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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Getriebeanordnung, eine Antriebsvorrichtung sowie ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
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Aus der
DE 10 2015 002 405 A1 geht ein Fahrzeug mit zumindest zwei Elektromotoren und einer Steuereinrichtung hervor, wobei die Elektromotoren zumindest eine Welle antreiben. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, eine an der zumindest einen Welle bereitzustellende Leistung auf die zumindest zwei Elektromotoren in Abhängigkeit von der bereitzustellenden Leistung zu verteilen. Der jeweilige Elektromotor ist beispielsweise mit einem Getriebe verbunden, wobei die Elektromotoren und die Getriebe zu einem Antriebsstrang zusammengefasst sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Antrieb eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs sowie eine Getriebeanordnung und eine Antriebsvorrichtung vorzuschlagen, mit denen der Antrieb des zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs effizienter gestaltet wird. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Antrieb eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer Getriebeanordnung mit mindestens einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine werden die beiden elektrischen Maschinen zumindest mittelbar gemeinsam mit wenigstens einer Abtriebswelle antriebswirksam verbunden, wobei wenigstens eine der elektrischen Maschinen in Abhängigkeit eines Gesamtwirkungsgrades und/oder in Abhängigkeit einer Gesamtleistung der jeweiligen mit dem Abtrieb gekoppelten elektrischen Maschinen über eine jeweilige Kupplungseinheit vom Abtrieb abgekoppelt beziehungsweise an den Abtrieb angekoppelt wird. Mit anderen Worten ist die Getriebeanordnung als Multimotortopologie ausgebildet, bei der zum Antrieb des Fahrzeugs stets mindestens eine elektrische Maschine mit der jeweiligen Abtriebswelle antriebswirksam verbunden ist bzw. bei der ein Drehmoment sowie eine Drehzahl auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen wird.
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Jede elektrische Maschine weist je nach Bauart ein separates Wirkungsgradkennfeld auf, wobei für jeden Betriebspunkt der jeweiligen elektrischen Maschine ein jeweiliger Wirkungsgrad vorliegt. Zudem wird wenigstens ein weiteres Wirkungsgradkennfeld bereitgestellt, dass einen jeweiligen Wirkungsgrad der Getriebeanordnung zu jedem beliebigen Betriebspunkt des Fahrzeugs angibt, also wenn mehrere oder alle elektrische Maschinen gemeinsam zum Antrieb des Fahrzeugs beitragen bzw. mit dem Abtrieb wirkverbunden sind. Bei unterschiedlich ausgebildeten elektrischen Maschinen kann dies, je nach Kombination der elektrischen Maschinen miteinander, jeweils zu unterschiedlichen Wirkungsgradkennfeldern und entsprechenden Wirkungsgraden für den jeweiligen Betriebspunkt führen. Durch geeignete Entkopplung oder Ankopplung einer oder mehrere elektrischer Maschinen kann so je nach Betriebspunkt ein wirkungsgradoptimaler Antrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden.
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Insbesondere dann, wenn das Fahrzeug in einem Fahrzyklus bzw. in einem Betriebspunkt mit geringen Lastanforderungen angetrieben wird, kann es aufgrund des Wirkungsgradkennfeldes der jeweiligen elektrischen Maschinen sein, dass, wenn mehrere oder alle elektrische Maschinen mit dem Abtrieb gekoppelt sind, ein ungünstiger Gesamtwirkungsgrad am jeweiligen Betriebspunkt vorliegt. Es ist daher vorteilhaft, wenigstens eine der elektrischen Maschinen in Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades durch die jeweilige Kupplungseinheit von der jeweiligen Abtriebswelle, das heißt vom Abtrieb abzukoppeln. Der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt infolgedessen mit mindestens einer elektrischen Maschine weniger, wobei derart viele elektrische Maschinen vom Abtrieb abgekoppelt werden bzw. derart viele elektrische Maschine mit dem Abtrieb gekoppelt bleiben, dass der Gesamtwirkungsgrad der Getriebeanordnung im Vergleich zum Antriebszustand vor der Abkopplung der jeweiligen elektrischen Maschine verbessert wird. Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich aus dem Wirkungsgradkennfeld der noch mit dem Abtrieb wirkverbundenen elektrischen Maschine bzw. Maschinen zum jeweiligen Betriebspunkt. Mit anderen Worten wird mindestens eine abzukoppelnde elektrische Maschine an bestimmten Betriebspunkten von der damit wirkverbundenen Kupplungseinheit mechanisch vom Abtrieb entkoppelt, sodass die jeweilige entkoppelte elektrische Maschine vollständig vom Antriebsstrang getrennt ist und infolgedessen, also aufgrund der geöffneten Kupplung, keine Verluste produziert. Mithin ist die jeweilige Kupplungseinheit dazu eingerichtet, zumindest eine der wenigstens zwei elektrischen Maschinen vom Abtrieb zu entkoppein.
