des hydrodynamischen Drehmomentwandlers3 reduziert. - Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebsstrangs (nicht gezeigt) umfasst einen Elektromotor und einen Wechselrichter, welcher mit dem Elektromotor verbunden ist. Sowohl der Elektromotor als auch der Wechselrichter sind kleiner dimensioniert als bei konventionellen elektrischen Antriebssträngen mit gleicher Leistung. Die kleinere Dimensionierung ist möglich, da der Elektromotor im Antriebsstrang in einem höheren kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich betreibbar ist, als dies in konventionellen elektrischen Antriebssträngen der Fall ist.
- In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) umfasst ein elektrischer Antriebsstrang eine zentrifugale Ölkühlung mit einem Kühler und einer Kühlkreislaufpumpe. Die Kühlkreislaufpumpe ist unmittelbar vor dem Kühler angebracht. Im Betrieb erzeugt die Kühlkreislaufpumpe eine Zwangsumwälzung eines Kühlmediums.
- In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebsstrangs (nicht gezeigt) ist die Anfahrunterstützungseinheit eine Magnetpulverkupplung.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 2019/0092157 A1 [0002]
Claims (10)
- Elektrischer Antriebsstrang (1) für ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug, umfassend a) einen Elektromotor (2) mit einer Motorwelle (4) und b) eine Anfahrunterstützungseinheit (3), die mit der Motorwelle (4) mechanisch verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment der Motorwelle (4) in eine Abtriebsdrehzahl und ein Abtriebsdrehmoment umzuwandeln, wobei die Abtriebsdrehzahl geringer ist als die Motordrehzahl und/oder das Abtriebsdrehmoment höher ist als das Motordrehmoment.
- Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß
Anspruch 1 , wobei die Anfahrunterstützungseinheit (3) ein hydrodynamischer Drehmomentwandler ist. - Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß
Anspruch 1 oder2 , dazu ausgebildet, bei einem Anfahrprozess, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Anfahrmotordrehzahl kleiner ist als 15 % einer maximalen Motordrehzahl (15), ein Anfahrabtriebsdrehmoment zu erzeugen, welches zumindest 1,5 mal so groß ist wie ein Anfahrmotordrehmoment. - Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Drehmoment- und/oder Drehzahlwandler des Antriebsstrangs (1) feste und/oder stufenlose Drehmoment- und/oder Drehzahlübersetzungen aufweisen.
- Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (2) dazu ausgebildet ist, in einem kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich (23) betrieben zu werden, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Motordrehmoment mindestens 50 % und maximal 90 % eines maximalen Motordrehmoments (24) beträgt.
- Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anfahrunterstützungseinheit (3) dazu ausgebildet ist, den Elektromotor (2) beim Anfahrprozess mit einem reproduzierbaren, drehzahlabhängigen Elektromotoranfahrwiderstand zu beaufschlagen.
- Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anfahrunterstützungseinheit (3) dazu ausgebildet ist, den Elektromotor (2) bei einem Anfahrprozess mit einem gegebenen Anfahrabtriebsdrehmoment in einem Anfahrleistungsbereich zu betreiben, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine durchschnittliche Elektromotoranfahreffizienz größer ist als 80 % und/oder eine verlustleistungsbedingte durchschnittliche thermische Belastung eines Elektromotorpols (12) und/oder eines Wechselrichterbauteils um einen Faktor von weniger als 1,2 höher ist, als in einem kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich (23).
- Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit
Anspruch 2 , wobei der Elektromotor (2) eine Flüssigkeitskühlung umfasst, welche hydraulisch mit dem hydrodynamischen Drehmomentwandler (3) verbunden ist. - Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anfahrunterstützungseinheit (3) eine Überbrückungskupplung (25) umfasst.
- Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs bei einem Anfahrprozess, umfassend die Schritte: a) Erhöhen (S1) einer Anfahrmotordrehzahl und eines Anfahrmotordrehmoments einer Motorwelle eines Elektromotors; b) Umwandeln (S2) der Anfahrmotordrehzahl und des Anfahrmotordrehmoments in eine Anfahrabtriebsdrehzahl und ein Anfahrabtriebsdrehmoment mittels einer Anfahrunterstützungseinheit, wobei die Anfahrabtriebsdrehzahl geringer ist als die Anfahrmotordrehzahl und/oder das Anfahrabtriebsdrehmoment höher ist als das Anfahrmotordrehmoment; c) Schließen (S3) einer Überbrückungskupplung der Anfahrunterstützungseinheit.
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