DE102021207496A1

DE102021207496A1 - Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021207496A1
Application number: DE102021207496.0A
Authority: DE
Inventors: Axel Rohm; Thomas Dögel; Jens Schönekäs
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2023-01-19

Abstract

Hybridantriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor (2) und einen Drehmomentwandler (3), wenigstens eine elektrische Maschine (4, 12) und eine wenigstens eine Gangstufe (10, 11, 15) aufweisende Getriebeeinrichtung (5), wobei die elektrische Maschine (4, 12) in P3-Anordnung vor der Getriebeeinrichtung (5) in dem Hybridantriebsstrang (1) angeordnet ist und von der elektrischen Maschine (4, 12) und dem Verbrennungsmotor (2) erzeugte Drehmomente demselben Getriebeausgang (6) der Getriebeeinrichtung (5) zuführbar oder zugeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und einen Drehmomentwandler, wenigstens eine elektrische Maschine und eine wenigstens eine Gangstufe aufweisende Getriebeeinrichtung.
Hybridantriebsstränge für Kraftfahrzeuge sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, als sogenannte „elektrifizierte Getriebe“, die sowohl einen Verbrennungsmotor als auch wenigstens einen Elektromotor aufweisen, um das Kraftfahrzeug anzutreiben. Weiters gibt es Hybridantriebstränge, zu deren Funktion zwingend eine elektrische Maschine erforderlich ist. Ein solcher Hybridantriebsstrang wird auch als „DHT-Getriebe“ (dedicated hybrid transmission) bezeichnet bzw. weist ein solches auf, wobei üblicherweise aufgrund von zu erwartenden Kosten bzw. vorliegender Bauraumsituation eine Reibungskupplung als Anfahrelement verwendet wird, beispielsweise eine trockenlaufende oder eine nasslaufende Kupplung. Damit geht einher, dass die Anzahl der zur Verfügung stehenden Gangstufen vergleichsweise groß gewählt werden muss, um alle erforderlichen Einsatzbedingungen zu erfüllen. Dies wirkt sich wiederum nachteilig auf den Bauraum aus, da ein entsprechender Radsatz erforderlich ist, der die vergleichsweise hohe Anzahl der Gangstufen bereitstellen kann. Daraus ergibt sich, dass der wenigstens eine Elektromotor üblicherweise in einen verbleibenden Platz angeordnet wird, sodass zum Teil Kompromisse mit negativen Auswirkungen auf die Funktion, den Wirkungsgrad und die Kosten eingegangen werden müssen.
Insbesondere werden die vergleichsweise vielen Gangstufen erforderlich, da Anforderungen in Bezug auf die Zugkraft und die Realisierung hoher Geschwindigkeiten kombiniert werden müssen. Der Verbrennungsmotor muss üblicherweise in bestimmten Drehzahlbereichen gehalten werden und nach kurzer Zeit synchronisiert werden können. Bekannte Hybridantriebsstränge mit wenigen Gangstufen ermöglichen zumeist den Betrieb des Verbrennungsmotors erst oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit, da die beschriebene Reibkupplung thermisch nicht beliebig hoch belastbar ist. Die vorgesehene elektrische Maschine übernimmt zumeist das Anfahren bzw. das Rangieren in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine im Stand bzw. bei geringen Drehzahlen ist aber im Hinblick auf den Wirkungsgrad ungünstig, da vergleichsweise hohe Ströme zu schnellerer Erwärmung und anschließend zu einem sogenannten „Derating“ führen, d.h. einer Leistungsbegrenzung aufgrund thermischer Grenzen. Daraus ergibt sich, dass anspruchsvolle Anwendungen üblicherweise nicht bzw. nur schwierig erfüllbar sind. Eine Unterstützung durch den Verbrennungsmotor ist dabei über die Reibungskupplung nur kurzfristig und unter Übertragung eines vergleichsweise geringen Drehmoments möglich, da dies zu einer thermischen Belastung für die Kupplung führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Hybridantriebsstrang anzugeben.
Die Aufgabe wird durch einen Hybridantriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wie beschrieben, betrifft die Erfindung einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, wobei der Hybridantriebsstrang einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine und einen Drehmomentwandler umfasst. In dem Hybridantriebsstrang ist ferner eine Getriebeeinrichtung angeordnet, die wenigstens eine Gangstufe bereitstellt. Der Teil des Hybridantriebsstrangs, der mit dem Verbrennungsmotor koppelbar bzw. gekoppelt ist, kann auch als Getriebevorrichtung verstanden werden. Die nachfolgenden Ausführungen sind auf eine solche Getriebevorrichtung übertragbar. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die elektrische Maschine in P3-Anordnung vor der Getriebeeinrichtung in dem Hybridantriebsstrang angeordnet ist und von der elektrischen Maschine und dem Verbrennungsmotor erzeugte Drehmomente demselben Getriebeausgang der Getriebeeinrichtung zuführbar oder zugeführt sind.