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Wenn das Fahrzeug mit höheren Lastanforderungen angetrieben werden soll, zum Beispiel wenn der Fahrer eine Vollgasfahrt wünscht, kann es dazu kommen, dass der gewünschte Betriebspunkt außerhalb der Kennfeldgrenzen der jeweiligen mit dem Abtrieb gekoppelten elektrischen Maschine bzw. Maschinen liegt. In diesem Fall kann die mit dem Abtrieb gekoppelte elektrische Maschine bzw. die mit dem Abtrieb gekoppelten elektrischen Maschinen den gewünschten Betriebspunkt aufgrund der bauartabhängigen Leistungsgrenzen bzw. den Kennfeldgrenzen des jeweiligen Wirkungsgradkennfeldes der jeweiligen elektrischen Maschine nicht realisieren. In Abhängigkeit der Gesamtleistung der jeweiligen mit dem Abtrieb gekoppelten elektrischen Maschinen wird infolgedessen wenigstens eine elektrische Maschine über eine jeweilige dazugehörige Kupplungseinheit an den Abtrieb angekoppelt, sodass die Leistungsfähigkeit der Getriebeanordnung sowie der Gesamtwirkungsgrad der Getriebeanordnung verbessert werden.
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Die Getriebeanordnung kann derart ausgebildet sein, dass jede elektrische Maschine über eine Kupplungseinheit mit der jeweiligen Abtriebswelle verbunden ist, sodass je nach Betriebspunkt beliebige elektrische Maschinen vom Abtrieb entkoppelt werden können. Alternativ kann die Getriebeanordnung auch derart ausgebildet sein, dass zumindest die erste elektrische Maschine direkt mit der jeweiligen Abtriebswelle verbunden ist bzw. sind, wobei wenigstens die zweite elektrische Maschine, vorzugsweise alle weiteren elektrischen Maschinen über eine jeweilige Kupplungseinheit mit dem Abtrieb koppelbar bzw. davon entkoppelbar sind. Durch die Entkopplung einer oder mehrerer elektrischen Maschinen vom Abtrieb kann die noch mit dem Abtrieb verbundene elektrische Maschine bzw. die elektrischen Maschinen somit wirkungsgradoptimal betrieben werden, wobei die abgekoppelte elektrische Maschine bzw. alle abgekoppelten elektrischen Maschinen währenddessen nicht mit der Antriebsstrangdrehzahl drehen und somit keine Verluste produziert bzw. produzieren.
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Nach einem Ausführungsbeispiel wird die jeweilige abgekoppelte elektrische Maschine nach der mechanischen Abkopplung mit einer konstanten ersten Drehzahl betrieben. Dies kann für eine dynamische Zuschaltung einer oder mehrerer elektrischer Maschine bzw. Maschinen genutzt werden, wobei die Drehzahl der jeweiligen entkoppelten elektrischen Maschine lediglich abgesenkt und nicht komplett zum Stillstand gebracht wird, sodass diese im Bedarfsfall deutlich schneller synchronisiert und anschließend angekoppelt werden kann. Eine solch konstante Drehzahl beträgt beispielsweise 3.000 Umdrehungen pro Minute.
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Alternativ wird die jeweilige abgekoppelte elektrische Maschine nach der mechanischen Abkopplung mit einer ersten Drehzahl betrieben, die in einem konstanten Drehzahlverhältnis zu einer zweiten Drehzahl der mit der jeweiligen Abtriebswelle antriebswirksam verbundenen elektrischen Maschine steht. So könnte die jeweilige abgekoppelte elektrische Maschine nach der Abkopplung zum Beispiel stets mit 50% der Drehzahl einer aktuell mit dem Abtrieb verbundenen elektrischen Maschine mitgeführt bzw. gedreht werden. Mit anderen Worten beträgt die erste Drehzahl der entkoppelten ersten elektrischen Maschine stets die Hälfte der zweiten Drehzahl der mit der jeweiligen Abtriebswelle verbundenen zweiten elektrischen Maschine. Dabei ist selbstverständlich jedes beliebige Drehzahlverhältnis denkbar, wobei je geringer die erste Drehzahl im Vergleich zur zweiten Drehzahl ist, desto geringer ist die Abnutzung und der Verbrauch der entkoppelten elektrischen Maschine, und wobei je höher die erste Drehzahl im Vergleich zur zweiten Drehzahl ist, desto schneller kann die entkoppelte elektrische Maschine wieder hinzugeschaltet bzw. an den Abtrieb angekoppelt werden.
