DE102022123891A1

DE102022123891A1 - Elektrisches antriebsstrangsystem und elektrisches-antriebsstrangsystem-betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102022123891A1
Application number: DE102022123891.1A
Authority: DE
Inventors: Bert Hannon; Joachim van Dingenen
Original assignee: Dana Belgium NV
Current assignee: Dana Belgium NV
Priority date: 2021-09-20
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2023-03-23
Also published as: US20230099321A1; CN115839393A

Abstract

Verfahren und Systeme für einen elektrischen Antriebsstrang werden bereitgestellt. Das elektrische Antriebsstrangsystem umfasst in einem Beispiel eine elektrische Antriebseinheit mit einem Planetengetriebesatz, der eine erste Getriebesatzkomponente umfasst, die drehbar mit einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt ist. Die elektrische Antriebseinheit umfasst außerdem eine Ausgangswelle, die drehbar mit einer zweiten Getriebesatzkomponente im Planetengetriebesatz gekoppelt ist, eine erste Reibungskupplung, die eingerichtet ist, eine dritte Getriebesatzkomponente im Planetengetriebesatz wahlweise zu bremsen, und eine zweite Reibungskupplung, die eingerichtet ist, die erste Getriebesatzkomponente wahlweise mit einer Ausgangswelle zu koppeln.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein elektrisches Mehrgeschwindigkeitsantriebsstrangsystem und ein Verfahren zum Betrieb dieses Antriebsstra ngsyste ms.
HINTERGRUND UND KURZFASSUNG
Elektrische Mehrgangantriebseinheiten, wie z. B. elektrische Achsen, werden in bestimmten Elektrofahrzeugen (EVs: electric vehicles) eingesetzt, da sie im Vergleich zu EVs, die Einganggetriebezüge verwenden, ein höheres Ansprechverhalten und einen höheren Verstärkungsgrad des Motorbetriebswirkungsgrads ermöglichen. Bei diesen elektrischen Antriebseinheiten werden Kompromisse zwischen der Anzahl der wählbaren Gänge und dem Wirkungsgrad der Antriebseinheit aufgrund von Verlusten, die bei Getriebezügen mit mehr Gängen entstehen, eingegangen. Darüber hinaus können frühere Antriebseinheiten mit einer relativ hohen Anzahl von wählbaren Gängen bei anderen Fahrzeugsystemen wie der Aufhängung und den Energiespeichersystemen zu Einschränkungen beim Verpacken führen. Außerdem haben einige frühere Kraftübertragungszüge ineffiziente Kühlsysteme, die unabhängige Kühlkreisläufe für die Kühlung von Motor und Antriebseinheit verwenden.
US 9,435,415 B2 nach Gassmann offenbart eine elektrische Achse für ein Kraftfahrzeug. In einer der in Gassmann vorgestellten Ausführungsformen umfasst die elektrische Achse einen schaltbaren Planetenantrieb mit zwei parallel gekoppelten Planetengetriebestufen. Die elektrische Achse enthält zusätzlich eine Schaltkupplung mit einer Schiebemuffe, die es dem System ermöglicht, zwischen mehreren Übersetzungen zu wechseln, indem zwei unterschiedliche Zahnkränze im System geerdet werden.
Die Erfinder haben mehrere Nachteile der Antriebseinheit Gassmanns ebenso wie anderer früherer elektrischer Antriebsstränge erkannt. Die Antriebseinheit von Gassmann kann aufgrund der Verwendung einer mehrstufigen Planetengetriebeuntersetzung Platzprobleme aufweisen. Daher kann es zu Schwierigkeiten kommen, wenn versucht wird, die Antriebseinheit in Fahrzeugplattformen mit strengen Verpackungsanforderungen einzubauen. Die Verwendung einer mehrstufigen Planetenuntersetzung erhöht die Getriebezugverluste im Vergleich zu elektrischen Achsen mit weniger Stufen. Außerdem erhöht die Verwendung eines einzelnen Motors im System von Gassmann im Vergleich zu elektrischen Mehrmotorachsen die Wahrscheinlichkeit, dass das Fahrzeug aufgrund eines Motorschadens nicht mehr funktioniert. Außerdem können einmotorige elektrische Achsen unter bestimmten Betriebsbedingungen weniger effizient sein als mehrmotorige elektrische Achsen.
Die Erfinder haben die oben genannten Probleme erkannt und ein elektrisches Antriebsstrangsystem entwickelt, mit dem diese Probleme zumindest zum Teil überwunden werden können. Das Antriebsstrangsystem umfasst eine elektrische Antriebseinheit mit einem Planetengetriebesatz. Der Planetengetriebesatz umfasst eine erste Getriebesatzkomponente, die drehbar mit einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt ist. Die elektrische Antriebseinheit umfasst ferner eine Ausgangswelle, die drehbar mit einer zweiten Getriebesatzkomponente im Planetengetriebesatz gekoppelt ist. Die Ausgangswelle ist mit einem Differential oder Achswellen gekoppelt. Die elektrische Antriebseinheit umfasst ferner eine erste Reibungskupplung, die eingerichtet ist, eine dritte Getriebesatzkomponente im Planetengetriebesatz wahlweise zu bremsen. Das System umfasst zusätzlich eine zweite Reibungskupplung, die eingerichtet ist, die erste Getriebesatzkomponente wahlweise mit einer Ausgangswelle zu koppeln. Durch Anordnen mehrerer Reibungskupplungen in dieser Weise kann die elektrische Antriebseinheit in einem kompakten Getriebezug, der weniger Verluste aufweist als Getriebezüge mit einer größeren Anzahl von Stufen, effizient zwischen zwei Gängen schalten. Darüber hinaus kann die Verwendung von zwei elektrischen Maschinen in dem System einen effizienteren Betrieb der elektrischen Maschinen ermöglichen und das Risiko eines Ausfalls des Antriebsstrangs verringern.
In einem weiteren Beispiel können die erste und die zweite elektrische Maschine koaxial angeordnet sein. Durch die koaxiale Anordnung der elektrischen Maschinen können die Verpackungseffizienz des Systems erhöht und die Herstellungskosten des Antriebsstrangsystems auf Wunsch reduziert werden.
In einem weiteren Beispiel kann das elektrische Antriebsstrangsystem außerdem eine dritte elektrische Maschine umfassen, die eine Schmiermittelpumpe mechanisch antreibt. In einem solchen Beispiel steht die Schmiermittelpumpe in Fluidverbindung mit einer oder mehreren schmiermittelbetätigten Komponenten und geschmierten Komponenten in der elektrischen Antriebseinheit und an anderen Stellen im System. Die Schmiermittelpumpe kann beispielsweise Getriebe und Lager in der elektrischen Antriebseinheit und/oder ein Paar Nassbremseinrichtungen, die mit den Antriebsrädern verbunden sind, mit Öl versorgen. Die Schmiermittelpumpe kann unabhängig von den Raddrehzahlen des Fahrzeugs gesteuert werden und lässt sich so an den Schmiermittelfbedarf in der Antriebseinheit anpassen und erhöht den Wirkungsgrad der Antriebseinheit im Vergleich zu elektrischen Antriebssystemen, die Ölpumpen über Fahrmotoren antreiben.
Es versteht sich, dass die obige Kurzfassung dazu dient, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll nicht dazu dienen, wichtige oder essenzielle Merkmale des beanspruchten Gegenstands, dessen Schutzumfang durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche eindeutig definiert wird, zu benennen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, welche Nachteile lösen, die oben oder in einem anderen Teil dieser Offenbarung genannt sind.
Figurenliste

1 zeigt einen Abschnitt eines Fahrzeugs mit einem ersten Beispiel eines elektrischen Antriebsstrangs.
2A-2B zeigen die Energiepfade durch das elektrische Antriebsstrangsystem von 1 jeweils in einer ersten Getriebekonfiguration und einer zweiten Getriebekonfiguration.
2C zeigt ein Diagramm, das eine Kupplungsposition und eine Getriebekonfiguration in den in 2A und 2B dargestellten Betriebszuständen des elektrischen Antriebsstrangsystems in Beziehung setzt.
3 zeigt ein zweites Beispiel eines elektrischen Antriebsstrangsystems.
4 zeigt ein drittes Beispiel eines elektrischen Antriebsstrangsystems.
5 zeigt ein viertes Beispiel eines elektrischen Antriebsstrangsystems.
6A-6C zeigen jeweils mechanische, hydraulische und elektrische Verbindungen in einem elektrischen Antriebsstrangsystem eines Fahrzeugs.