Demzufolge ist es möglich, die Gangstufen sowohl durch den Verbrennungsmotor als auch durch die elektrische Maschine auszunutzen. Aufgrund der Anordnung der elektrischen Maschine in P3-Anordnung vor der Getriebeeinrichtung ist es insbesondere möglich, die elektrische Maschine im selben Gehäuse wie die Getriebeeinrichtung anzuordnen. Die beschriebene elektrische Maschine kann beispielsweise als Hochdrehzahlmotor ausgeführt sein, insbesondere als Asynchronmaschine mit Vorübersetzung. Eine Ausführung als Synchronmaschine ist aber ebenfalls möglich.
Die Erfindung schlägt somit vor, eine Getriebevorrichtung mit einem „Grundgetriebe“ als Getriebeeinrichtung bereitzustellen, das insbesondere im gleichen Getriebegehäuse angeordnet sein kann, wie eine elektrische Maschine, sodass eine sogenannte P3-Anordnung erfüllt ist. Der elektrischen Maschine kann dabei die mechanische Übersetzung, die von der Getriebeeinrichtung bereitgestellt wird, nachgeschaltet sein, beispielsweise als einreihiger oder zweireihiger Planetensatz. Besagtes Grundgetriebe kann somit über eine Eingangswelle verfügen, die direkt mit einer Turbinenwelle des Drehmomentwandlers in Verbindung stehen kann, welche wiederum mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Wirkverbindung steht. Der Drehmomentwandler leitet dabei das verbrennungsmotorische Drehmoment hydrodynamisch an die Getriebeeinrichtung, zum Beispiel an eine Eingangswelle der Getriebeeinrichtung. Dadurch weist der Drehmomentwandler die im hydrodynamischen Betrieb bekannte Wandlung des Drehmoments auf, sodass das verbrennungsmotorische Drehmoment eine Erhöhung erfährt und gleichzeitig die Aufgabe der Drehzahlwandlung von dem Drehmomentwandler übernommen werden kann, sodass der Verbrennungsmotor in jedem Geschwindigkeitsbereich des Kraftfahrzeugs betrieben werden kann.
Die Getriebeeinrichtung kann sonach wenigstens eine Vorübersetzungsstufe bereitstellen, mittels der die von der elektrischen Maschine erzeugte Bewegung übersetzt werden kann. Die gewählte Vorübersetzung kann dabei auch von dem Verbrennungsmotor benutzt werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Dadurch wird insbesondere möglich, dass wahlweise ein Antrieb durch den Verbrennungsmotor oder die elektrische Maschine bzw. durch eine Kombination von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine realisiert wird, wobei die beschriebene Vorübersetzungsstufe von dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine genutzt werden kann. Ebenso ist es möglich, zumindest den Verbrennungsmotor direkt mit dem Getriebeausgang zu verbinden und somit die beschriebene Vorübersetzungsstufe nicht zu nutzen.
Nach einer Ausgestaltung des Hybridantriebsstrangs kann vorgesehen sein, dass die Getriebeeinrichtung wenigstens zwei Gangstufen, insbesondere genau zwei Gangstufen, aufweist. Die beiden Gangstufen können beispielsweise in Form eines Planetensatzes oder auf einer Vorgelegewelle angeordnet sein, insbesondere einreihig mit zwei Stufen. Durch das Bereitstellen von wenigstens zwei bzw. genau zwei Gangstufen lässt sich mit dem hier beschriebenen Antriebsstrang eine Vielzahl von Anforderungen abdecken, ohne die Bauraumsituation durch eine vergleichsweise hohe Anzahl von Gangstufen negativ zu beeinflussen.
Der beschriebene Hybridantriebsstrang kann ferner dahingehend weitergebildet werden, dass die Getriebeeinrichtung wenigstens zwei in jeweils wenigstens zwei Schaltstellungen stellbare Schaltelemente aufweist. Die Schaltelemente ermöglichen beispielsweise, den Verbrennungsmotor wahlweise einer der wenigstens zwei Gangstufen aufzuschalten bzw. Drehmomente, die von dem Verbrennungsmotor erzeugt werden, wahlweise direkt an den Getriebeausgang zu leiten oder diese in eine von zwei Gangstufen einzukoppeln. Ebenso ist es möglich, Drehmomente, die durch die elektrische Maschine erzeugt werden, durch die wenigstens zwei Gangstufen zu übertragen, die von Getriebeeinrichtung bereitgestellt werden, oder diese wahlweise nach der ersten Gangstufe direkt an den Getriebeausgang zu leiten.
Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein erstes Schaltelement dazu ausgebildet ist, in einem ersten Schaltzustand den Rotor der elektrischen Maschine mit einem Ausgang des Drehmomentwandlers oder des Verbrennungsmotors, insbesondere mit der Kurbelwelle, zu koppeln und in einem zweiten Schaltzustand den Ausgang des Drehmomentwandlers oder des Verbrennungsmotors mit dem zweiten Schaltelement zu koppeln. Das erste Schaltelement ermöglicht somit die mit dem Drehmomentwandler in Wirkverbindung stehende Eingangswelle von der Abtriebswelle zu trennen und mit der Primärseite der Vorübersetzungsstufe bzw. mit dem Rotor der elektrischen Maschine zu verbinden. Dadurch wird es möglich, das hydrodynamisch erhöhte Drehmoment des Verbrennungsmotors zu dem von der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoment zu addieren und das gesamte Drehmoment mit demselben Faktor durch die Getriebeeinrichtung zu übersetzen.