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Ferner alternativ wird die jeweilige abgekoppelte elektrische Maschine nach der mechanischen Abkopplung mit einer ersten Drehzahl betrieben, die eine konstante Differenz zu einer zweiten Drehzahl der mit der jeweiligen Abtriebswelle antriebswirksam verbundenen elektrischen Maschine aufweist. Mit anderen Worten kann die erste Drehzahl der jeweiligen abgekoppelten ersten elektrischen Maschine stets beispielsweise 10.000 Umdrehungen pro Minute weniger betragen als die jeweilige angekoppelte bzw. mit dem Abtrieb verbundene zweite elektrische Maschine. Die Differenz kann je nach Fahrstrategie und Ausbildung der elektrischen Maschinen beliebig angepasst werden.
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Des Weiteren alternativ kann die jeweilige abgekoppelte elektrische Maschine nach der mechanischen Abkopplung in wenigstens einem ersten begrenzten Drehzahlbereich betrieben wird. Mit anderen Worten kann die entkoppelte erste elektrische Maschine gezielt bestimmte Drehzahlbereiche ansteuern, um beispielsweise akustisch auffällige Resonanzbereiche bewusst zu vermeiden.
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Vorzugsweise werden eine Kopplung sowie eine Entkopplung der jeweiligen elektrischen Maschine in Abhängigkeit wenigstens eines Verlustkennfelds der elektrischen Maschinen durchgeführt. Der Wirkungsgrad der jeweiligen elektrischen Maschine hängt in unterschiedlichen Betriebspunkten von der gewünschten Antriebsstrategie des Fahrzeugs, den Wirkungsgradkennfeldgrenzen bzw. den Verlustkennfeldern der jeweiligen elektrischen Maschine ab. Die Strategie entscheidet abhängig vom angestrebten Betriebspunkt, wann welche elektrische Maschine über eine jeweilige Kupplungseinheit abgekoppelt bzw. angekoppelt wird. Diese Entscheidung wird insbesondere auf Basis der Verlustkennfelder der elektrischen Maschinen getroffen, sodass der gewünschte Betriebspunkt mit minimaler Verlustleistung eingestellt wird. Die Aktivierung bzw. Inaktivierung der jeweiligen elektrischen Maschine ist dabei vorteilhafterweise in jedem Betriebspunkt durchführbar, sodass der Antrieb des Fahrzeugs effizient und insbesondere energiesparsam gestaltet werden kann.
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Bevorzugt erfolgt eine Abkopplung der jeweiligen elektrischen Maschine basierend auf einer Gesamtnutzungsdauer der jeweiligen elektrischen Maschine. Indem elektrische Maschinen mit einer höheren Gesamtnutzungsdauer vom Abtrieb entkoppelt werden als elektrische Maschinen mit geringeren Gesamtnutzungsdauer, wird eine gleichmäßige Belastung und Abnutzung aller Bauteile der Getriebeanordnung, insbesondere der elektrischen Maschinen gewährleistet. Durch zyklisches Wechseln der jeweiligen abkoppelbaren elektrischen Maschine kann insbesondere die thermische Belastung der einzelnen elektrischen Maschinen auf alle elektrischen Maschinen aufgeteilt werden, sodass eine Erhöhung sowohl der maximalen Dauerleistung als auch der Lebensdauer erreicht werden kann, da die thermische Belastung jeder elektrischen Maschine sinkt. Durch die mechanische Abkopplung einer oder mehrerer elektrischer Maschinen wird der Verschleiß der abgekoppelten elektrischen Maschinen zudem verringert, wobei eine zusätzliche Erhöhung der Lebensdauer erreicht wird.
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Eine erfindungsgemäße Getriebeanordnung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst mindestens eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine, wobei die beiden elektrischen Maschinen zumindest mittelbar gemeinsam mit wenigstens einer Abtriebswelle antriebswirksam verbindbar sind, wobei wenigstens eine der elektrischen Maschinen in Abhängigkeit eines Gesamtwirkungsgrades und/oder in Abhängigkeit einer Gesamtleistung der jeweiligen mit dem Abtrieb gekoppelten elektrischen Maschinen über eine jeweilige Kupplungseinheit vom Abtrieb abkoppelbar beziehungsweise an den Abtrieb ankoppelbar ist.
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Die jeweilige Kupplungseinheit ist dazu eingerichtet, zumindest eine der beiden elektrischen Maschinen vom Abtrieb zu entkoppeln, um Verlustleistungen zu reduzieren. Zudem kann durch das Hinzukoppeln einer oder mehrerer vorher entkoppelter elektrischer Maschinen an den Abtrieb eine sogenannte Drehmoment-Boost-Funktion erreicht werden.