7 zeigt ein Verfahren für einen Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangsystems.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beschrieben wird ein elektrischer Antriebsstrang mit einer elektrischen Antriebseinheit, die kompakt mindestens zwei Geschwindigkeiten mit erhöhtem Wirkungsgrad im Vergleich zu bisherigen elektrischen Kraftübertragungswegen erreicht. Die elektrische Antriebseinheit setzt diese kompakte und hocheffiziente Mehrgangarchitektur durch die Verwendung von zwei elektrischen Maschinen um, die ein Sonnenrad in einer Planetenanordnung (z.B. einem einfachen Planetengetriebesatz) antreiben. Bei der Planetenanordnung sind mindestens zwei Reibungskupplungen mit verschiedenen Getrieben gekoppelt. Die erste Kupplung bremst wahlweise eines der Zahnräder in der Planetenanordnung (z. B. das Hohlrad), und die zweite Kupplung erlaubt wahlweise eine Kraftübertragung vom Sonnenrad direkt auf eine Ausgangswelle. Auf diese Weise erreicht die elektrische Antriebseinheit auf kompakte Weise eine Mehrgangfunktionalität mit höherem Wirkungsgrad im Vergleich zu bisherigen elektrischen Antriebseinheiten wie z. B. Antriebseinheiten mit mehrstufigen Planetengetriebesatzanordnungen.
Die Verwendung von Reibungskupplungen im System ermöglicht es der elektrischen Antriebseinheit, einen Lastschaltbetrieb zu implementieren, der Drehmomentunterbrechungen während Schaltübergängen reduziert (z. B. weitgehend eliminiert). Um den Wirkungsgrad der Antriebseinheit weiter zu erhöhen, kann eine Antriebseinheitspumpe drehbar an einer dritten elektrischen Maschine befestigt sein, die es erlaubt, die Pumpe strategisch und unabhängig zu betreiben, um den Ölbedarf der Antriebseinheit (z. B. Ölbedarf für Schmierung, Komponentenbetätigung und/oder Kühlung) im Vergleich zu Pumpen, die von einem Fahrmotor oder Verbrennungsmotor (ICE) angetrieben werden, besser zu erfüllen. Die Antriebseinheitspumpe kann beispielsweise Schmiermittel an nasse Radbremsen oder die nassen Kupplungen des Triebstrangs, geschmierte Getriebe und Lager im Planetengetriebesatz und/oder hydraulische Kupplungsaktuatoren in der Antriebseinheit verteilen. Darüber hinaus kann eine Antriebssteuerungseinheit (DCU) für eine Energieverwaltung des Antriebsstrangsystems eingesetzt werden, insbesondere um die Verteilung von elektrischer Energie an die Wechselrichter und die entsprechenden elektrischen Maschinen sowie eine Steuerung der Kupplungen zu erweitern. Die DCU kann elektronisch mit der Fahrzeugsteuerungseinheit (VCU) kommunizieren, damit die DCU eine größere Bandbreite an Fahrzeugbetriebsdaten empfangen kann, um die Energieverteilung effizienter zu verwalten.
Die Übersetzungsverhältnisse der elektrischen Antriebseinheit können es ermöglichen, dass die Antriebseinheit im ersten Getriebemodus mit einer relativ hohen Zugkraft arbeitet während sie im zweiten Getriebemodus eine relativ hohe Reisegeschwindigkeit (z. B. Höchstgeschwindigkeit) erreicht. Beispielsweise kann das Übersetzungsverhältnis der elektrischen Antriebseinheit im ersten Getriebemodus im Bereich von 1,8-4,0 und das Übersetzungsverhältnis der elektrischen Antriebseinheit im zweiten Getriebemodus im Bereich von 5,0-13,0 liegen.
1 veranschaulicht ein Fahrzeug 100 mit einem elektrischen Antriebsstrangsystem 102. So ist das Fahrzeug 100 ein Elektrofahrzeug (EV), wie z. B. ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug (BEV). Vollelektrische Fahrzeuge können aufgrund ihrer geringeren Komplexität und Gefahr der Beschädigung von Komponenten gezielt verwendet werden. Ausführungsformen eines hybridelektrischen Fahrzeugs (Hybrid Electric Vehicle, HEV) können jedoch dort eingesetzt werden, wo das Fahrzeug einen Verbrennungsmotor (ICE) aufweist. In einem Beispiel kann es sich bei dem Fahrzeug um ein Geländefahrzeug handeln, das aufgrund seiner Größe und/oder seiner Höchstgeschwindigkeit nicht auf Autobahnen fahren kann. So kann beispielsweise die Breite des Fahrzeugs größer sein als eine Autobahnspur und/oder die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs kann unter einer zulässigen Minimalgeschwindigkeit auf der Autobahn liegen. In anderen Beispielen kann es sich bei dem Fahrzeug jedoch auch um ein autobahntaugliches Fahrzeug handeln, wie z. B. ein Nutzfahrzeug oder ein Personenfahrzeug.
Das elektrische Antriebsstrangsystem 102 umfasst eine elektrische Antriebseinheit 104, die drehbar mit einer ersten elektrischen Maschine 106 und einer zweiten elektrischen Maschine 108 gekoppelt ist. Jede der elektrischen Maschinen 106, 108 kann herkömmliche Komponenten wie einen Rotor und einen Stator enthalten, die während des Betriebs elektromagnetisch zusammenwirken, um Bewegungsenergie zu erzeugen. Bei den elektrischen Maschinen kann es sich außerdem um Motor-Generatoren handeln, die auch während eines Regenerationsbetriebs elektrische Energie erzeugen. Ferner können die elektrischen Maschinen in einem Beispiel ähnliche Ausführungen und Größen aufweisen. Auf diese Weise kann die Herstellungseffizienz erhöht werden. In alternativen Beispielen können die elektrischen Maschinen jedoch unterschiedliche Größen und/oder Komponentenausführungen aufweisen.
Außerdem können die elektrischen Maschinen 106, 108 mehrphasige elektrische Maschinen sein, die durch einen ersten Wechselrichter 110 und einen zweiten Wechselrichter 112 mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese und die anderen hier beschriebenen Wechselrichter sind für die Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) und umgekehrt ausgelegt. So können die elektrischen Maschinen 106, 108 genauso wie die anderen elektrischen Maschinen AC-Maschinen sein. Beispielsweise können die elektrischen Maschinen 106, 108 und die Wechselrichter 110, 112 in einem Anwendungsfallbeispiel dreiphasige Einrichtungen sein. Es wurden jedoch auch Motoren und Wechselrichter für den Betrieb unter Verwendung von mehr als drei Phasen vorgesehen. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Wechselrichtern 110, 112 und den elektrischen Maschinen 106, 108 sind durch Leitungen 114, 116 (z. B. mehrphasige Drähte) gekennzeichnet.
Die Wechselrichter 110, 112 können DC-Leistung von mindestens einer elektrischen Energiequelle 118 (z. B. einer Energiespeichereinrichtung wie einer Traktionsbatterie, einem Kondensator, Kombinationen davon und dergleichen und/oder einem Generator) erhalten. Pfeile 120 geben den Fluss von elektrischer Energie von der Energiequelle 118 zur elektrischen Maschine 106, 108 an. Alternativ dazu kann jeder Wechselrichter Strom aus mindestens einer anderen Energiequelle beziehen. Wenn beide Wechselrichter an eine Energiequelle gekoppelt sind, können die Wechselrichter mit einer ähnlichen Spannung arbeiten. Wenn alternativ beide Wechselrichter an unterschiedliche elektrische Energiequellen gekoppelt sind, können sie in einigen Beispielen auch bei unterschiedlichen Spannungen arbeiten.
Die Ausgangswellen 121, 122 der elektrischen Maschinen 106, 108 weisen Getriebe 124, 126 auf, die auf ihnen sitzen. Das System 102 kann ferner einen mechanischen Nebenabtrieb (PTO) 128 und eine Getriebe- und Kupplungsanordnung 130 umfassen, die den mechanischen PTO 128 mit mechanischer Energie versorgt. In der Getriebe- und Kupplungsanordnung 130 können beispielsweise ein Getriebeuntersetzung und eine Trennkupplung vorgesehen sein. Die Getriebe- und Kupplungsanordnung 130 kann so konstruiert sein, dass sie den mechanischen PTO 128 mechanisch mit/von der elektrischen Maschine 106 und/oder dem Ausgang der Antriebseinheit koppelt und entkoppelt. Obwohl der mechanische PTO 128 konstruiert ist, wahlweise mit der ersten elektrischen Maschine 106 drehbar gekoppelt zu sein, kann die zweite elektrische Maschine 108 zusätzlich oder alternativ einen mechanischen PTO und eine damit verknüpfte Getriebe- und Kupplungsanordnung aufweisen.
Die Getriebe 124, 126 sind jeweils mit einem Getriebe 134 eines Planetengetriebesatzes 136 in der elektrischen Antriebseinheit 104 gekoppelt. Die hier beschriebenen Getriebe weisen Zähne auf und eine mechanische Verbindung zwischen den Getrieben erfolgt durch Ineinandergreifen der Zähne. Der Planetengetriebesatz 136 kann eine Welle 140 umfassen, die das Getriebe 134 mit einem Sonnenrad 142 verbindet. Die Getriebe 124, 126 können insbesondere auf verschiedenen Seiten 144, 146 der elektrischen Antriebseinheit 104 positioniert sein, um die Aufmachung zu verbessern und eine ausgewogenere Gewichtsverteilung im elektrischen Antriebsstrangsystem 102 zu erreichen, falls gewünscht.