Da typische zugkraftintensive Fahrzustände vorwiegend bei niedrigen Geschwindigkeiten stattfinden, ist eine Beschränkung auf Geschwindigkeiten, die sich in der gewählten Übersetzungsstufe mit der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors ergeben nicht notwendigerweise nachteilig. Derartige zugkraftintensive Fahrzustände, beispielsweise Rangieren am Hang, Anhängerbetrieb und dergleichen können somit durch die beschriebene Ausgestaltung besonders vorteilhaft erfüllt werden. Die Kombination mit dem Drehmomentwandler bewirkt somit besonders vorteilhaft, dass der Verbrennungsmotor in allen Geschwindigkeitsbereichen betrieben werden kann und darüber hinaus der Drehmomentwandler als zusätzliche Gangstufe dient. Somit kann die Anzahl der erforderlichen mechanischen Gangstufen bzw. Übersetzungsstufen verringert werden, indem auf Zugkraft ausgelegte mechanische Übersetzungen verzichtet werden kann. Daher kann in Bezug auf Leistung, Herstellungskosten und Verbrauch ein breites Spektrum abgedeckt und ein guter Kompromiss erreicht werden.
Aufgrund der vergleichsweise wenigen Gangstufen kann ein üblicherweise verwendeter, vergleichsweise komplexer Radsatz reduziert werden, sodass die elektrische Maschine in dem Getriebegehäuse, insbesondere bauraumneutral, verbaut werden kann. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, dass bestehende Fahrzeugplattformen sowohl mit konventionellen als auch mit elektrifizierten Antrieben in der gleichen Montagelinie ausgestattet werden können. Ferner kann die Kapazität eines elektrischen Energiespeichers vergleichsweise klein gehalten werden, da der Drehmomentwandler den Betrieb des Verbrennungsmotors auch bei geringeren Geschwindigkeiten erlaubt. Somit ist es nicht zwangsläufig erforderlich, den Betrieb des Kraftfahrzeugs bei niedrigen Geschwindigkeiten über die elektrische Maschine zu realisieren. Insbesondere kann der Verbrennungsmotor auch bei geringem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers das Kraftfahrzeug antreiben und, beispielsweise gleichzeitig, in Lastpunktanhebung den elektrischen Energiespeicher laden, indem die elektrische Maschine als Generator betrieben wird.
In Beschleunigungsvorgängen kann die Unterstützung der elektrischen Maschine ausgenutzt werden. Der Verbrennungsmotor kann hierin auch als reiner Hilfsantrieb bzw. Reichweitenverlängerer vorgesehen sein, beispielsweise in sogenannten Downsizing-Ausführungen mit vergleichsweise geringem Hubraum oder reduzierter Zylinderzahl und damit einhergehendem geringeren Bauraumbedarf.
Ferner kann ein zweites Schaltelement vorgesehen sein, das dazu ausgebildet ist, in einem ersten Schaltzustand einen Ausgang einer ersten Gangstufe mit dem Abtrieb, also dem Getriebeausgang, und in einem zweiten Schaltzustand den Ausgang einer zweiten Gangstufe mit dem Abtrieb, also dem Getriebeausgang, zu koppeln. Letztlich kann somit durch das zweite Schaltelement die zweite Gangstufe überbrückt werden. Insbesondere ist es somit möglich, durch den Schaltzustand des zweiten Schaltelements auszuwählen, ob der Verbrennungsmotor, d.h. der Ausgang des Drehmomentwandlers, mit auf die zweite Gangstufe aufgeschaltet werden soll, oder direkt durchgeschaltet werden soll und somit direkt mit dem Getriebeausgang verbunden werden soll.
In Kombination mit dem zuvor beschriebenen ersten Schaltelement bieten sich somit eine Vielzahl von Möglichkeiten die elektrische Maschine bzw. den Verbrennungsmotor oder eine Kombination von beiden Aggregaten in verschiedenen Gangstufen zu betreiben. Daraus ergibt sich ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten für den Hybridantriebsstrang. Bei dem ersten Schaltelement ist ferner eine Ausgestaltung vorgesehen, bei der das Schaltelement dreistufig ausgeführt ist oder ein Trennelement separat ausgeführt sein kann. Mit anderen Worten kann das erste Schaltelement die Funktion des Trennelements übernehmen, indem für das erste Schaltelement eine Neutralstellung vorgesehen ist. Beispielsweise kann eine erste Schaltstellung des ersten Schaltelements den Ausgang des Drehmomentwandlers mit dem Getriebeeingang bzw. der ersten Gangstufe koppeln. In der Neutralstellung ist der Ausgang des Drehmomentwandlers und somit der Verbrennungsmotor vollständig entkoppelt, das heißt weder direkt noch indirekt mit dem Getriebeausgang verbunden. In einer zweiten Schaltstellungen des ersten Schaltelements kann der Ausgang des Drehmomentwandlers bzw. der Verbrennungsmotor mit dem zweiten Schaltelement gekoppelt werden, das heißt entweder auf die zweite Gangstufe aufgeschaltet werden oder direkt mit dem Getriebeausgang verbunden werden, je nach Schaltstellung des zweiten Schaltelements.
