DE102020109781A1 - Hybridfahrzeugantriebsstrang mit Zwei-Elektromaschinen-Getriebe für seriellen Antrieb und Hybridfahrzeug - Google Patents

Hybridfahrzeugantriebsstrang mit Zwei-Elektromaschinen-Getriebe für seriellen Antrieb und Hybridfahrzeug Download PDF

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Steffen Lehmann
Benjamin Stober
Dierk Reitz
Laurent Bayoux
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) mit einer Verbrennungskraftmaschine (2), die zum Drehmomentzuführen mechanisch mit einem Generator (3) dauerhaft verbunden ist, der elektrisch mit einem Elektromotor (4) verbunden ist, der zumindest mittelbar mit einem mechanischen Getriebe (5) darauf verbunden ist, um Antriebsräder (6) anzutreiben, wobei der Generator (3) und der Elektromotor (4) zueinander konzentrisch angeordnet sind, wobei der Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) mechanisch so ausgelegt ist, dass in allen Betriebszuständen der Generator (3) vom Elektromotor (4) (dauerhaft) getrennt (/unverbunden) ist. Die Erfindung betrifft auch ein Hybridfahrzeug mit einem solchen Hybridfahrzeugantriebsstrang (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hybridfahrzeugantriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine, die zum Drehmoment zuführen mechanisch mit einem Generator dauerhaft verbunden ist, der elektrisch mit einem Elektromotor verbunden ist, wobei der Elektromotor zumindest mittelbar mit einem mechanischen Getriebe dauerhaft verbunden ist, um Antriebsräder anzutreiben, wobei der Generator und der Elektromotor zueinander konzentrisch angeordnet sind.
  • Aus dem Stand der Technik sind bereits integrierte Systeme bekannt, die Verbrennungskraftmaschinen und zwei Elektromaschinen einsetzen. Ein entsprechender Aufbau ist bspw. aus der US 2017/0218584 A1 bekannt.
  • Aus der DE 11 2015 006 071 T5 ist ein Hybridfahrzeugantriebssystem bekannt. Eine Leistungssteuereinheit ist dabei durch Verbinden eines einheitsseitigen Generatorverbinders und eines einheitsseitigen Motorverbinders, die auf einer unteren Oberfläche der Leistungssteuereinheit bereitgestellt sind, direkt an einem gehäuseseitigen Generatorverbinder und einem gehäuseseitigen Motorverbinder montiert, die auf dem Antriebssystemgehäuse angeordnet sind. Das Antriebssystemgehäuse ist mittels eines Montageelements an einem Karosserierahmen fixiert, und ein Fixierungspunkt K2, wo das Antriebssystemgehäuse und das Montageelement aneinander fixiert sind, ist in der Nähe des gehäuseseitigen Generatorverbinders und des gehäuseseitigen Motorverbinders angeordnet. Das europäische Patent EP 1 847 411 B1 offenbart einen weiteren Hybridantrieb. Es ist ein Hybridgetriebe dort offenbart, aufweisend eine Differenzialeinheit mit zwei Freiheitsgraden, gebildet durch einen Einzelritzel-Planetenradsatz und einen Doppelritzel-Planetenradsatz, der gemeinsam mit dem Einzelritzel-Planetenradsatz einen gemeinsamen Träger hält und die fünf Drehteile haben, aus denen, wenn Drehzustände von zwei Drehteilen festgelegt sind, diejenigen der anderen Drehteile festgelegt werden; ein Eingangselement des Hybridgetriebes von einer Brennkraftmaschine, das mit einem Ringzahnrad des Doppelritzel-Planetenradsatzes gekoppelt ist; ein Ausgangsende des Hybridgetriebes an einem Straßenrad-Antriebssystem, das mit dem gemeinsamen Träger gekoppelt ist, einen ersten Motor / Generator, der mit einem Sonnenrad des Doppelritzel-Planetenradsatzes gekoppelt ist; einen zweiten Motor / Generator, der mit einem Sonnenrad des Einzelritzel-Planetenradsatzes gekoppelt ist; und eine Bremse, um ein Ringzahnrad des Einzelritzel-Planetenradsatzes zu bremsen. Als besonders ist dabei herausgestellt, dass ein Ausgangselement, das die Umdrehung der Differenzialeinheit mit zwei Freiheitsgraden von dem gemeinsamen Träger an das Straßenrad-Antriebssystem ausgibt, zwischen zumindest einem von dem ersten oder zweiten Motor / Generator auf der einen Seite, und dem Einzelritzel-Planetenradsatz auf der anderen Seite angeordnet ist und der erste und zweite Motor / Generator durch einen von einem Verbundstrom angetriebenen Zweilagen-Motor mit inneren und äußeren Rotoren und einem Stator gebildet sind.