Eine Reibungskupplung 148 ist mit der Welle 140 gekoppelt und so konstruiert, dass sie die Welle wahlweise mit einer Ausgangswelle 150 drehbar koppelt. Eine Reibungskupplung, wie sie hier beschrieben wird, umfasst zwei Sätze von Lamellen, die so konstruiert sind, dass sie beim Schließen und Öffnen der Kupplung reibschlüssig ineinander greifen und sich voneinander lösen. So kann die über die Kupplung übertragene Drehmomentmenge in Abhängigkeit vom Grad des Reibungslamelleneingriffs moduliert werden. So können die hier beschriebenen Reibungskupplungen mit unterschiedlichem Eingriffsumfang betrieben werden (z. B. stufenlos über den Eingriffsbereich der Kupplung angepasst). Außerdem können die hier beschriebenen Reibungskupplungen nasse Reibungskupplungen sein, durch die ein Schmiermittel geleitet wird, um die Lebensdauer der Kupplung zu erhöhen. In alternativen Beispielen können jedoch auch trockene Reibungskupplungen verwendet werden. Die Reibungskupplung 148 und die anderen hier beschriebenen Reibungskupplungen können über hydraulische, pneumatische und/oder elektromechanische Aktuatoren angepasst werden. So können z. B. hydraulisch betätigte Kolben verwendet werden, um einen Eingriff der Reibungskupplungen zu veranlassen. Für eine elektromechanische Betätigung der Kupplung können in anderen Beispielen jedoch auch Magnetspulen verwendet werden.
Das Sonnenrad 142 im Planetengetriebesatz 136 ist mit der Welle 140 gekoppelt. Ferner sind die Planetengetriebe 152 im Planetengetriebesatz 136 mit dem Sonnenrad 142 gekoppelt. Ferner sind die Planetengetriebe 152 mechanisch mit einem Hohlrad 154 im Planetengetriebesatz 136 gekoppelt. Vom Hohlrad 154 erstreckt sich eine Welle 156, auf der sich eine zweite Reibungskupplungsanordnung 158 befindet. Die zweite Reibungskupplungsanordnung 158 kann eine Synchronisiervorrichtung 160 umfassen, der in Reihe mit einer Reibungskupplung 162 angeordnet ist. Durch Anordnen der Synchronisiervorrichtung 160 in Reihe mit der Reibungskupplung 162 kann der Wirkungsgrad der elektrischen Antriebseinheit im zweiten Gang erhöht werden. Zur weiteren Verbesserung erlaubt es die Synchronisiervorrichtung 160, dass ein Abschnitt der Welle 164 von der Kupplung 162 getrennt wird und sich frei drehen kann, während das System im zweiten Gang arbeitet. So können sich die Lamellen der Kupplung 162 nicht drehen, wenn die Synchronisiervorrichtung nicht in Eingriff ist. Umgekehrt können sich die Welle 164 und eine Nabe in der Kupplung 162 übereinstimmend drehen, wenn die Synchronisiervorrichtung in Eingriff ist.
Die Synchronisiervorrichtung 160 ist so konstruiert, dass sie die Drehzahl der Welle 156 und einer mit der Reibungskupplung 162 gekoppelten Welle 164 synchronisiert und eine Drehung der Wellen 156 und 164 mechanisch blockiert, wenn sie im Eingriff sind. DieDer Synchronisiervorrichtung 160 kann z. B. eine Muffe mit Verzahnung, Schrägverzahnung o. ä. enthalten, um die vorgenannte Funktion zu erreichen. Eine Schaltgabel oder ein anderer geeigneter Aktuator, schematisch mit 166 bezeichnet, kann zum Ein- und Auskuppeln der Synchronisiervorrichtungs verwendet werden. Um die Kompaktheit des Systems zu erhöhen, können die Reibungskupplungen 148, 162 sowie die Ausgangswelle 150 koaxial angeordnet sein. Um diese koaxiale Anordnung zu ermöglichen, kann das Sonnenrad 142 eine Öffnung 168 aufweisen, durch die sich die Ausgangswelle 150 erstreckt. Außerdem umfasst die Ausgangswelle 150 eine Öffnung 169, durch die sich eine Achswelle 173 erstreckt. So können die Achswelle 173, die Ausgangswelle 150 und das Sonnenrad 142 koaxial angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Kompaktheit der Antriebseinheit im Vergleich zu Antriebseinheiten mit einer nicht koaxial zu einer Planetenanordnung angeordneten Ausgangswelle erhöht werden.
Die Reibungskupplung 162 ist so ausgelegt, dass sie das Hohlrad 154 erdet. Um die Erdung des Hohlrades zu erreichen, kann die Reibungskupplung 162 ein Gehäuse umfassen, an das ein Abschnitt der Reibungslamellen gekoppelt ist und das fest mit einer stationären Komponente, wie dem Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit, verbunden ist. Zwischen der Welle 156 und der Ausgangswelle 150 kann ein Lager angeordnet sein, damit sich diese Wellen unter bestimmten Bedingungen unabhängig voneinander drehen können.
Die Ausgangswelle 150 kann an ein Differential 171 gekoppelt sein. Das Differential umfasst im Allgemeinen Ausgangsschnittstellen 172, die so geformt sind, dass sie an den Achswellen 173, 174 befestigt werden können. Ein Lager 175 kann in dem Differential enthalten sein und erlaubt es der Achswelle 174 zu rotieren. Bei dem Differential 171 kann es sich um ein offenes Differential, ein Sperrdifferential oder ein Drehmomentverteilungsdifferential handeln. Das offene Differential kann ein Differentialgehäuse umfassen, an dem Satellitengetriebe angebracht sind und die Satellitengetriebe greifen ihrerseits mit den Seitengetrieben ineinander, um eine Geschwindigkeitsdifferenzierung zwischen den Ausgangsschnittstellen zu erlauben. Das Sperrdifferential kann eine Kupplungspaketanordnung mit Reibungsscheiben enthalten, die so ausgelegt sind, dass sie die maximale Drehzahldifferenzierung zwischen den Ausgangsschnittstellen des Differentials und den Achswellen, an denen die Schnittstellen befestigt sind, beschränken. Im Beispiel des Drehmomentverteilungsdifferentials kann das Differential Kupplungspakete enthalten, die elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden können, wodurch die vom Differential erlaubte Geschwindigkeitsdifferenzierung angepasst werden kann.
Das Differential 171 ist an die Rad-, Brems- und Nabenanordnungen 176, 177 gekoppelt. Die Naben erlauben die Drehung der Antriebsräder und die Bremsvorrichtungen (z. B. Nassbremsen, Scheibenbremsen, Trommelbremsen usw.) erlauben die Verlangsamung der Radgeschwindigkeit. Bei Nassbremsen können die Bremsen von einer Pumpe 184, auf die hier näher eingegangen wird, mit Schmiermittel versorgt werden. Die Bremsen können in einem Beispiel hydraulisch betätigt werden. Jede Rad-, Brems- und Nabenanordnung kann mindestens ein Rad, eine Bremse und eine Nabe umfassen. Es wurden jedoch auch Mehrradbremsen und Nabenanordnungen in Erwägung gezogen. Außerdem sind die Bremsen in Anordnungen dargestellt, die von der elektrischen Antriebseinheit beabstandet sind. Jedoch können die Bremsen in anderen Beispielen auch von den Naben beabstandet sein. In anderen Ausführungsformen können die Bremsen beispielsweise innerhalb der elektrischen Antriebseinheit angeordnet sein.
Die Planetengetriebe 152 rotieren auf einem Träger 179 des Planetengetriebesatzes 136. Der Träger 179 ist mit der Ausgangswelle 150 rotationsgekoppelt. Der Planetengetriebesatz 136 kann ein einfacher Planetengetriebesatz sein, der ausschließlich das Sonnenrad 142, das Hohlrad 154, die Planetengetriebe 152 und den Träger 179 umfasst. Durch die Verwendung einer einfachen Planetenanordnung kann die Kompaktheit der elektrischen Antriebseinheit im Vergleich zu komplexeren Planetenanordnungen, wie z. B. mehrstufigen Planetenanordnungen, Ravigneaux-Planetenanordnungen und dergleichen, erhöht werden. Folglich kann das Antriebsstrangsystem weniger Platzbeschränkungen für andere Fahrzeugkomponenten bedeuten, wodurch die Anwendbarkeit des Systems erweitert werden kann. Außerdem können Verluste in der elektrischen Antriebseinheit verringert werden, wenn ein einfacher Planetengetriebesatz im Gegensatz zu komplexeren Getriebeanordnungen verwendet wird.
Je nach Übersetzungsverhältnis der elektrischen Antriebseinheit kann die mechanische Leistung über den Träger 179 zur Ausgangswelle 150 oder vom Sonnenrad 142 zur Ausgangswelle gelangen. Mechanische Energiepfade durch die elektrische Antriebseinheit in den verschiedenen Gängen und Schaltbetriebe (z. B. Lastschaltbetrieb) zwischen den Betriebsgängen werden hierin in Bezug auf die 2A-2B ausführlicher behandelt.