Demzufolge ergibt sich auch eine Kombination von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine bzw. ein reiner Betrieb des Hybridantriebsstrangs mit der elektrischen Maschine. Befindet sich das zweite Schaltelement somit in einer ersten Schaltstellung wird die elektrische Maschine allein oder in Kombination mit dem Verbrennungsmotor nach der ersten Gangstufe mit dem Getriebeausgang verbunden. Befindet sich das zweite Schaltelement in der zweiten Schaltstellungen wird ein von der elektrischen Maschine erzeugtes Drehmoment allein oder in Kombination mit einem von dem Verbrennungsmotor erzeugten Drehmoment nach der zweiten Gangstufe an den Getriebeausgang geführt.
Der Hybridantriebsstrang kann ferner eine zweite elektrische Maschine aufweisen, die insbesondere in PC-Anordnung ausgeführt und zwischen dem Drehmomentwandler und dem Verbrennungsmotor angeordnet sein kann. Dadurch kann die Leistung des Hybridantriebsstrangs weiter gesteigert werden. Durch die vor dem Drehmomentwandler angeordnete weitere elektrische Maschine kann eine direkte oder gegebenenfalls vorübersetzte Verbindung mit der Antriebswelle des Drehmomentwandlers bereitgestellt werden. Dadurch kann zusätzliche elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden. Die Anordnung der zweiten elektrischen Maschine kann auch als P1 - Anordnung oder P2-Anordnung mit Trennelement bzw. Trennkupplung zwischen der Kurbelwelle und der ersten elektrischen Maschine ausgeführt sein. Die Verbindung der zweiten elektrischen Maschine kann nach dem Drehmomentwandler trennbar sein, beispielsweise an der Eingangswelle, so kann mit dieser Kombination zweier elektrische Maschinen ein vollhybridischer Betrieb dargestellt werden, sodass während der Fahrt der Energiespeicher unabhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs geladen werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens eine Wandlerkupplung und/oder ein Trennkupplung vorgesehen sein, die zwischen der zweiten elektrischen Maschine und dem Verbrennungsmotor oder zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine angeordnet ist. Die Wandlerkupplung dient dabei insbesondere dazu, den Drehmomentwandler zu überbrücken. Dies ist insbesondere bei geringer Drehzahldifferenz zwischen der Kurbelwelle und dem Ausgang des Drehmomentwandlers sinnvoll, um den hydrodynamisch bedingten Schlupf im Drehmomentwandler zu eliminieren. Die Trennkupplung kann, wie zuvor beschrieben, dazu verwendet werden, den Verbrennungsmotor von der Getriebeeinrichtung zu trennen. Die Trennkupplung kann dabei vor dem Drehmomentwandler oder nach dem Drehmomentwandler angeordnet sein.
Bei der Anordnung zwischen Drehmomentwandler und erster elektrischer Maschine bietet sich weiterhin der Vorteil, dass ein effizienterer Betrieb bei abgekoppeltem Verbrennungsmotor möglich ist. Wird die Trennkupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und der zweiten elektrischen Maschine angeordnet, kann der Verbrennungsmotor isoliert abgekoppelt werden und dennoch ein vollhybridischer Betrieb der beiden elektrischen Maschinen erreicht werden. In diesem Fall kann insbesondere durch die Wandlerkupplung der Drehmomentwandler überbrückt werden, sodass auch ein Betrieb mittels der zweiten elektrischen Maschine effizient möglich ist.
Wie beschrieben, ist der Hybridantriebsstrang für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar bzw. wird ein breites Spektrum der Leistung abgedeckt. Hierzu ist es möglich, die einzelnen Übersetzungen bzw. Gangstufen auf den konkreten Anwendungsfall hin auszulegen. Hierbei können die einzelnen Übersetzungen bzw. die Wandlung des Drehmoments durch den Drehmomentwandler sowie die Leistungsbereiche der Aggregate, insbesondere der elektrischen Maschine und des Verbrennungsmotors auf einzelne spezielle, beispielsweise zugkraftintensive, Anwendungen ausgelegt werden. Grundsätzlich können die einzelnen Werte daher beliebig gewählt werden.
Hierbei hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass die erste Gangstufe eine Übersetzung von i₁ = 1,5 - 2,5 und/oder die zweite Gangstufe eine Übersetzung von i₂ = 0,7 - 1,3 aufweist und/oder die elektrische Maschine mit einer Übersetzung von i_EM2=2,0 - 3,8 übersetzt ist und/oder der Drehmomentwandler zur Drehmomentwandlung von µ = 1,5 - 2,5 ausgebildet ist und/oder die elektrische Maschine eine Leistung von 100 - 200kW aufweist und/oder dazu ausgebildet ist, ein Drehmoment von 200 - 400Nm zu erzeugen und/oder der Verbrennungsmotor eine Leistung von 60 - 200kW aufweist. Dabei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die elektrische Maschine mit einer Übersetzung von ivü=3 zu übersetzen, und die Übersetzung in einer ersten Gangstufe mit i₁ = 1,7 und in einer zweiten Gangstufe mit i₂ = 1,0 zu übersetzen und eine Drehmomentwandlung seitens des Drehmomentwandlers mit µ = 1,9 mit einer Achsübersetzung i_diff = 2,8 vorzusehen. Wie beschrieben, handelt sich hierbei lediglich um beispielhafte Ausführungen, die je nach konkretem Anwendungsfall angepasst bzw. abgeändert werden können.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend einen zuvor beschriebenen Hybridantriebsstrang. Der Hybridantriebsstrang kann ferner eine Getriebevorrichtung aufweisen, die mit einem Verbrennungsmotor koppelbar bzw. gekoppelt ist. Eine solche Getriebevorrichtung umfasst sonach die zuvor beschriebene wenigstens eine elektrische Maschine, den Drehmomentwandler und die Getriebeeinrichtung. Die weiteren in Bezug auf den Hybridantriebsstrang beschriebenen Einrichtungen sind ebenfalls optional realisierbar. Sämtliche Ausführungen, Vorteile, Einzelheiten und Merkmale mit Bezug auf den Hybridantriebsstrangs sind daher auf das Kraftfahrzeug und die Getriebevorrichtung übertragbar.