  • Ein Kraftfahrzeugantriebssystem ist auch aus der EP 3 081 390 bekannt, das sich jedoch von einem Antriebssystem, wie es beim Deutschen Patent- und Markenamt mit der Anmeldenummer DE 10 19 132 941 bekannt ist, unterscheidet. Diese ältere Anmeldung der Erfindungsinhaberin betrifft eine Antriebseinheit für einen Antriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridkraftfahrzeugs, mit einer ersten elektrischen Rotationsmaschine sowie einer zweiten elektrischen Rotationsmaschine und einer ersten Welle sowie einer zweiten Welle, wobei ein Rotor der ersten elektrischen Rotationsmaschine drehfest mit der ersten Welle verbunden ist und ein Rotor der zweiten elektrischen Rotationsmaschine drehfest mit der zweiten Welle verbunden ist und wobei die Antriebseinheit weiterhin eine Trennkupplung aufweist, mit der der Rotor der ersten elektrischen Rotationsmaschine zur Drehmomentübertragung mit der zweiten Welle verbindbar oder verbunden ist. Das Besondere bei dieser Antriebseinheit besteht darin, dass eine der beiden elektrischen Rotationsmaschinen zumindest bereichsweise radial sowie axial innerhalb eines von der jeweils anderen elektrischen Rotationsmaschine radial begrenzten Raums angeordnet ist.
  • Weitere Konfigurationen sind auch auf dem 38. Internationalen Wiener Motorensymposium im Jahr 2017 vorgestellt werden. Insbesondere wurde von Nissan eine „E-Power“-Konfiguration vorgestellt, bei der zwischen einer Verbrennungskraftmaschine und den angetriebenen Rädern sowohl ein Generator, als auch ein Elektromotor eingesetzt sind. Die aus dem Stand der Technik bekannten Hybridfahrzeugantriebsstrangvarianten haben jedoch alle Nachteile, die es zu beseitigen gilt.
  • Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermindern oder im besten Fall sogar zu lösen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein gattungsgemäßer Hybridfahrzeugantriebsstrang so umfassend umgestaltet wird, dass der Hybridfahrzeugantriebsstrang mechanisch so ausgelegt ist, dass in allen Betriebszuständen der Generator vom Elektromotor (dauerhaft) getrennt (/unverbunden) ist.
  • Auf diese Weise werden die Herstellkosten radikal reduziert und ein serieller Hybridantrieb ermöglicht. Dadurch, dass nun zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Elektromotor keine Kupplung mehr einzusetzen ist, werden die Kosten erheblich gesenkt und der Bauraum viel besser genutzt. Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine wird dem Generator zugeführt, wobei der Generator Strom dem Elektromotor für den nachfolgenden Antrieb stellt. Das vom Elektromotor zur Verfügung gestellte Drehmoment wird dann über ein Getriebe, vorzugsweise umfassend ein Differenzialgetriebe den Antriebsrädern zugeführt.