Eine dritte elektrische Maschine 180 und ein Wechselrichter 182 können im System 102 vorgesehen sein. Die dritte elektrische Maschine 180 ist so ausgelegt, dass sie eine elektrische Antriebspumpe 184 antreibt, die den Fluss eines Fluids (z. B. eines Schmiermittels wie Öl) durch die elektrische Antriebseinheit 104 erzeugt. Es versteht sich, dass es sich bei dem hier beschriebenen Schmiermittel um ein Fluid wie Öl handelt, das sowohl zur Schmierung von Komponenten als auch zur Betätigung und/oder Kühlung von Komponenten verwendet werden kann. Das Ventil 186 kann in Fluidverbindung mit Komponenten 185 (schematisch in 1 dargestellt) in der elektrischen Antriebseinheit 104 stehen, die Schmiermittel aufnehmen. Das Schmiermittel kann über Schmiermittelleitungen, Düsen, zusätzliche Ventile, Verteiler und dergleichen zu den gewünschten Komponenten geleitet werden. Außerdem können die Komponenten 185 Getriebe, Kupplungen, Hydraulikkolben zur Kupplungsbetätigung und ähnliches umfassen.
Nachdem das Schmiermittel vom Ventil 186 zu den geschmierten Komponenten geleitet wurde, fließt das Schmiermittel in einen Sammelbehälter 187 zurück. Darüber hinaus kann sich der Sammelbehälter 187 in einem Gehäuse einer elektrischen Antriebseinheit befinden und so profiliert sein, dass er Schmiermittel von den geschmierten Komponenten in der elektrischen Antriebseinheit aufnimmt. Die Pumpe 184 empfängt das Schmiermittel aus dem Sammelbehälter 187 über Aufnahmeleitungen 188. Umgekehrt liefern die Pumpenauslässe 189 Schmiermittel an das Ventil 186. Es versteht sich, dass die Pumpe 184, das Ventil 186 und der Sammelbehälter 187 in einem Schmiersystem 190 enthalten sind. Das Schmiersystem 190 kann ferner Leitungen für die Zuführung des Schmiermittels zu gezielten Komponenten in der elektrischen Antriebseinheit, wie z. B. dem Planetengetriebesatz, den Kupplungen und dergleichen, umfassen. Die Pumpe ist in 1 als Doppelpumpe mit zwei Pumpenmodulen 191 dargestellt, es wurden jedoch auch andere Pumpenkonstruktionen betrachtet.
Durch Verwendung einer separaten elektrischen Maschine zum Antreiben der Pumpe 184 der elektrischen Antriebseinheit kann die Drehzahl der elektrischen Maschine und damit die Pumpendrehzahl an den Schmiermittelbedarf der elektrischen Antriebseinheit angepasst werden. So kann beispielsweise die Pumpendrehzahl während der Schaltvorgänge erhöht und anschließend verringert werden, während die elektrische Antriebseinheit in einem der zwei separaten Betriebsgänge gehalten wird. Dadurch werden hydraulische Verluste reduziert und das Hydrauliksystem kann auf Wunsch verkleinert werden.
Die dritte elektrische Maschine 180 und der Wechselrichter 182 können mit einer niedrigeren Spannung betrieben werden als die erste und zweite elektrische Maschine 106, 108 und die entsprechenden Wechselrichter. Die niedrigere Spannung kann zum Beispiel im folgenden Bereich liegen: 12 Volt (V)-144V und die höhere Spannung kann im folgenden Bereich liegen: 350V-800V, in einem Anwendungsbeispiel. In anderen Beispielen können jedoch andere niedrigere und höhere Spannungswerte verwendet werden. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der elektrischen Antriebseinheit erhöht werden. In anderen Beispielen können die erste elektrische Maschine 106, die zweite elektrische Maschine 108 und die dritte elektrische Maschine 180 jedoch mit einer ähnlichen Spannung betrieben werden (z. B. mit einer höheren Spannung im Bereich von 350V-800V oder einer niedrigeren Spannung im Bereich von 12V-144V).
Das Fahrzeug 100 kann ferner ein Steuersystem 192 mit einer Steuerung 193 aufweisen, wie in 1 gezeigt. Die Steuerung 193 kann einen Mikrocomputer mit Komponenten wie einem Prozessor 194 (z. B. eine Mikroprozessoreinheit), Eingangs-/Ausgangsanschlüssen, einem elektronischen Speichermedium 195 für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte (z. B. einem Nur-Lese-Speicherchip, einem Direktzugriffsspeicher, einem Keep-Alive-Speicher, einem Datenbus und dergleichen) umfassen. Das Speichermedium kann mit computerlesbaren Daten programmiert werden, die Anweisungen darstellen, die von einem Prozessor ausgeführt werden können, um die hierin beschriebenen Verfahren und Steuerungstechniken sowie andere Varianten, die vorgesehen, aber nicht speziell aufgeführt sind, durchzuführen.
Die Steuerung 193 kann verschiedene Signale von Sensoren 196 empfangen, die mit verschiedenen Regionen des Fahrzeugs 100 und konkret der elektrischen Antriebseinheit 104 gekoppelt sind. Zu den Sensoren 196 können beispielsweise ein Pedalpositionssensor zur Erfassung einer Betätigung eines vom Betreiber betätigten Pedals wie eines Gas- und/oder Bremspedals, ein Drehzahlsensor an der Ausgangswelle der Antriebseinheit, ein Sensor für den Ladezustand der Energiespeichereinrichtung (SOC), Kupplungspositionssensoren und dergleichen gehören. Die Motordrehzahl kann anhand der vom Wechselrichter an die elektrische Maschine gelieferten Leistung ermittelt werden. Eine Eingabeeinrichtung 197 (z. B. ein Gaspedal, ein Bremspedal, ein Fahrmoduswählhebel wie z. B. ein Schalthebel, Kombinationen davon und dergleichen) kann ferner Eingangssignale bereitstellen, die eine Absicht eines Betreibers zur Fahrzeugsteuerung angeben.
Nach dem Empfang der Signale von den verschiedenen Sensoren 196 von 1 verarbeitet die Steuerung 193 die empfangenen Signale und setzt verschiedene Aktuatoren 198 von Fahrzeugkomponenten ein, um die Komponenten auf der Grundlage der empfangenen Signale und der im Speicher der Steuerung 193 gespeicherten Anweisungen anzupassen. Zum Beispiel kann die Steuerung 193 ein Gaspedalsignal empfangen, das eine Forderung eines Betreibers nach erhöhter Fahrzeugbeschleunigung angibt. Als Reaktion darauf kann die Steuerung 193 einen Betrieb des Wechselrichters befehlen, um einen Leistungsausgang einer elektrischen Maschine anzupassen und die Leistung, die von den Maschinen an die elektrische Antriebseinheit 104 gegeben wird, zu erhöhen. Die Steuerung 193 kann, während bestimmter Betriebszustände, dazu ausgebildet sein, Befehle an die Kupplungen 148, 162 zu senden, um die Kupplungen in Eingriff zu bringen und voneinander zu lösen. So kann beispielsweise ein Steuerbefehl an eine Kupplungsanordnung gesendet werden und als Reaktion auf den Empfang des Befehls kann ein Aktuator in der Kupplungsanordnung die Kupplung auf der Grundlage des Befehls anpassen. Die anderen steuerbaren Komponenten in dem Fahrzeug und genauer das elektrische Antriebssystem können beispielsweise hinsichtlich der Sensorsignale, Steuerbefehle und der Aktuatoreinstellung in ähnlicher Weise funktionieren.
Die Steuerung 193 kann so ausgelegt sein, dass sie die Kupplungen 148, 162 so steuert, dass sie synchron zwischen zwei der Betriebsgänge der elektrischen Antriebseinheit schalten. Darüber hinaus kann die Steuerung 193 so ausgelegt sein, dass sie dem mechanischen PTO 128 und dem Planetengetriebesatz 136 über einen Betrieb der Getriebe- und Kupplungsanordnung 130 auf der Grundlage einer Priorisierung eines PTO-Energiebedarfs und eines Traktionsenergiebedarfs eine mechanische Energieverteilung zuweist. Wenn z. B. der PTO-Energiebedarf eine höhere Priorität hat als der Traktionsenergiebedarf und der PTO-Energiebedarf steigt, kann eine Kupplung in der Anordnung 130 betrieben werden, um den PTO und die elektrische Maschine 106 vom Ausgang der Antriebseinheit zu entkoppeln. Wenn umgekehrt der Traktionsenergiebedarf eine höhere Priorität hat als der PTO-Energiebedarf und der Traktionsenergiebedarf steigt, kann die Kupplung in der Anordnung 130 betrieben werden, um eine Verbindung des PTO und der elektrische Maschine 106 mit dem Ausgang der Antriebseinheit zu erhalten oder erneut aufzubauen. Auf diese Weise kann die Energieverteilung von der elektrischen Maschine mit einer Priorisierung einer Traktions- und PTO-Energie übereinstimmen, die z. B. vom Fahrzeugführer eingestellt wurde.
In 1 sowie in den 2A-2B und 3-5 ist ein Achssystem 199 zu Referenzzwecken bereitgestellt. Die z-Achse kann eine vertikale Achse sein (z. B. parallel zu einer Gravitationsachse), die x-Achse kann eine seitliche Achse sein (z. B. eine horizontale Achse), und/oder die y-Achse kann eine Längsachse sein.