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Die zumindest eine Abtriebswelle ist koaxial zu einer Abtriebsachse angeordnet. Vorzugsweise sind zwei Abtriebswellen koaxial zueinander sowie koaxial zur Abtriebsachse angeordnet, wobei jede Abtriebswelle mit einem jeweiligen Rad des Fahrzeugs zumindest mittelbar antriebswirksam verbunden ist. Die Abtriebsachse ist bevorzugt mittig in einem Getriebegehäuse bzw. im Bauraum des Getriebegehäuses angeordnet, sodass die verschiedenen Bauteile der Getriebeanordnung, und zwar insbesondere die mindestens zwei elektrischen Maschinen um die Abtriebsachse herum angeordnet sind.
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Vorzugsweise sind die mindestens zwei elektrischen Maschinen in einem gemeinsamen Getriebegehäuse angeordnet. Durch die Anordnung mehrerer elektrischer Maschinen in einem gemeinsamen Hauptgehäuse können die elektrischen Maschinen vergleichsweise klein, das heißt mit kleinem Durchmesser ausgebildet sein, sodass in der Folge eine höhere Maschinendrehzahl bzw. eine Rotorumfangsgeschwindigkeit der jeweiligen elektrischen Maschine realisierbar ist. Je größer die Anzahl der elektrischen Maschinen in der Getriebeanordnung, desto besser kann zudem ein Drehmomentverlust aufgrund des vergleichsweise geringeren Maschinendurchmessers kompensiert werden.
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Die elektrischen Maschinen sind bevorzugt auf derselben Getriebeseite angeordnet. Dadurch wird eine gleiche Drehrichtung der Rotorwellen der jeweiligen elektrischen Maschine sowie eine Doppelnutzung von Getriebeteilen erreicht. Die elektrischen Maschinen können dabei identisch, das heißt in gleicher Größe, Leistung, Bauart und/oder mit gleichem Verlustkennfeld ausgebildet sein. Alternativ ist denkbar, dass die elektrischen Maschinen je nach Anforderung an die Getriebeanordnung unterschiedliche Leistungen, erforderliche Bauraumvolumen, Bauarten und/oder Verlustkennfelder aufweisen.
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Jede elektrische Maschine besteht vorzugsweise zumindest aus einem ortsfesten Stator, sowie einem relativ dazu drehbaren Rotor, der zumindest mittelbar mit der jeweiligen Rotorwelle verbunden ist. Die Rotorwelle kann wiederum die Antriebswelle sein oder mit einer Antriebswelle drehfest verbunden sein, die ein Drehmoment und eine Drehzahl zumindest mittelbar an die jeweilige Abtriebswelle der Getriebeanordnung überträgt.
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Bevorzugt weist wenigstens eine der elektrischen Maschinen zumindest eine erste Übersetzungsstufe auf, wobei die jeweilige erste Übersetzungsstufe zumindest mittelbar mit der jeweiligen Abtriebswelle antriebswirksam verbindbar ist. Die elektrischen Maschinen können jeweils als permanenterregter Synchronmotor oder als Asynchronmotor ausgebildet sein. Die elektrischen Maschinen sind derart über die Übersetzungsstufe mit der jeweiligen Abtriebswelle wirkverbunden, dass eine Antriebsleistungssummation der mit dem Abtrieb verbundenen elektrischen Maschinen erfolgt. Mit anderen Worten wird durch die Aufteilung der Gesamtleistung auf mehrere, insbesondere wenigstens zwei elektrische Maschinen die Leistung aller elektrischen Maschinen beispielsweise über ein Summiergetriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe, zusammengefasst, wobei dabei eine Überlagerung der einzelnen Motordrehmomente erfolgt. Durch geeignete Kopplung oder Abkopplung einer oder mehrerer elektrischer Maschinen vom Abtrieb wird bzw. werden die mit dem Abtrieb verbundenen elektrischen Maschine bzw. Maschinen wirkungsgradoptimiert betrieben. Die Wirkungsgradsteigerung bzw. -optimierung führt letztlich zu einer Verminderung des Energieverbrauchs und somit zu einem effizienten Antrieb des Fahrzeugs.
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Die jeweilige erste Übersetzungsstufe ist somit ferner bevorzugt als Planetengetriebe ausgebildet. Es ist ferner denkbar, dass zwischen der elektrischen Maschine und der jeweiligen Abtriebswelle zwei oder mehrere Übersetzungsstufen angeordnet sind. Die erste Übersetzungsstufe der jeweiligen elektrischen Maschine kann eine erste Übersetzung aufweisen, wobei auch die weiteren Übersetzungsstufen der jeweiligen elektrischen Maschine eine jeweilige Übersetzung aufweisen können. Zudem ist denkbar, dass die Übersetzungen der jeweiligen ersten Übersetzungsstufen der elektrischen Maschinen ungleich sind. Mithin kann durch Variation der Übersetzungsverhältnisse der Übersetzungsstufen der ersten und/oder zweiten elektrischen Maschine der Antrieb effizienter gestaltet werden und die Getriebeanordnung ferner hinsichtlich akustischer Aspekte ausgelegt werden.