  • Ein rein serieller Antrieb des Hybridfahrzeuges wird möglich. Es wird in Kauf genommen, dass nicht mehr ein rein verbrennungsmotorischer Fahrzeugantrieb möglich ist. Dies wird deswegen akzeptabel, da insbesondere bei Hybridfahrzeugklassen, welche im Wesentlichen für Fahrzeuggeschwindigkeiten unter 130 km/h ausgelegt sind, auf einen rein verbrennungsmotorischen Fahrzeugantrieb verzichtet werden kann. Hier wirkt sich ein bei steigender Fahrzeuggeschwindigkeit weniger positiver Wirkungsgrad als bei Verbrennungskraftmaschinen nicht mehr so stark aus. Viel stärker fallen die Einsparpotenziale durch Entfallen der Trennkupplung und einer Betätigungseinheit bei Berücksichtigung einer wesentlich bauraumkompakteren Ausführung ins Gewicht.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
  • So ist es von Vorteil, wenn der Generator und der Elektromotor in Axialrichtung, bestimmt durch die konzentrischen Rotationsachsen der beiden Elektromaschinen, hintereinander / nebeneinander angeordnet sind oder in Axialrichtung überlappend angeordnet sind, d. h. im Wesentlichen denselben axialen Bauraum einnehmen. Dadurch wird eine besonders kompakte Ausgestaltung eines Hybridfahrzeugantriebsstrangs möglich, was sich insbesondere bei Kleinkraftfahrzeugen positiv bemerkbar macht.
  • Um möglichst viele Gleichteile einsetzen zu können, ist es von Vorteil, wenn der Generator einen Rotor besitzt, der als Innenläufer ausgebildet ist und der Elektromotor einen Rotor besitzt, der ebenfalls als Innenläufer ausgebildet ist. Alternativ können beide Rotoren auch als Außenläufer ausgebildet sein.
  • Für bestimmte Antriebsstrangkonfigurationen hat es sich auch bewährt, wenn der Generator einen Rotor besitzt, der als Innenläufer ausgebildet ist und der Elektromotor einen Rotor besitzt, der als Außenläufer ausgebildet ist. Eine besonders kompakte Ausführungsform wird dadurch möglich.
  • Einer guten Bauraumausnutzung ist es auch zuträglich, wenn der Generator und der Elektromotor ineinander / miteinander verschachtelt sind.
  • Wenn das Getriebe im Drehmomentenfluss nach dem Elektromotor vorhanden ist und vorzugsweise eine einem Differenzialgetriebe vorgelagerte Zwischenwelle besitzt, so lässt sich eine besonders verschleißfreie Drehmomentweitergabe realisieren.
  • Dabei hat es sich bewährt, wenn zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Generator eine Übersetzung von i1 realisiert ist, zwischen dem Elektromotor und der Zwischenwelle eine Übersetzung von i2 realisiert ist und zwischen der Zwischenwelle und dem Differenzial eine Übersetzung von i3 realisiert ist, wobei i1 ≠ i2 ≠ i3 ist. Theoretisch könnten auch die Übersetzungen i1, i2 und i3 gleich sein. Um Schwingungen auszufiltern, ist es von Vorteil, wenn zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Generator ein Dämpfer und/oder ein Vorgelegegetriebe vorhanden ist. Gerade das Vorgelegegetriebe ermöglicht es den Elektromotor in einem gewünschten Umdrehungsbereich zu betreiben.
  • Um Kosten zu sparen ist es von Vorteil, wenn der Antriebsstrang kupplungsfrei ausgelegt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Hybridfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Hybridfah rzeugantriebsstrang.
  • Mit anderen Worten besteht die erfinderische Lösung der Aufgabe darin, ein Zwei-Elektromaschinen-Getriebe für serielle Fahrzeuge mit zwei koaxial zueinander angeordneten Elektromaschinen zu realisieren, wobei eine der beiden Elektromaschinen als Generator (EM1) und die andere als Fahrmaschine (EM2) ausgeführt ist. Es findet keine Koppelung der Verbrennungskraftmaschine an die Fahrzeugräder statt, da ein sonst übliches Koppelelement entfallen ist, genauso wie eine Betätigungseinheit. Es werden zwei koaxial angeordnete und nebeneinander positionierte Elektromaschinen eingesetzt. In einer besonderen Ausführungsform sind die beiden Elektromaschinen koaxial zueinander angeordnet, aber ineinander verschachtelt, wobei beim Generator der Rotor als Innenläufer und bei der Fahrmaschine der Rotor als Außenläufer ausgeführt ist. In einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Elektromaschinen zwar koaxial zueinander angeordnet, jedoch ebenfalls ineinander verschachtelt, wobei hier beim Generator und bei der Fahrmaschine die beiden Rotoren als Innenläufer ausgeführt sind.