Die Erfindung und nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Fig. erläutert. Die Fig. sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 einen Hybridantriebsstrang nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 einen Hybridantriebsstrang nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3 einen Hybridantriebsstrang nach einem dritten Ausführungsbeispiel;
4 einen Hybridantriebsstrang nach einem vierten Ausführungsbeispiel;
5 einen Hybridantriebsstrang nach einem fünften Ausführungsbeispiel; und
6 einen Hybridantriebsstrang nach einem sechsten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt einen Hybridantriebsstrang 1 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug. Der Hybridantriebsstrang 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2 und einen Drehmomentwandler 3 sowie eine elektrische Maschine 4 und eine Getriebeeinrichtung 5. Die elektrische Maschine 4 ist in P3-Anordnung vor der Getriebeeinrichtung 5 angeordnet, wobei, wie nachfolgend beschrieben wird, von der elektrischen Maschine 4 und dem Verbrennungsmotor 2 erzeugte Drehmomente demselben Getriebeausgang 6 der Getriebeeinrichtung 5 zugeführt werden können.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Verbrennungsmotor 2 direkt an den Drehmomentwandler 3 angekoppelt, wobei der Drehmomentwandler 3 mit einer Wandlerkupplung 7 überbrückt werden kann, beispielsweise in Betriebszuständen, in denen nur eine geringe Differenzdrehzahl vorliegt. Dies erlaubt einen effizienteren Betrieb, da Schleppverluste im Inneren des Drehmomentwandlers 3 überbrückt werden können. Der Drehmomentwandler 3, die elektrische Maschine 4 und die Getriebeeinrichtung 5 können auch als Getriebevorrichtung verstanden werden, die mit dem Verbrennungsmotor 2 koppelbar bzw. gekoppelt ist.
Die Getriebeeinrichtung 5 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Schaltelemente 8, 9 auf, wobei das Schalterelement 8 als „erstes Schaltelement 8“ und das Schalterelement 9 als „zweites Schaltelement 9“ bezeichnet wird. Die Bezeichnungen sind dabei auch umkehrbar bzw. die entsprechende Beschreibung übertragbar. Durch das Verbringen der Schaltelemente 8, 9 in verschiedene Schaltstellungen bzw. Schaltzustände sind verschiedene Betriebsmodi des Hybridantriebsstrangs 1 darstellbar. Dazu weist vorteilhafterweise das erste Schaltelement 8 drei bzw. genau drei verschiedene Schaltstellungen auf und das zweite Schaltelement 9 weist wenigstens zwei bzw. genau zwei verschiedene Schaltstellungen auf.
In einer ersten Schaltstellung des ersten Schaltelements 8 kann ein Ausgang des Drehmomentwandlers 3 bzw. die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 2 mit dem Getriebeeingang der Getriebeeinrichtung 5 gekoppelt werden bzw. mit dem Rotor der elektrischen Maschine 4. Die erste Schaltstellung des ersten Schaltelements 8 ist in der schematischen Darstellung von 1 somit „nach links“ geschaltet. Somit kann von dem Verbrennungsmotor 2 erzeugtes Drehmoment mit einem von der elektrischen Maschine 4 erzeugten Drehmoment kombiniert werden. Ebenso ist es möglich, dass der Verbrennungsmotor 2 mit einer ersten Gangstufe 10 der Getriebeeinrichtung 5 gekoppelt wird, unabhängig vom Betrieb der elektrischen Maschine 4.
In einer Neutralstellung, beispielsweise wie in 1 gezeigt, verbindet das erste Schaltelement 8 den Verbrennungsmotor 2 somit nicht, sodass der Verbrennungsmotor 2 und der Drehmomentwandler 3 nicht mit dem Getriebeausgang 6 verbunden sind. In einer zweiten Schaltstellungen, in der in 1 gezeigt schematischen Darstellung „nach rechts“ geschaltet, verbindet das Schalterelement 8 den Ausgang des Drehmomentwandlers 3 bzw. die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 2 mit dem zweiten Schaltelement 9. Abweichend von der Darstellung in 1, kann das zweite Schaltelement 9 auch mit nur zwei Schaltstellungen ausgeführt sein, d.h. ohne Neutralstellung, wie das erste Schaltelement 8.