Die elektrische Antriebseinheit 104 weist zwei Kupplungen auf, die es ermöglichen, als elektrische Zweigangantriebseinheit zu arbeiten. In anderen Ausführungsformen können jedoch zusätzliche Kupplungen in die elektrische Antriebseinheit hinzugefügt werden, damit sie mit einer größeren Anzahl von schaltbaren Gängen arbeiten kann. So kann die elektrische Antriebseinheit in anderen Ausführungsformen drei oder mehr Getriebestufen aufweisen.
In den ersten und zweiten Gängen, die in den 2A und 2B dargestellt sind, umgeht die Energie den PTO 128 und fließt von der elektrischen Maschine 106 zum Getriebe 124. Um die PTO-Umgehungsfunktion zu erreichen, kann die Getriebe- und Kupplungsanordnung 130 so angepasst werden, dass der PTO von der Ausgangswelle 121 der elektrischen Maschine 106 getrennt wird. In anderen Beispielen kann jedoch zumindest ein Teil der Energie von der elektrischen Maschine 106 über die Getriebe- und Kupplungsanordnung 130 zu dem mechanischen PTO 128 geführt werden.
2A und 2B zeigen die Energiepfade durch die elektrische Antriebseinheit 104 im elektrischen Antriebsstrangsystem 102 in einer ersten Gangkonfiguration bzw. einer zweiten Gangkonfiguration, die als erster und zweiter Gangmodus bezeichnet werden. Die Energiepfade entsprechen speziell dem Fahrmodusbetrieb (z. B. Vorwärtsfahrmodusbetrieb) im System. Es ist anzumerken, dass das Übersetzungsverhältnis der elektrischen Antriebseinheit im ersten Gangmodus höher ist als das Übersetzungsverhältnis im zweiten Gangmodus. So kann der erste Gang beim Start und der anschließenden Beschleunigung verwendet werden, während der zweite Gang z. B. für den Reisebetrieb genutzt werden kann.
In 2A wird das Hohlrad 154 durch die Reibungskupplung 162 festgehalten und die Kupplung 148 ist gelöst, während die elektrische Antriebseinheit 104 im ersten Gangmodus arbeitet. Der mechanische Energiepfad im ersten Gangmodus (gekennzeichnet durch die Pfeile 250) verläuft wie folgt: Mechanische Energie bewegt sich jeweils von der ersten und zweiten elektrischen Maschine 106, 108 zum Getriebe 124, 126, von den Getrieben 124, 126 zum Getriebe 134, vom Getriebe 134 zum Sonnenrad 142, vom Sonnenrad zu den Planetengetrieben 152, von den Planetengetrieben zum Träger 179, vom Träger zur Ausgangswelle 150, von der Ausgangswelle zum Differential 171 und vom Differential zu den Achswellen 173, 174. Von den Achswellen 173, 174 führt der Energiepfad jeweils zu den Antriebsrädern in den Rad-, Brems- bzw. Nabenanordnungen 176, 177.
Während die elektrische Antriebseinheit 104 im zweiten Gangmodus arbeitet, wie in 2B dargestellt, ist die Kupplung 148 in Eingriff, um eine mechanische Energieübertragung zwischen dem Getriebe 134 und der Ausgangswelle 150 zu erlauben, und die Kupplung 162 ist nicht in Eingriff. Im zweiten Gangmodus verläuft der mechanische Energiepfad (gekennzeichnet durch die Pfeile 252) wie folgt: Mechanische Energie bewegt sich jeweils von der ersten und zweiten elektrischen Maschine 106, 108 zu den Getrieben 124, 126, von den Getrieben 124, 126 zum Getriebe 134, vom Getriebe 134 zur Kupplung 148, von der Kupplung 148 zu der Ausgangswelle 150, von der Ausgangswelle zum Differential 171 und vom Differential zu den Achswellen 173, 174. Von den Achswellen 173, 174 führt der Energiepfad jeweils zu den Antriebsrädern in den Rad-, Brems- bzw. Nabenanordnungen 176, 177.
2C zeigt ein Diagramm 260, das die Konfigurationen der Reibungskupplungen 148, 162 und der Synchronisiervorrichtung 160 mit den ersten und zweiten Gangmodi in Beziehung setzt. Ein „X“ bedeutet, dass die Kupplung in Eingriff ist, und ein leeres Feld bedeutet umgekehrt, dass die Kupplung nicht in Eingriff ist. Speziell im ersten Gangmodus ist die Reibungskupplung 148 nicht in Eingriff und die Reibungskupplung 162 sowie die Synchronisiervorrichtung 160 sind in Eingriff. Umgekehrt ist die Reibungskupplung 148 im zweiten Gangmodus in Eingriff und die Reibungskupplung 162 sowie die Synchronisiervorrichtung 160 sind nicht in Eingriff. Zum Lastschalten zwischen dem ersten Gang und dem zweiten Gang kann die Kupplung 148 in Eingriff sein, während die Kupplung 162 nicht in Eingriff ist. Nach dem Lösen der Kupplung 162 kann die Synchronisiervorrichtung 160 gelöst werden. Umgekehrt kann zum Schalten vom zweiten Gang zurück in den ersten Gang die Synchronisiervorrichtung 160 zunächst in Eingriff gebracht werden und anschließend kann die Kupplung 162 in Eingriff gebracht werden, während die Kupplung 148 nicht in Eingriff ist. Es versteht sich, dass die Synchronisiervorrichtung im System in einigen Beispielen entfallen kann. Wenn eine Lastschaltung in der elektrischen Antriebseinheit implementiert ist, können Energieunterbrechungen während des Schaltens im Wesentlichen vermieden werden, wodurch die Schaltleistung verbessert wird.
3 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen des elektrischen Antriebsstrangsystems. Diese Ausführungsformen des Antriebsstrangsystems weisen im Vergleich zu dem in 1-2B gezeigten elektrischen Antriebsstrangsystem 102 bestimmte Unterschiede auf und diese Unterschied sind hier näher beschrieben. Diese Ausführungsformen des elektrischen Antriebsstrangsystems können jedoch einige gemeinsame Komponenten mit dem in 1-2B dargestellten elektrischen Antriebsstrangsystem 102 aufweisen. Die in den 3-5 dargestellten Antriebsstrangsysteme umfassen beispielsweise jeweils die elektrischen Maschinen 106, 108, den Planetengetriebesatz 136 und die Achswellen 173, 174. Ähnliche Komponenten sind ähnlich nummeriert und eine redundante Beschreibung der anderen sich überschneidenden Komponenten in den Systemen wird aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
3 zeigt insbesondere ein elektrisches Antriebsstrangsystem 300 mit einer elektrischen Antriebseinheit 302, in der die darin enthaltenen elektrischen Maschinen 106, 108 koaxial angeordnet sind. Insbesondere sind die Ausgangswellen 304, 306 der elektrischen Maschinen 106, 108 koaxial angeordnet. Durch die koaxiale Anordnung der elektrischen Maschinen können die Verpackungseffizienz der Antriebseinheit erhöht und die Herstellungskosten auf Wunsch reduziert werden.
4 zeigt ein elektrisches Antriebsstrangsystem 400 mit einer elektrischen Antriebseinheit 402. Die elektrischen Maschinen 106, 108 sind wiederum koaxial angeordnet, was es dem System erlaubt, den Verpackungseffizienzgewinn zu erhöhen. Die in 4 dargestellte elektrische Antriebseinheit 402 umfasst eine Welle 404, die drehbar mit dem Träger 179 und wahlweise mit einer Trommel 406 der Kupplung 148 gekoppelt ist. Die Kupplung 148 ist also so ausgelegt, dass sie die Welle 140 und die Welle 404 wahlweise miteinander koppelt, so dass sie gleichgerichtet sind. Ein Getriebe 407 ist fest mit der Welle 404 gekoppelt. Ein Getriebe 408 greift mit dem Getriebe 407 ineinander und ist mit einem Gehäuse 410 eines Differentials 412 verbunden. Die Achswellen 414, 416 sind drehbar jeweils mit dem Differential 412 und den Rad-, Brems- und Nabenanordnungen 176, 177 gekoppelt. Die Verwendung der durch die Getriebe 407 und 408 gebildeten Untersetzung ermöglicht es, die Fallhöhe der Antriebseinheit zu erhöhen, was bei bestimmten Fahrzeugplattformen aus Verpackungsgründen wünschenswert sein kann.
5 zeigt ein elektrisches Antriebsstrangsystem 500 mit einer elektrischen Antriebseinheit 502. Das Differential entfällt bei der in 5 dargestellten elektrischen Antriebseinheit 502. Stattdessen haben die Wellen 504, 506 eine Doppelfunktion. So arbeiten die Wellen 504, 506 als die Ausgangswelle der Antriebseinheit und dienen als Achswellen, die die Antriebseinheit jeweils mit den Rad-, Brems- bzw. Nabenanordnungen 176, 177 verbinden. Auf diese Weise kann das Antriebsstrangsystem vereinfacht und die Herstellungs- und Reparaturkosten können auf Wunsch reduziert werden.