  • Die Fahrzeug-Fahr-Modi, die mit dem erfindungsgemäßen Zwei-Elektromaschinen-Getriebe möglich sind, sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Das bedeutsamste Hauptmerkmal der Erfindungsmeldung ist jedoch die koaxiale Anordnung der Elektromaschinen. Die Fahrstrategie des seriellen Antriebes eines Hybridfahrzeuges gemäß der Erfindung ist wie folgt aufgebaut:
    • Die Verbrennungskraftmaschine steht mit der Elektromaschine, die als Generator ausgelegt ist, mittels einer Antriebswelle drehmomentschlüssig in Verbindung. Vorzugsweise sind die Verbrennungskraftmaschine und der Generator mittels einer Übersetzung i1 miteinander verbunden. Im Drehmomentenfluss zwischen dem Generator und der Verbrennungskraftmaschine ist ein Dämpfer geschaltet. Die Elektromaschine, die als Fahrmaschine ausgelegt ist, ist an dem Fahrzeugantrieb (Antriebswelle / Fahrzeugräder) drehmomentübertragend angebunden. Vorzugsweise erfolgt diese Verbindung über zwei Übersetzungsstufen i2 und i3. Die Übersetzungsstufe i2 ist zwischen der Elektromaschine und einer Zwischenwelle vorhanden. Die Übersetzungsstufe i3 ist zwischen der Zwischenwelle und dem Differenzial vorhanden. Durch den Entfall einer Trennkupplung und eines Betätigungselementes besteht keine mechanische drehmomentübertragende Verbindung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Fahrzeugantrieb.
  • Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe dreier Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen schematischen Aufbau eines Zwei-E-Maschinen-Getriebes mit koaxial zueinander und nebeneinander (in Axialrichtung gesehen) angeordneten Elektromaschine zur Realisierung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugantriebsstrangs,
    • 2 einen schematischen Aufbau mit koaxialen, aber radial ineinander geschachtelten Elektromaschinen, wobei der Rotor der Fahrmaschine als Außenläufer und der Rotor des Generators als Innenläufer ausgeführt ist, und
    • 3 einen schematischen Aufbau mit koaxialen und aber radial ineinandergeschachtelten Elektromaschinen, wobei der Rotor der Fahrmaschine als Innenläufer und der Rotor des Generators als Innenläufer ausgeführt ist.
  • Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugantriebsstrangs 1 dargestellt. Dieser Hybridfahrzeugantriebsstrang 1, auch verkürzt nur als Antriebsstrang bezeichnet, ist mit einer Verbrennungskraftmaschine 2 versehen.
  • Diese Verbrennungskraftmaschine ist mit einem Generator 3 verbunden. Der Generator 3 seinerseits ist mit einem Elektromotor 4 verbunden. Der Elektromotor 4 ist zum Drehmomentverbringen an ein Getriebe 5 verbunden. Das Getriebe 5 ist zum Drehmomentversorgen von Antriebsrädern 6 vorgesehen.
  • Das Besondere an der ersten Ausführungsform ist, dass der Generator 3 und der Elektromotor 4 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Diese Besonderheit ist auch in den Ausführungsformen der 2 und 3 vorhanden.