Daraus ergibt sich, dass das zweite Schaltelement 9 den Ausgang des ersten Schaltelements 8 wahlweise mit dem Getriebeausgang 6 koppelt oder den Ausgang einer zweiten Getriebestufe bzw. Gangstufe 11 mit dem Getriebeausgang 6 koppelt. Mit anderen Worten kann somit das von dem Verbrennungsmotor 2 erzeugte Drehmoment, das gegebenenfalls von dem Drehmomentwandler 3 überhöht wird, wahlweise der ersten Gangstufe 10 zugeführt werden oder der zweiten Gangstufe 11 zugeführt werden oder unmittelbar bzw. direkt durchgeschaltet dem Getriebeausgang 6 zugeführt werden. Daneben besteht die Möglichkeit, das von dem Verbrennungsmotor 2 erzeugte Drehmoment ausschließlich der ersten oder der zweiten Gangstufe 10, 11 zuzuführen bzw. beiden Gangstufen 10, 11 zuzuführen.
Weiter können Kombinationen mit dem Betrieb der elektrischen Maschine 4 vorgenommen werden bzw. kann der Hybridantriebsstrang 1 ausschließlich von der elektrischen Maschine 4 angetrieben werden, wobei bei einem Betrieb der elektrischen Maschine 4 entweder die erste Gangstufe 10 oder beide Gangstufen 10, 11 verwendet werden können, je nachdem in welche Schaltstellung das zweite Schaltelement 9 gestellt ist.
In einem ersten Betriebszustand, in dem das erste Schaltelement 8 in einem ersten Schaltzustand steht, wird das Drehmoment von dem Verbrennungsmotor 2 bzw. dem Drehmomentwandler 3 zusammen mit dem von dem Rotor der elektrischen Maschine 4 erzeugten Drehmoment der ersten Gangstufe 10 zugeführt und, da das zweite Schaltelement 9 in der ersten Schaltstellung steht, nach der ersten Gangstufe 10 dem Getriebeausgang 6 zugeführt. In einem zweiten Betriebsmodus, in dem das erste Schalterelement 8 in der ersten Schaltstellung und das zweite Schaltelement 9 in der zweiten Schalterstellung steht, werden die kombinierten Drehmomente von Verbrennungsmotor 2 bzw. Drehmomentwandler 3 und elektrischer Maschine 4 von der ersten Gangstufe 10 an die zweite Gangstufe 11 und dadurch zum Getriebeausgang 6 geleitet.
In einem weiteren kombinierten Betriebszustand, in dem das erste Schaltelement 8 in der zweiten Schaltstellung steht, wird das von dem Verbrennungsmotor 2 bzw. dem Drehmomentwandler 3 kommende Drehmoment dem zweiten Schaltelement 9 zugeführt, wobei das von der elektrischen Maschine 4 über die erste Gangstufe 10 erzeugte Drehmoment an das zweite Schaltelement 9 geleitet wird. Steht das zweite Schaltelement 9 in der ersten Schaltstellung werden die beiden Drehmomente direkt an den Getriebeausgang 6 geführt. Steht das zweite Schaltelement 9 in der zweiten Schaltstellung werden die Drehmomente beide über die zweite Gangstufe 11 an den Getriebeausgang 6 geleitet.
Ersichtlich bietet sich somit trotz der nur zwei Gangstufen 10, 11 eine Vielzahl an möglichen Betriebsmodi, in dem die Drehmomente von Verbrennungsmotor 2 durch den Drehmomentwandler 3 gewandelt und allein oder in beliebiger Kombination mit von der elektrischen Maschine 4 erzeugten Drehmomenten zu dem Getriebeausgang 6 geführt werden können. Die grundsätzliche Beschreibung der Funktionsweise mit Bezug auf 1 ist auf alle nachfolgenden Ausführungsbeispiele übertragbar. Ebenfalls sind alle Vorteile und Einzelheiten der nachfolgenden Ausführungsbeispiele beliebig mit der in 1 gezeigten Ausführungsform kombinierbar bzw. austauschbar oder auf diese übertragbar.
Im zweiten Ausführungsbeispiel, das in 2 gezeigt ist, ist zusätzlich zu dem Hybridantriebsstrang 1 von 1 eine zweite elektrische Maschine 12 vorgesehen. Die zweite elektrische Maschine 12 ist dabei zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Drehmomentwandler 3 angeordnet. Von der elektrischen Maschine 12 erzeugte Drehmomente können somit ebenfalls, je nach Schließzustand der Wandlerkupplung 7, dem Drehmomentwandler 3 oder unmittelbar an das erste Schaltelement 8 geleitet werden. Die grundsätzlichen Betriebsmodi, die die Getriebeeinrichtung 5 ermöglicht, sind von 1 übertragbar, wobei in allen Betriebsmodi ein zusätzlicher Antrieb durch die elektrische Maschine 12 möglich ist. Durch die Anordnung der zweiten elektrischen Maschine 12 ist zusätzlich auch ein Generatorbetrieb möglich, in dem ein elektrischer Energiespeicher des Kraftfahrzeugs bzw. des Hybridantriebsstrangs 1 geladen werden kann, beispielsweise durch Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors 2 oder durch entsprechende Stellung der Schaltelemente 8, 9.