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Ferner bevorzugt sind zwei elektrische Maschinen vorgesehen, die über eine gemeinsame Übersetzungsstufe zumindest mittelbar mit der jeweiligen Abtriebswelle antriebswirksam verbindbar sind. Die Übersetzungsstufe ist vorzugsweise als Planetengetriebe ausgebildet, wobei eine Rotorwelle der jeweiligen elektrischen Maschine mit der Übersetzungsstufe wirkverbunden ist, wobei durch die Übersetzungsstufe eine Antriebsleistungssummation erfolgt. Ist eine Übersetzungsstufe vorgesehen, ist die jeweilige Kupplungseinheit vorzugsweise im Leistungsfluss zwischen der jeweiligen elektrischen Maschine und der Übersetzungsstufe angeordnet.
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Des Weiteren bevorzugt sind wenigstens die erste und zweite elektrische Maschine mit einem Differential antriebswirksam verbunden, wobei das Differential wenigstens mit zwei Abtriebswellen wirkverbunden ist. Auch über das Differential kann je nach Ausbildung der Getriebeanordnung, insbesondere wenn jede elektrische Maschine über wenigstens eine eigene Übersetzungsstufe verfügt, eine Antriebsleistungssummation aller Antriebsleistungen der elektrischen Maschinen erfolgen, sodass die elektrischen Maschinen je nach Kopplungszustand der jeweiligen Kupplungseinheit einzeln oder gemeinsam mit dem Abtrieb verbunden sind. Das Differential ist vorzugsweise koaxial zur Abtriebsachse bzw. auf der Abtriebsachse angeordnet und verbindet bevorzugt zwei Abtriebswellen miteinander, die jeweils mit zumindest einem jeweiligen Rad des Fahrzeugs wirkverbunden sind.
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Aufgrund der erfolgenden Antriebsleistungssummation können die elektrischen Maschinen vergleichsweise kompaktbauend, insbesondere mit vergleichsweise geringem Durchmesser ausgebildet werden. Ferner wird das Leistungsgewicht der Getriebeanordnung erhöht und gleichzeitig aufgrund der um die Abtriebsachse angeordneten Getriebebauteile der erforderliche Bauraum der Getriebeanordnung reduziert, sodass im Umkehrschluss größere Batterien zur elektrischen Versorgung der Getriebeanordnung zum Einsatz kommen können, die die Reichweite des zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs erhöhen. An Stelle eines größeren Batterievolumens kann der eingesparte Bauraum zur Vergrößerung des Fahrzeuginnenraums, insbesondere des Kofferraumvolumens des Fahrzeugs genutzt werden.
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Die Getriebeanordnung kann parallel oder quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnet sein, wobei insbesondere ein Quereinbau der Getriebeanordnung bzw. ein Quereinbau der elektrischen Maschinen im Fahrzeug im Gegensatz zu einer Reihenanordnung von elektrischen Maschinen, die entlang einer Abtriebsachse aufgereiht sind, des geringen erforderlichen Bauraums vorteilhaft ist. Bei einer Längsanordnung der Getriebeanordnung, das heißt parallel zur Fahrzeuglängsachse, sind die mit dem Differential verbundenen Abtriebswellen quer bzw. senkrecht zur Abtriebsachse angeordnet. Bei einer Queranordnung der Getriebeanordnung, das heißt quer zur Fahrzeuglängsachse, sind die mit dem Differential verbundenen Abtriebswellen parallel, vorzugsweise koaxial zur Abtriebsachse angeordnet.
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Vorzugsweise ist die jeweilige Kupplungseinheit als schaltbare Klauenkupplung ausgebildet. Dadurch wird eine einfache Regelbarkeit des Systems realisiert. Aufgrund der schnellen Drehzahländerung der abgekoppelten elektrischen Maschinen ist zudem eine schnelle Synchronisierung der jeweiligen Kupplungseinheit möglich.
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Die Kupplungseinheit kann in einem unbetätigten Zustand in einer geöffneten Stellung oder in einer geschlossenen Stellung vorliegen. Eine in einem unbetätigten Zustand in einer geöffneten Stellung vorliegende Kupplungseinheit ist aus energetischer Sicht vorteilhaft. Demgegenüber ist eine in einem unbetätigten Zustand in einer geschlossenen Stellung vorliegende Kupplungseinheit bei einer fehlerhaften Funktionsweise und somit aus Sicherheitsgründen von Vorteil.