  • Zurückkommend auf 1 sei erläutert, dass Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine im Normalbetrieb an einen Dämpfer 7 weitergegeben wird. Der Dämpfer 7 ist unter Umsetzung eines Übersetzungsverhältnisses von i1 mit einer Antriebswelle 8 verbunden. Die Antriebswelle 8 ist mit einem Rotor 9 des Generators 3 verbunden. Sie ist insbesondere dauerhaft verbunden. Eine Schaltbarkeit ist ausgeschlossen. Dem Rotor 9 ist ein Stator 10 zugeordnet. Bei Drehung des Rotors 9 erzeugt der Stator 10 Strom, welcher an einen Stator 11 des Elektromotors 4 weitergegeben wird. Dadurch wird ein Rotor 12 in Drehbewegung versetzt. Der Rotor 12 des Elektromotors 4 ist dauerhaft, also nicht schaltbar, mit einer Hohlwelle 13 verbunden. An einer Übergabestelle zu einer Zwischenwelle 14 ist eine Übersetzung von i2 realisiert. An einer Übergabestelle zwischen der Zwischenwelle 14 und einem Differenzialgetriebe 15, an welcher Drehmoment im Normalbetrieb übergeben wird, ist eine Übersetzung / ein Übersetzungsverhältnis von i3 realisiert. Das Differenzialgetriebe 15 kann Gelenkwellen aufweisen.
  • Anders als in der Ausführungsform der 1 sind in Axialrichtung die beiden Elektromaschinen, also der Generator 3 und der Elektromotor 4, nicht hintereinander angeordnet, sondern verschachtelt zueinander, d. h. radial versetzt zueinander bei Einhalten der Konzentrizität angeordnet. Dieses bei der Ausführungsform nach 2 realisierte Prinzip ist auch in der Ausführungsform der 3 umgesetzt.
  • Während in der Ausführungsform der 2 der Generator 3 als Innenläufer und der Elektromotor als Außenläufer entsprechende Rotoren 9 bzw. 12 besitzt, sind bei der Ausführungsform gemäß der 3 beide Rotoren 9 und 12 Innenläufer.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hybridfahrzeugantriebsstrang
    2
    Verbrennungskraftmaschine
    3
    Generator
    4
    Elektromotor
    5
    Getriebe
    6
    Antriebsrad
    7
    Dämpfer
    8
    Antriebswelle
    9
    Rotor
    10
    Stator
    11
    Stator
    12
    Rotor
    13
    Hohlwelle
    14
    Zwischenwelle
    15
    Differenzialgetriebe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2017/0218584 A1 [0002]
    • DE 112015006071 T5 [0003]
    • EP 1847411 B1 [0003]
    • EP 3081390 [0004]
    • DE 1019132941 [0004]

Claims (10)

  1. Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) mit einer Verbrennungskraftmaschine (2), die zum Drehmomentzuführen mechanisch mit einem Generator (3) dauerhaft verbunden ist, der elektrisch mit einem Elektromotor (4) verbunden ist, der zumindest mittelbar mit einem mechanischen Getriebe (5) darauf verbunden ist, um Antriebsräder (6) anzutreiben, wobei der Generator (3) und der Elektromotor (4) zueinander konzentrisch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) mechanisch so ausgelegt ist, dass in allen Betriebszuständen der Generator (3) vom Elektromotor (4) getrennt ist.
  2. Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (3) und der Elektromotor (4) in Axialrichtung hintereinander angeordnet sind oder in Axialrichtung überlappend angeordnet sind.
  3. Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (3) einen Rotor (9) besitzt, der als Innenläufer ausgebildet ist und der Elektromotor (4) einen Rotor (12) besitzt, der als Außenläufer ausgebildet ist.
  4. Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl beim Generator (3) als auch beim Elektromotor (4) die Rotoren (9, 12) als Innenläufer ausgebildet sind.
  5. Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (3) und der Elektromotor (4) ineinander verschachtelt sind.
  6. Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) im Drehmomentenfluss nach dem Elektromotor (4) vorhanden ist.
  7. Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verbrennungskraftmaschine (2) und dem Generator (3) eine Übersetzung von i1 realisiert ist, zwischen dem Elektromotor und einer Zwischenwelle (14) eine Übersetzung von i2 realisiert ist und zwischen der Zwischenwelle (14) und einem Differenzialgetriebe (15) eine Übersetzung von i3 realisiert ist, wobei i1 ≠ i2 ≠ i3 ist.
  8. Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verbrennungskraftmaschine (2) und dem Generator (3) ein Dämpfer (7) und/oder ein Vorgelegegetriebe vorhanden ist.
  9. Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) kupplungsfrei ausgelegt ist.
  10. Hybridfahrzeug mit einem Hybridfahrzeugantriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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