Die Ausgestaltung nach 3 sieht ferner zu der Ausgestaltung nach 2 eine Trennkupplung 13 vor, die auch als „K0-Kupplung“ bezeichnet werden kann. Diese ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der zweiten elektrischen Maschine 12 und dem Verbrennungsmotor 2 angeordnet. Die Trennkupplung 13 erlaubt dabei insbesondere eine vollständige Abtrennung des Verbrennungsmotors 2. In der gezeigten Konfiguration ist insbesondere ein Vollhybridbetrieb möglich, bei dem beide elektrische Maschinen 4, 12 Drehmoment für den Antrieb des Kraftfahrzeugs bereitstellen können. Ferner kann die elektrische Maschine 12 als Generator betrieben werden, um einen elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs aufzuladen.
4 zeigt grundsätzlich die Variante nach 3, wobei die Getriebeeinrichtung 5 verändert bzw. entfeinert wurde. Diese weist lediglich eine einzige Gangstufe 10, insbesondere als Vorübersetzung für die elektrische Maschine 4, auf. Ferner entfallen beide Schaltelemente 8, 9, sodass die dadurch realisierten Kombinationen von Betriebsmodi ebenfalls entfallen. Der Verbrennungsmotor 2 kann hierbei über die Trennkupplung 13 abgekoppelt werden, sodass ein rein elektrischer Betrieb über die elektrische Maschine 4 und/oder die elektrische Maschine 12 möglich ist. Sämtliche Drehmomente, die von dem Verbrennungsmotor 2, der elektrischen Maschine 4 oder der zweiten elektrischen Maschine 12 erzeugt werden, können somit fix dem gleichen Getriebeausgang 6 zugeführt werden. Die von dem Verbrennungsmotor 2 und der zweiten elektrischen Maschine 12 erzeugten Drehmomente können über den Drehmomentwandler 3 überhöht dem Getriebeausgang 6 zugeführt werden. Die elektrischen Maschinen 4, 12 sind dabei, wie in jeder Ausgestaltung, zur Drehzahlregelung bzw. -anpassung ausgebildet.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung, wobei die Position der Trennkupplung 13 verändert wurde. Die Trennkupplung 13 ist nunmehr zwischen dem Drehmomentwandler 3 und dem ersten Schaltelement 8 angeordnet. Die Position bzw. die Anbindung des ersten Schaltelements 8 ist hierbei lediglich in der Anordnung, nicht aber in der Funktion, unterschiedlich. Das erste Schaltelement 8 ist lediglich in Axialrichtung von der rechten Seite der elektrischen Maschine 4 auf die linke Seite der elektrischen Maschine 4, also zur Seite des Drehmomentwandlers 3 von der Seite der Getriebeeinrichtung 5 verlagert. Die grundsätzliche Beschreibung, beispielsweise von 1, oder 3, ist übertragbar. Durch die Anordnung der Trennkupplung 13 kann ein effizienterer rein elektrischer Betrieb durch die elektrische Maschine 4 realisiert werden, da alle anderen Teile des Hybridantriebsstrangs 1 durch die Trennkupplung 13 abgekoppelt werden können.
In der Ausführung nach 6 wurde optional die zweite elektrische Maschine 12 entfernt. Wie in allen anderen Ausführungsformen ist es möglich, eine zweite elektrische Maschine 12 optional zu verwenden oder diese zu entfernen. Die Trennkupplung 13 wurde, wie bereits in 5 beschrieben, zwischen dem Drehmomentwandler 3 und der elektrischen Maschine 4 angeordnet. Die Anordnung des ersten Schaltelements 8 folgt wiederum der Anordnung von 5, wobei eine anderweitige Anordnung ebenso möglich ist. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, wird in 6 eine Getriebeeinrichtung 5 gezeigt, die eine Vorgelegewelle 14 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel sind auf der Vorgelegewelle 14 eine erste Gangstufe 10 angeordnet, die als Vorübersetzung für die elektrische Maschine 4 verstanden werden kann. Ferner sind eine zweite Gangstufe 11 und eine dritte Gangstufe 15 in Form von Losrädern angeordnet, die mit entsprechenden Festrädern auf der Ausgangswelle in Eingriff stehen. Die Anordnung von Festrädern und Losrädern ist ebenfalls beliebig austauschbar bzw. veränderbar.
Das zweite Schaltelement 9 kann als zwei einzelne Einzelschaltelemente oder als Doppelschaltelement ausgeführt werden. Die grundsätzliche Funktion lässt sich wiederum von dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 übertragen. Beispielsweise kann, je nach Schaltstellung des ersten Schaltelements 8, dass in diesem Ausführungsbeispiel lediglich zwei Schaltstellungen erfordert, der Ausgang der Trennkupplung 13 entweder an den Rotor der elektrischen Maschine 4 oder direkt mit dem Getriebeausgang 6 gekoppelt werden. Der Rotor der elektrischen Maschine 4 ist über die erste Gangstufe 10 auf die Vorgelegewelle 14 übersetzt und kann somit, je nach Schaltstellung des zweiten Schaltelements 9 entweder über die Gangstufe 11 oder über Gangstufe 15 auf den Getriebeausgang 6 übersetzt werden.