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Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst zumindest eine Getriebeanordnung gemäß der vorher beschriebenen Art und kann je nach Bauart ferner eine Verbrennungsmaschine umfassen. Ein erfindungsgemäßes zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst eine solche Antriebsvorrichtung oder eine Getriebeanordnung gemäß der vorher beschriebenen Art. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Bus oder Lastkraftwagen (Bus und Lastkraftwagen z.B. mit einem Gewicht von über 3,5 t).
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Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten sinngemäß ebenfalls für die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung, die erfindungsgemäße Getriebeanordnung sowie für das erfindungsgemäße zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeug, und umgekehrt.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine stark vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine exemplarische Darstellung eines ersten Wirkungsgradkennfelds in einem ersten Antriebszustand, und
- 4 eine exemplarische Darstellung eines zweiten Wirkungsgradkennfelds in einem zweiten Antriebszustand.
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1 zeigt ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1, das eine Antriebsvorrichtung 15 mit einer Getriebeanordnung 2 umfasst. Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist das Fahrzeug 1 als Elektrofahrzeug mit einer ersten Achse 11a und einer zweiten Achse 11b ausgebildet, wobei die Getriebeanordnung 2 parallel zur ersten Achse 11a angeordnet und antriebswirksam damit verbunden ist.
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Die Getriebeanordnung 2 umfasst eine erste elektrische Maschine 3a und eine zweite elektrische Maschine 3b, wobei die beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b zusammen mit einer Übersetzungsstufe 9 und einem Differential 10 in einem gemeinsamen Getriebegehäuse 21 angeordnet sind. Ferner kann eine - hier nicht dargestellte - Leistungselektronik im Getriebegehäuse 21 angeordnet sein. Mithin ist die Antriebsvorrichtung 15 als Multimotor mit einer Multimotortopologie bzw. als Dualmotor mit einer Dualmotortopologie ausgebildet. Durch den Bauraum des Getriebegehäuses 21 erstreckt sich eine Abtriebsachse 7, die koaxial zu einer ersten und zweiten Abtriebswelle 4a, 4b bzw. zur ersten Achse 11a angeordnet ist, wobei die Abtriebswellen 4a, 4b einerseits mit dem Differential 10 und andererseits mit einem jeweiligen Rad 12a, 12b der ersten Achse 11 a verbunden sind.
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Nach 2 ist eine zweite Ausführungsform der Getriebeanordnung 2 dargestellt, wobei die Getriebeanordnung 2 mit den elektrischen Maschinen 3a, 3b vorliegend quer zur Abtriebsachse 7 angeordnet sind. Anhand der 2 sowie den darauffolgenden Figuren wird die Getriebeanordnung 2 sowie das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben, wobei die Ausführungen und Vorteile gleichermaßen für die erste Ausführungsform gemäß 1 gelten.
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Beide elektrische Maschinen 3a, 3b weisen einen Stator 13 und einen Rotor 14 auf, wobei der Rotor 14 der jeweiligen elektrischen Maschine 3a, 3b mit einer jeweiligen Rotorwelle 6a, 6b verbunden ist. Die Rotorwellen 6a, 6b sind mit der Übersetzungsstufe 9 wirkverbunden, die als Summiergetriebe, zum Beispiel als Planetengetriebe, ausgebildet ist und eine Übersetzung aufweist. Das Planetengetriebe kann dabei beliebig ausgebildet sein, beispielsweise als Minusradsatz oder Plusradsatz. Mithin erfolgt an der Übersetzungsstufe 9 eine Leistungssummation.
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Eine Ausgangswelle 8 der Übersetzungsstufe 9 ist leistungsflussabwärts mit dem Differential 10 wirkverbunden, dass die Antriebsleistung auf die Abtriebswellen 4a, 4b aufteilt, die analog zu 1 mit den Rädern 12a, 12b der ersten Achse 11a wirkverbunden ist. Das Differential 10 ist im Leistungsfluss somit nach der Übersetzungsstufe 9 koaxial zur Abtriebsachse 7 angeordnet und überträgt die Antriebsleistung von der Ausgangswelle 8 der Übersetzungsstufe 9 auf die beiden Abtriebswellen 4a, 4b.
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Die Getriebeanordnung 2 weist ferner eine als schaltbare Klauenkupplung ausgebildete Kupplungseinheit 5 auf, die im Leistungsfluss zwischen der zweiten elektrischen Maschine 3b und der Übersetzungsstufe 9 angeordnet ist. Mithin ist die erste elektrische Maschine 3a stets mit dem Abtrieb bzw. mit den Abtriebswellen 4a, 4b wirkverbunden, wobei die zweite elektrische Maschine 3b über die Kupplungseinheit 5 vom Abtrieb abkoppelbar ist.