6A-6C veranschaulichen ein anderes Beispiel eines Fahrzeugs 600 mit einem elektrischen Antriebsstrangsystem. Die Begrenzung des elektrischen Antriebsstrangsystems ist durch gestrichelte Linien 602 gekennzeichnet. In anderen Beispielen kann das System jedoch auch eine andere Gruppierung von Komponenten umfassen. Das elektrische Antriebsstrangsystem 602 umfasst eine elektrische Antriebseinheit 604. Das in den 6A-6C dargestellte elektrische Antriebsstrangsystem 602 mit der elektrischen Antriebseinheit 604 kann gemeinsame Merkmale mit dem in den 1-2B dargestellten elektrischen Antriebsstrangsystem 102 und der elektrischen Antriebseinheit 104 aufweisen. Auf eine redundante Beschreibung wird deshalb verzichtet. In 6A-6C sind insbesondere jeweils die mechanischen, kühltechnischen und elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten des elektrischen Antriebsstrangsystems 602 und anderen Fahrzeugkomponenten dargestellt. Obwohl die mechanischen, kühltechnischen und elektrischen Verbindungen aus Gründen der Übersichtlichkeit in separaten Abbildungen dargestellt sind, können alle diese Verbindungen auch im elektrischen Antriebsstrangsystem vorhanden sein.
Das in 6A-6C dargestellte Antriebsstrangsystem 602 umfasst eine erste elektrische Maschine 606, eine zweite elektrische Maschine 608 und eine dritte elektrische Maschine 610. Das elektrische Antriebsstrangsystem 602 umfasst ferner einen ersten Wechselrichter 612, einen zweiten Wechselrichter 614 und einen dritten Wechselrichter 616, die jeweils mit der ersten elektrischen Maschine 606, der zweiten elektrischen Maschine 608 und der dritten elektrischen Maschine 610 verknüpft sind. Das Fahrzeug 600 umfasst ferner eine Pumpe 619, die dazu ausgelegt ist, Schmiermittel (z. B. Öl) in der elektrischen Antriebseinheit 604 zu zirkulieren. Ein mit der elektrischen Antriebseinheit 604 gekoppeltes Ventil 621 kann verwendet werden, um den Schmiermittelfluss von der Pumpe 619 zur elektrischen Antriebseinheit 604 zu regulieren. Das Antriebsstrangsystem 602 kann ferner eine erste Nabenanordnung 670, eine zweite Nabenanordnung 672, Antriebsräder 674, 676 und Bremseinrichtungen 678, 680 umfassen. Bei den Bremseinrichtungen kann es sich, wie bereits erwähnt, um Nassbremsen handeln, obwohl auch andere geeignete Bremsen, wie z. B. trockene Scheibenbremsen und Trommelbremsen, in Erwägung gezogen worden sind. Darüber hinaus können die erste und die zweite Nabenanordnung 670, 672 Schnittstellen für die Antriebsräder 674, 676 bereitstellen und können in bestimmten Fällen jeweils eine zusätzliche Untersetzung aufweisen. Das Ventil 621 kann zusätzlich so ausgelegt sein, dass Öl zu den Bremseinrichtungen 678, 680 fließt.
Das Fahrzeug 600 kann außerdem Hilfseinrichtungen 624 enthalten, wie z. B. eine Lenkungspumpe, eine Klimatisierungspumpe, eine Hydraulikpumpe für Arbeitsfunktionen und ähnliches. Darüber hinaus kann das Fahrzeug einen Kühlmittelkreislauf 626, eine Energiequelle mit niedriger Spannung 628 (z. B. eine Batterie, ein Kondensator, Kombinationen daraus und ähnliches) und eine Energiequelle mit höherer Spannung 630 (z. B. eine Batterie, ein Kondensator, Kombinationen daraus und ähnliches) umfassen. Das Antriebsstrangsystem 602 kann eine DCU 632 aufweisen und das Fahrzeug 600 kann eine VCU 634 aufweisen. Es wurden jedoch auch andere Steuereinheitsanordnungen in Betracht gezogen, z. B. eine gemeinsame Steuereinheit, mit der ein Betrieb sowohl des Antriebsstrangsystems 602 als auch der Komponenten des Fahrzeugs 600 angepasst werden kann. Jede der Steuereinheiten kann ein beliebiges bekanntes Datenspeichermedium (z. B. einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Keep-Alive-Speicher, Kombinationen davon usw.) und einen Prozessor (z. B. eine Mikroprozessoreinheit) zur Ausführung der in den Datenspeichermedien gespeicherten Befehle aufweisen. So können die DCU 632 und/oder die VCU 634 die hier beschriebenen Steuerungsverfahren, Techniken, Schemata usw. durchführen, wie z. B. das in 7 dargestellte Verfahren. Darüber hinaus kann die DCU so ausgelegt sein, dass sie den Betrieb der Wechselrichter 612, 614 und 616 koordiniert, um die Effizienz des Systems zu erhöhen. Darüber hinaus kann die Verwendung der DCU 632 im System die Integrationskomplexität für Kunden (z. B. Originalgerätehersteller (OEM)) verringern und einen stärker integrierten Steuerungsansatz ermöglichen. So kann die DCU beispielsweise das regenerative Bremsen und die Verwendung einer Betriebsbremse koordinieren. In einem anderen Beispiel kann die DCU einen Notlaufmodus einrichten, wenn eine geringfügige Beschädigung einer Komponente erfasst wird, z. B. eine Beschädigung eines Geschwindigkeitssensors. Darüber hinaus kann sich die DCU in einigen Szenarien abschalten, wenn das Controller Area Network (CAN) beeinträchtigt ist.
Ein Wärmetauscher 636 kann mit der elektrischen Antriebseinheit 604 gekoppelt (z. B. direkt mit ihr gekoppelt oder in sie integriert) sein. In anderen Beispielen kann der Wärmetauscher 636 mit einem Fahrzeugrahmen 637 verbunden sein. Der Wärmetauscher 636 kann Komponenten zur Übertragung von Wärmeenergie zwischen einem Kühlmittelkreislauf und einem Ölkreislauf aufweisen, wie z. B. benachbarte Kühlmittel- und Öldurchgänge, ein Gehäuse und ähnliches. Auf diese Weise kann Wärme effizient aus dem Schmiermittelkreislauf der elektrischen Antriebseinheit abgeleitet werden. Die Verwendung eines Wärmetauschers, der auf diese Weise in die elektrische Antriebseinheit integriert ist, kann die Menge der Kühlmittelschnittstellen für die Kunden reduzieren. Entsprechend kann die Kundenzufriedenheit gesteigert werden.
Ferner können elektrische PTOs 638, 640 in das Fahrzeug 600 eingefügt werden. Der elektrische PTO 638 kann einen Motor und einen Wechselrichter mit höherer Spannung 641, die mit Hilfseinrichtungen 642 (z. B. einer Lenkungspumpe, einer Klimatisierungspumpe, einer Hydraulikpumpe für Arbeitsfunktionen usw.) gekoppelt sind, umfassen. Der elektrische PTO 640 kann einen Motor mit niedrigerer Spannung und einen Wechselrichter 643, der mit Hilfseinrichtungen 644 gekoppelt ist, umfassen. Das Bereitstellen von elektrischen PTOs im Fahrzeug erweitert die Möglichkeiten und die Anpassungsfähigkeit des Fahrzeugs. Folglich kann das Antriebsstrangsystem in einer größeren Bandbreite von Fahrzeugplattformen verwendet werden. Durch die Verwendung von elektrischen PTOs, die mit unterschiedlichen Spannungen arbeiten, können die Motoren der PTOs außerdem genau auf die Anforderungen der spezifischen Hilfseinrichtungen abgestimmt werden, an die sie angeschlossen sind, falls dies gewünscht ist. In anderen Beispielen kann der elektrische PTO jedoch unter Verwendung einer ähnlichen Spannung betrieben sein.
Ein mechanischer Nebenabtrieb (PTO) 647 kann ferner mit der elektrischen Antriebseinheit 604 und den Hilfseinrichtungen 624 gekoppelt sein. Durch Bereitstellen des mechanischen PTO 647 im Antriebsstrangsystem kann die Anwendbarkeit des Systems erweitert werden.
6A bildet die mechanischen Verbindungen zwischen den Komponenten im Antriebsstrangsystem 602 sowie dem Fahrzeug 600 ab. Diese mechanischen Verbindungen sind durch die Linien 650 gekennzeichnet. Die mechanischen Verbindungen können über Wellen, Gelenke, Riemen, Ketten, Kombinationen davon und dergleichen gebildet werden. Wie dargestellt, sind die erste elektrische Maschine 606 und die zweite elektrische Maschine 608 drehbar mit der elektrischen Antriebseinheit 604 gekoppelt. Das Bereitstellen von zwei elektrischen Maschinen, die mechanisch mit der elektrischen Antriebseinheit gekoppelt sind, kann ermöglichen, dass der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs erhöht wird. Außerdem ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Antriebsstrangsystem aufgrund eines Motorschadens ausfällt, geringer, wenn das Antriebsstrangsystem über eine redundante elektrische Maschine verfügt.