Entsprechend ergeben sich die in 1 beschriebenen Kombinationen, bei der der Verbrennungsmotor 2 über den Drehmomentwandler 3 direkt an den Getriebeausgang 6 geleitet werden kann, falls das erste Schaltelement 8 in der zweiten Schaltstellungen steht. Steht das erste Schaltelement 8 in der ersten Schaltstellung, ist der Verbrennungsmotor 2 über den Drehmomentwandler 3 und die Trennkupplung 13 mit dem Rotor der elektrischen Maschine 4 verbunden. Das von der elektrischen Maschine 4 erzeugte Drehmoment kann, insbesondere in Kombination mit dem von dem Verbrennungsmotor 2 erzeugten und mittels des Drehmomentwandlers 3 überhöhten Drehmoments, über die erste Gangstufe 10 entweder über die zweite Gangstufe 11 oder die dritte Gangstufe 15 auf den Getriebeausgang 6 übersetzt werden.
Wie bereits beschrieben, sind sämtliche Vorteile, Einzelheiten und Merkmale in den einzelnen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar, aufeinander übertragbar und miteinander kombinierbar. Insbesondere können die zweite elektrische Maschine 12, die Trennkupplung 13 sowie die Schaltelemente 8, 9 in allen Ausführungsbeispielen vorgesehen bzw. in den entsprechenden gezeigten Anordnungen angeordnet werden. Die Beschreibung ist nicht die gezeigten Gangstufen bzw. Übersetzungen beschränkt. Die einzelnen gezeigten Gangstufen bzw. Vorübersetzungen sind in allen Ausführungsbeispielen realisierbar bzw. miteinander kombinierbar.
Bezugszeichenliste

1: Hybridantriebsstrang
2: Verbrennungsmotor
3: Drehmomentwandler
4: elektrische Maschine
5: Getriebeeinrichtung
6: Getriebeausgang
7: Wandlerkupplung
8, 9: Schaltelement
10, 11: Gangstufe
12: elektrische Maschine
13: Trennkupplung
14: Vorgelegewelle
15: Gangstufe

Claims

Hybridantriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor (2) und einen Drehmomentwandler (3), wenigstens eine elektrische Maschine (4, 12) und eine wenigstens eine Gangstufe (10, 11, 15) aufweisende Getriebeeinrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4, 12) in P3-Anordnung vor der Getriebeeinrichtung (5) in dem Hybridantriebsstrang (1) angeordnet ist und von der elektrischen Maschine (4, 12) und dem Verbrennungsmotor (2) erzeugte Drehmomente demselben Getriebeausgang (6) der Getriebeeinrichtung (5) zuführbar oder zugeführt sind.
Hybridantriebsstrang (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (5) wenigstens eine Vorübersetzungsstufe aufweist.
Hybridantriebsstrang (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (5) wenigstens zwei Gangstufen (10, 11, 15), insbesondere genau zwei Gangstufen (10, 11, 15), aufweist.
Hybridantriebsstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (5) wenigstens zwei in jeweils wenigstens zwei Schaltstellungen stellbare Schaltelemente (8, 9) aufweist.
Hybridantriebsstrang (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Schaltelement (8, 9) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Schaltzustand den Rotor der elektrischen Maschine (4, 12) mit einem Ausgang des Drehmomentwandlers (3) oder des Verbrennungsmotors (2), insbesondere die Kurbelwelle, zu koppeln und in einem zweiten Schaltzustand den Ausgang des Drehmomentwandlers (3) oder des Verbrennungsmotors (2) mit dem zweiten Schaltelement (8, 9) zu koppeln.
Hybridantriebsstrang (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Schaltelement (8, 9) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Schaltzustand einen Ausgang einer ersten Gangstufe (10, 11, 15) mit dem Abtrieb und in einem zweiten Schaltzustand den Ausgang einer zweiten Gangstufe (10, 11, 15) mit dem Abtrieb zu koppeln.
Hybridantriebsstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite elektrische Maschine (4, 12), die in P0-Anordnung ausgeführt und zwischen dem Drehmomentwandler (3) und dem Verbrennungsmotor (2) angeordnet ist.
Hybridantriebsstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wandlerkupplung (7) und/oder eine Trennkupplung (13), die zwischen der zweiten elektrischen Maschine (4, 12) und dem Verbrennungsmotor (2) oder zwischen dem Verbrennungsmotor (2) und der ersten elektrischen Maschine (4, 12) angeordnet ist.
Hybridantriebsstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Gangstufe (10, 11, 15) eine Übersetzung von i₁ = 1,5 - 2,5 und/oder die zweite Gangstufe (10, 11, 15) eine Übersetzung von i₂ = 0,7 - 1,3 aufweist und/oder - die elektrische Maschine (4, 12) mit einer Übersetzung von i_EM2=2,0 - 3,8 übersetzt ist und/oder - der Drehmomentwandler (3) zur Drehmomentwandlung von µ = 1,5 - 2,5 ausgebildet ist und/oder - die elektrische Maschine (4, 12) eine Leistung von 100 - 200kW aufweist und/oder dazu ausgebildet ist, ein Drehmoment von 200 - 400Nm zu erzeugen und/oder - der Verbrennungsmotor (2) eine Leistung von 60 - 200kW aufweist.
Kraftfahrzeug, umfassend einen Hybridantriebsstrang (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.