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Wenn die zweite elektrische Maschine 3b in einem geschlossenen Zustand vorliegt und dadurch beide elektrische Maschinen 3a, 3b mit dem Abtrieb verbunden sind, kann die zweite elektrische Maschine 3b zum einen in Abhängigkeit eines gemeinsamen Gesamtwirkungsgrades der elektrischen Maschinen 3a, 3b über die Kupplungseinheit 5 vom Abtrieb abgekoppelt werden. Dies ist dann von Vorteil, wenn das Fahrzeug in einem Fahrzyklus mit geringen Lastanforderungen angetrieben werden soll. Insbesondere in solchen Betriebspunkten laufen alle elektrischen Maschinen, wenn sie gemeinsam mit dem Abtrieb gekoppelt sind, mit einem vergleichsweise geringen Wirkungsgrad. Durch Entkopplung der zweiten elektrischen Maschine 3b vom Abtrieb ist nur noch die erste elektrische Maschine 3a mit dem Abtrieb verbunden, die bei geringen Lastanforderungen die nötige Antriebsleistung alleine bereitstellen kann und dadurch mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben wird, als wenn beide elektrische Maschinen 3a, 3b die dem Betriebspunkt gemäße geringe Antriebsleistung gemeinsam erbringen müssten.
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Zur besseren Veranschaulichung ist in 3 ein exemplarisches Wirkungsgradkennfeld der Getriebeanordnung 2 dargestellt, wobei auf der Abszisse 18 eine Drehzahl und auf der Ordinate 19 ein Drehmoment in Prozent aufgetragen sind. Da die elektrischen Maschinen 3a, 3b in beide Drehrichtungen in gleicher Weise antreibbar sind, wird auf der Ordinate 19 ein Drehmomentbereich zwischen -200% und +200% abgebildet. Zudem wird auf der Abszisse 18 exemplarisch ein Drehzahlbereich zwischen 0 und 1000 Umdrehungen pro Minute abgebildet. Die maximale Drehzahl ist abhängig von Bauart, Leistungsfähigkeit und Größe der jeweiligen elektrischen Maschine 3a, 3b.
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Der Antrieb des Fahrzeugs 1 erfolgt gemäß dem Wirkungsgradkennfeld nach 3 stets gemeinsam durch beide elektrische Maschinen 3a, 3b erfolgt bzw. beide elektrische Maschinen 3a, 3b sind parallel aktiv. Das Wirkungsgradkennfeld ist als schraffierte Fläche 16 abgebildet und zeigt beispielhaft, dass der Antrieb des Fahrzeugs 1 durch beide elektrische Maschinen 3a, 3b an jedem Betriebspunkt innerhalb von Wirkungsgradkennfeldgrenzen 20 mit einem konstanten ersten Wirkungsgrad erfolgt. Die Wirkungsgradkennfeldgrenzen 20 sind unter anderem abhängig von Bauart, Leistungsfähigkeit und Größe der jeweiligen elektrischen Maschine 3a, 3b.
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Das gleiche Wirkungsgradkennfeld bzw. die gleiche schraffierte Fläche 16 gemäß 3 ist ebenfalls in 4 dargestellt, wobei hier ebenfalls auf der Abszisse 18 eine Drehzahl und auf der Ordinate 19 ein Drehmoment in Prozent aufgetragen sind. Ergänzend ist hier jedoch eine zweite schraffierte Fläche 17 abgebildet, die einen Wirkungsgradbereich zeigt, in dem nur die erste elektrische Maschine 3a mit dem Abtrieb verbunden ist, wobei die zweite elektrische Maschine 3b durch die Kupplungseinheit 5 vom Abtrieb entkoppelt ist. Die erste elektrische Maschine 3a weist in einem Betriebspunkt innerhalb der zweiten schraffierten Fläche 17 einen zweiten Wirkungsgrad auf, der höher bzw. besser ist als der erste Wirkungsgrad gemäß der ersten schraffierten Fläche 16, wenn beide elektrische Maschinen 3a, 3b mit dem Abtrieb gekoppelt sind. Wird das Fahrzeug 1 also in einem Betriebspunkt betrieben, der innerhalb der zweiten schraffierten Fläche 17 liegt, wird in Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades der Getriebeanordnung 2 durch die Kupplungseinheit 5 eine Entkopplung der zweiten elektrischen Maschine 3b vom Abtrieb durchgeführt, um die erste elektrische Maschine 3a mit einem besseren Wirkungsgrad zu betreiben und dementsprechend den Wirkungsgrad der Getriebeanordnung 2 insgesamt zu verbessern, wodurch der Antrieb des Fahrzeugs 1 effizienter und energiesparsamer gestaltet wird.