Die elektrische Antriebseinheit 604 kann auch drehbar mit einem Differential 605 verbunden sein. In alternativen Beispielen kann das Differential jedoch von der Antriebseinheit entfallen. Das Differential 605 ist drehbar mit Achswellen verbunden, die sich jeweils durch die Nabenanordnungen 670, 672 erstrecken und drehbar mit den Antriebsrädern 674 bzw. 676 verbunden sind. Die Bremseinrichtungen 678, 680 sind mit den Nabenanordnungen 670, 672 gekoppelt und sind ausgelegt, die Geschwindigkeit der Antriebsräder 674, 676 zu verlangsamen. Wie bereits erwähnt, kann es sich bei den Bremsen um Nassbremsen handeln, obwohl alternativ auch trockene Scheibenbremsen oder Trommelbremsen verwendet werden können.
Die dritte elektrische Maschine 610 kann drehbar mit der Pumpe 619 gekoppelt sein und die Pumpe kann über das Ventil 621 in Fluidverbindung mit der elektrischen Antriebseinheit 604 stehen. Die dritte elektrische Maschine 610 kann unabhängig von der ersten und zweiten elektrischen Maschine 606, 608 betrieben werden. Zur weiteren Verbesserung kann die dritte elektrische Maschine 610 angepasst werden, dem Schmiermittelbedarf der elektrischen Antriebseinheit zu folgen. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Systems erhöht werden, ohne dass der Schmierbetrieb der elektrischen Antriebseinheit beeinträchtigt wird, falls gewünscht.
Der mechanische PTO 647 ist mechanisch mit den Hilfseinrichtungen 624 gekoppelt. Ferner sind die mechanischen PTOs 638, 640 jeweils mechanisch mit den Hilfseinrichtungen 642, 644 gekoppelt. Auf diese Weise können die PTO-Funktionen des Systems erweitert werden, um eine Vielfalt von Anforderungen an Hilfseinrichtungen für eine große Bandbreite von Fahrzeugplattformen zu erfüllen. Die Attraktivität des Systems für den Kunden wird dadurch erhöht.
6B zeigt die durch Linien 652 gekennzeichneten Kühlmittelverbindungen in einer Kühlanordnung 654 des elektrischen Antriebsstrangsystems 602. Die Kühlmittelverbindungen können über Leitungen, Kanäle und dergleichen hergestellt werden, die durch verschiedene Systemkomponenten geleitet werden (z. B. intern und/oder extern geleitet). Das Kühlmittel kann Wasser und/oder Glykol enthalten. Die Kühlanordnung 654 kann den Kühlmittelkreislauf 626 umfassen, der eine Kühlmittelpumpe und einen Wärmetauscher aufweisen kann. Wie dargestellt, kann das Kühlmittel parallel zum Wärmetauscher 636, der ersten elektrischen Maschine 606, der zweiten elektrischen Maschine 608, dem ersten Wechselrichter 612 und der zweiten elektrischen Maschine 608 geleitet werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Kühlmittel zu einem oder mehreren der folgenden Komponenten in Reihe geleitet werden: dem Wärmetauscher 636, der ersten elektrischen Maschine 606, der zweiten elektrischen Maschine 608, dem ersten Wechselrichter 612 und der zweiten elektrischen Maschine 608. Auf diese Weise können die elektrischen Maschinen, Wechselrichter und das Schmiermittel der elektrischen Antriebseinheit effizient gekühlt werden. Der Wärmetauscher 636 ist ausgelegt, Wärme von Schmiermittel (z. B. Öl), das durch die elektrische Antriebseinheit geleitet wird, an das Kühlmittel in der Kühlanordnung 654 zu übertragen. Das Bereitstellen des Wärmetauschers mit einer Öl-zu-Kühlmittel-Wärmeübertragungsfunktion ermöglicht es, einen Flüssigkeit-zu-Luft-Wärmetauscher, wie z. B. einen Kühler, im System auszusparen, wenn gewünscht. Die Größe, Komplexität und/oder Herstellungskosten des Systems können folglich reduziert werden.
Alternativ können die ersten und/oder zweiten elektrischen Maschinen 606, 608 sowie die ersten und/oder zweiten Wechselrichter 612, 614 auch ölgekühlt sein. In einem solchen Beispiel kann der Wärmetauscher 636 im System ausgespart werden. In einem anderen Beispiel können die Wechselrichter jedoch wassergekühlt und die Motoren ölgekühlt sein. In einem solchen Beispiel kann der Wärmetauscher 636 im System verwendet werden.
6B stellt zusätzlich einen Ölfluss des elektrischen Antriebsstrangsystems 602 dar, der durch die Linien 677 gekennzeichnet ist. Insbesondere kann, wie bereits erwähnt, Öl zwischen dem Ventil 621 und den Bremseinrichtungen 678, 680 fließen.
6C zeigt elektrische und datentechnische Verbindungen im Fahrzeug 600 und dem elektrischen Antriebsstrangsystem 602. Die elektrischen Verbindungen sind speziell in Verbindungen mit höherer Spannung (gekennzeichnet durch dickere Linien 656) und Verbindungen mit niedrigerer Spannung (gekennzeichnet durch dünnere Linien 658) unterteilt. Datenverbindungen sind durch gestrichelte Linien 660 gekennzeichnet. Die Verbindungen mit höherer Spannung stammen von der Energiequelle mit höherer Spannung 630 und die Verbindungen mit niedrigerer Spannung stammen von der Energiequelle mit niedrigerer Spannung 628. In einem Anwendungsbeispiel kann die niedrigere Spannung im folgenden Bereich liegen: 12 V-144V und die höhere Spannung kann im folgenden Bereich liegen: 350V-800V. In anderen Ausführungsformen können jedoch andere geeignete höhere und niedrigere Spannungswerte verwendet werden.
Die Energiequelle mit höherer Spannung 630 kann elektrisch mit dem ersten Wechselrichter 612 und dem zweiten Wechselrichter 614 verbunden sein. Ebenso können elektrische Verbindungen mit höherer Spannung zwischen den ersten und zweiten elektrischen Maschinen 606, 608 und den ersten und zweiten Wechselrichtern 612, 614 hergestellt werden. Zusätzlich kann eine Verbindung mit höherer Spannung zwischen dem elektrischen PTO 638 und dem Antriebsstrangsystem 602 hergestellt werden.
Die Energiequelle mit niedrigerer Spannung 628 kann elektrisch mit dem ersten Wechselrichter 612, dem zweiten Wechselrichter 614, dem dritten Wechselrichter 616 und/oder der DCU 632 verbunden sein. Zusätzlich kann eine Verbindung mit niedrigerer Spannung zwischen dem dritten Wechselrichter 616 und der dritten elektrischen Maschine 610 sowie dem elektrischen PTO 640 und dem Antriebsstrangsystem 602 hergestellt werden. Ferner kann eine Verbindung mit niedrigerer Spannung zwischen der DCU 632 und dem Ventil 621 hergestellt werden.
Datenverbindungen können zwischen der VCU 634 und der DCU 632 hergestellt werden. So können beispielsweise Betriebszustandsdaten wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Pedalposition (z. B. Bremspedalposition und/oder Gaspedalposition), Fahrmoduswählhebelposition und dergleichen von der VCU an die DCU übertragen werden. Umgekehrt können Betriebszustandsdaten wie Drehzahl der elektrischen Maschine, Temperatur der elektrischen Maschine, Energiequelle-SOC, Kupplungsposition, Temperatur der elektrischen Antriebseinheit usw. von der DCU an die VCU übertragen werden. Auf diese Weise können Daten zwischen der DCU und der VCU ausgetauscht werden, um die Steuerroutinen in jeder Steuereinheit zu verbessern. Eine Datenverbindung kann auch zwischen der DCU 632 und dem ersten Wechselrichter 612, dem zweiten Wechselrichter 614 und/oder dem dritten Wechselrichter 616 hergestellt werden. Außerdem können Daten von den elektrischen PTOs 638 und 640 an das Antriebsstrangsystem 602 übertragen werden.
7 zeigt ein Verfahren 700 für einen Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangsystems. Das Verfahren 700 kann in einem Beispiel durch ein beliebiges der elektrischen Antriebsstrangsysteme 102, 300, 400, 500 und 602 oder Kombinationen der vorstehend erläuterten Systeme mit Bezug auf 1-6C ausgeführt werden. In anderen Beispielen kann das Verfahren 700 durch andere geeignete elektrische Antriebsstrangsysteme implementiert werden. Anweisungen zur Ausführung des Verfahrens 700 können von einer Steuerung, wie z. B. der Steuerung 193 in 1 oder der DCU 632 und/oder der VCU 634 in 6A-6C, durch Ausführen von Anweisungen, die in einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, und in Zusammenhang mit Signalen, die von Sensoren an der Steuerung empfangen werden, implementiert werden. Die Steuerung kann Aktoren in verschiedenen Systemkomponenten verwenden, um die nachstehend beschriebenen Verfahrensschritte zu implementieren.