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Demgegenüber kann, wenn das Fahrzeug 1 nur mit der ersten elektrischen Maschine 3a angetrieben wird und ein Betriebspunkt gewählt wird, der außerhalb des Wirkungsgradkennfeldes der ersten elektrischen Maschine 3a liegt, die zweite elektrische Maschine 3b erneut über die Kupplungseinheit 5 mit dem Abtrieb gekoppelt werden, um die Antriebsleistung zu erhöhen und einen Wirkungsgrad des Antriebs an den Betriebspunkt anzupassen. Mit anderen Worten wird die zweite elektrische Maschine 3b in Abhängigkeit einer Gesamtleistung der jeweiligen mit dem Abtrieb gekoppelten ersten elektrischen Maschinen 3a über die Kupplungseinheit 5 an den Abtrieb angekoppelt.
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Wann die zweite elektrische Maschine 3b vom Abtrieb entkoppelt bzw. hinzugekoppelt wird, hängt im Wesentlichen von der Ausbildung der elektrischen Maschinen 3a, 3b sowie der Fahrstrategie des Fahrzeugs 1 ab. Insbesondere erfolgt eine Kopplung bzw. eine Entkopplung der zweiten elektrischen Maschine 3b in Abhängigkeit wenigstens eines Verlustkennfelds der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b, um Verlustleistungen der elektrischen Maschinen 3a, 3b zu reduzieren.
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Wenn zwei oder mehr elektrische Maschinen vom Abtrieb abkoppelbar sind, ist eine Abkopplung der jeweiligen abkoppelbaren elektrischen Maschine 3a, 3b basierend auf einer Gesamtnutzungsdauer der jeweiligen abkoppelbaren elektrischen Maschine durchführbar. Dies ist vorteilhaft zur Reduzierung von Verschleiß und Abnutzung der Antriebsvorrichtung 15. Insbesondere eine thermische Belastung der elektrischen Maschinen 3a, 3b wird dadurch realisiert und eine maximale Dauerleistung sowie die Lebensdauer wird erhöht.
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Um den Betrieb des Fahrzeugs 1 effizienter zu gestalten und ein Einkoppeln der zweiten elektrischen Maschine 3a ,3b zu beschleunigen, kann die abgekoppelte zweite elektrische Maschine 3b nach dessen mechanischer Abkopplung mit einer konstanten ersten Drehzahl betrieben werden. Alternativ kann die jeweilige abgekoppelte zweite elektrische Maschine 3b nach dessen mechanischer Abkopplung mit einer ersten Drehzahl betrieben wird, die in einem konstanten Drehzahlverhältnis zu einer zweiten Drehzahl der mit der jeweiligen Abtriebswelle 4a antriebswirksam verbundenen ersten elektrischen Maschine 3a steht. Ferner alternativ kann die jeweilige abgekoppelte zweite elektrische Maschine 3b nach dessen mechanischer Abkopplung mit einer ersten Drehzahl betrieben wird, die eine konstante Differenz zu einer zweiten Drehzahl der mit der jeweiligen Abtriebswelle 4a antriebswirksam verbundenen ersten elektrischen Maschine 3a aufweist. Diese Varianten dienen insbesondere dazu, eine dynamische Zuschaltung bzw. Kupplung der jeweiligen entkoppelten elektrischen Maschine 3b zu realisieren, wobei die Drehzahl der jeweiligen entkoppelten zweiten elektrischen Maschine 3b lediglich abgesenkt und nicht komplett abgeschaltet wird, sodass diese im Bedarfsfall deutlich schneller synchronisiert und anschließend durch die Kupplungseinheit 5 angekoppelt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Getriebeanordnung
- 3a
- Erste elektrische Maschine
- 3b
- Zweite elektrische Maschine
- 4a
- Erste Abtriebswelle
- 4b
- Zweite Abtriebswelle
- 5
- Kupplungseinheit
- 6a
- Erste Rotorwelle
- 6b
- Zweite Rotorwelle
- 7
- Abtriebsachse
- 8
- Ausgangswelle
- 9
- Übersetzungsstufe
- 10
- Differential
- 11 a
- Erste Achse
- 11 b
- Zweite Achse
- 12a
- Erstes Rad
- 12b
- Zweites Rad
- 13
- Stator
- 14
- Rotor
- 15
- Antriebsvorrichtung
- 16
- Erste schraffierte Fläche
- 17
- Zweite schraffierte Fläche
- 18
- Abszisse
- 19
- Ordinate
- 20
- Wirkungsgradkennfeldgrenze
- 21
- Getriebegehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015002405 A1 [0002]