Bei 702 umfasst das Verfahren das Bestimmen von Betriebsbedingungen. Die Betriebsbedingungen können die Drehzahlen der elektrischen Maschinen, die Drehzahl der Ausgangswelle der elektrischen Antriebseinheit, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Kupplungsposition, die Pedalposition, die Belastung der elektrischen Antriebseinheit und Ähnliches umfassen.
Bei 704 beurteilt das Verfahren, ob eine Lastschaltung der elektrischen Antriebseinheit zwischen zwei der Betriebsübersetzungen stattfinden soll. Die Beurteilung der Lastschaltung kann auf der Grundlage einer Drehzahl und/oder eines Lastschwellenwerts der elektrischen Antriebseinheit erfolgen, die einen Schaltvorgang in der elektrischen Antriebseinheit auslösen können.
Wenn beurteilt wird, dass keine Lastschaltung zwischen Gängen der elektrischen Antriebseinheit stattfinden soll (NEIN bei 704), geht das Verfahren zu 706 über. Beispielsweise kann die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem Bereich oberhalb oder unterhalb eines Schwellenwerts bleiben, der einen Schaltvorgang auslöst. Bei 706 umfasst das Verfahren das Beibehalten der aktuellen Betriebsstrategie der elektrischen Antriebseinheit. Beispielsweise kann die elektrische Antriebseinheit in ihrem aktuellen Betriebsgetriebe gehalten werden, indem eine der Reibungskupplungen in Eingriff und die andere Reibungskupplung gelöst bleibt.
Wenn umgekehrt beurteilt wird, dass eine Lastschaltung zwischen zwei der Betriebsgetriebe der elektrischen Antriebseinheit stattfinden soll (JA bei 704), geht das Verfahren zu 708 über. Beispielsweise kann die Fahrzeuggeschwindigkeit einen Schwellenwert überschreiten oder unterschreiten, der einen Schaltvorgang der elektrischen Antriebseinheit auslöst. Bei 708 umfasst das Verfahren einen Betrieb einer ersten Reibungskupplung und einer zweiten Reibungskupplung, um von einem Übersetzungsverhältnis in ein anderes zu wechseln. So kann beispielsweise beim Schalten vom ersten Gang in den zweiten Gang die erste Kupplung (z. B. Kupplung 162, dargestellt in 1) gelöst sein, während die zweite Kupplung (z. B. Kupplung 148, dargestellt in 1) in Eingriff ist. Durch das koordinierte (z. B. gleichzeitige) Eingreifen und Lösen der Kupplungen in dieser Weise können Energieunterbrechungen bei Schaltübergängen reduziert und damit der Wirkungsgrad der elektrischen Antriebseinheit erhöht werden.
Der technische Effekt des hier beschriebenen Betriebsverfahrens des elektrischen Antriebsstrangsystems ist ein effizientes Schalten zwischen zwei Betriebsgetrieben der Antriebseinheit mit einem reduzierten Maß an Energieunterbrechung. Der Wirkungsgrad der elektrischen Antriebseinheit kann folglich erhöht und Geräusch, Vibration und Rauigkeit (NVH) während Schaltübergängen reduziert werden, wodurch die Kundenzufriedenheit erhöht wird.
1-2B und 3-6C zeigen beispielhafte Konfigurationen mit relativer Positionierung der verschiedenen Komponenten. Wenn gezeigt ist, dass diese Elemente einander direkt berühren oder direkt gekoppelt sind, können sie zumindest in einem Beispiel als einander direkt berührend bzw. als direkt gekoppelt bezeichnet werden. Ähnlich können Elemente, die aneinander angrenzend oder zueinander benachbart gezeigt sind, in mindestens einem Beispiel aneinander angrenzend bzw. zueinander benachbart sein. Beispielsweise können Komponenten, die in einem Flächenkontakt miteinander liegen, als in einem Flächenkontakt befindlich bezeichnet werden. Als ein weiteres Beispiel können Elemente, die nur über einen Zwischenraum voneinander getrennt und ohne andere Komponenten dazwischen positioniert sind, in mindestens einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch ein weiteres Beispiel können Elemente, die ober- bzw. unterhalb voneinander, auf einander gegenüberliegenden Seiten oder links bzw. rechts voneinander gezeigt sind, relativ zueinander als solche bezeichnet werden. Ferner kann, wie in den Figuren gezeigt, in mindestens einem Beispiel ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements als eine „Oberseite“ der Komponente bezeichnet werden, und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements kann als eine „Unterseite“ der Komponente bezeichnet werden. Wie hierin verwendet, können sich Oberseite/Unterseite, obere/r/s/untere/r/s oder oberhalb/unterhalb auf eine vertikale Achse der Figuren beziehen und zur Beschreibung der Positionierung von Elementen der Figuren relativ zueinander verwendet werden. So sind in einem Beispiel Elemente, die oberhalb von anderen Elementen gezeigt sind, vertikal über den anderen Elementen positioniert. Als noch ein weiteres Beispiel können Formen der Elemente, die innerhalb der Figuren abgebildet sind, als diese Formen aufweisend bezeichnet sein (beispielsweise als rund, gerade, eben, gewölbt, abgerundet, gefast, abgewinkelt oder dergleichen). Außerdem können Elemente, die koaxial zueinander sind, in einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Ferner können Elemente, die einander schneiden, in mindestens einem Beispiel als schneidende Elemente oder einander schneidend bezeichnet werden. Ferner kann ein Element, das innerhalb eines anderen Elements gezeigt ist oder außerhalb eines anderen Elements gezeigt ist, in einem Beispiel als solches bezeichnet werden. In anderen Beispielen können gegeneinander versetzte Elemente als solche bezeichnet werden.
In den folgenden Abschnitten wird die Erfindung näher beschrieben. In einem Aspekt wird ein elektrisches Antriebsstrangsystem bereitgestellt, das eine elektrische Antriebseinheit umfasst, aufweisend: einen Planetengetriebesatz, umfassend eine erste Getriebesatzkomponente, die drehbar mit einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt ist; eine erste Reibungskupplung, die eingerichtet ist, eine zweite Getriebesatzkomponente im Planetengetriebesatz wahlweise zu bremsen; und eine zweite Reibungskupplung, die eingerichtet ist, die erste Getriebesatzkomponente wahlweise mit einer Ausgangswelle zu koppeln, wobei die Ausgangswelle mit einer Differential- oder Achswelle gekoppelt ist; wobei die erste Reibungskupplung und die zweite Reibungskupplung eingerichtet sind, den Planetengetriebesatz zwischen einer ersten Getriebekonfiguration und einer zweiten Getriebekonfiguration zu schalten; und wobei der Planetengetriebesatz eine dritte Getriebesatzkomponente umfasst, die drehbar mit mindestens einem Paar von Antriebsrädern gekoppelt ist.
In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangsystems bereitgestellt, umfassend das Übertragen von Rotationsenergie auf ein Sonnenrad eines Planetengetriebesatzes von einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine; und das Schalten zwischen einer ersten Getriebekonfiguration und einer zweiten Getriebekonfiguration über: Eingriff einer ersten Reibungskupplung, die mit einem Hohlrad des Planetengetriebesatzes gekoppelt ist; und Lösung einer zweiten Reibungskupplung, die mit einem Sonnenrad des Planetengetriebesatzes gekoppelt ist; und das Übertragen von Rotationsenergie auf ein Differential oder Achswellen von einem Träger im Planetengetriebesatz. In einem Beispiel kann das Verfahren ferner das Übertragen von Rotationsenergie von der ersten elektrischen Maschine auf einen mechanischen Nebenabtrieb (PTO) durch Betrieb einer PTO-Kupplung, die mit einer Ausgangswelle der ersten elektrischen Maschine und dem PTO gekoppelt ist, umfassen. In einem weiteren Beispiel kann das Verfahren ferner umfassen: das Übertragen von elektrischer Energie von einem Wechselrichter mit niedrigerer oder höherer Spannung an die dritte elektrische Maschine; und das Übertragen von elektrischer Energie von Wechselrichtern mit niedrigerer oder höherer Spannung an die ersten und zweiten elektrischen Maschinen.
In einem weiteren Aspekt wird ein elektrisches Antriebsstrangsystem bereitgestellt, das eine elektrische Antriebseinheit umfasst, aufweisend: einen Planetengetriebesatz mit einem Sonnenrad, das drehbar mit einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt ist; ein Differential, das drehbar mit einem Träger im Planetengetriebesatz gekoppelt ist; eine erste Reibungskupplung und eine Synchronisiervorrichtung, die mit einem Hohlrad im Planetengetriebesatz gekoppelt ist; und eine zweite Reibungskupplung, die mit einem Sonnenrad gekoppelt ist; und eine Steuereinheit für den Antriebsstrang (DCU: driveline control unit), die Anweisungen enthält, die, wenn sie ausgeführt werden, die DCU veranlassen zum: Betreiben der ersten Reibungskupplung und der zweiten Reibungskupplung, um synchron zwischen einer ersten Getriebekonfiguration und einer zweiten Getriebekonfiguration zu schalten.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann das elektrische Antriebsstrangsystem außerdem eine Synchronisiervorrichtung umfassen, die eingerichtet ist, die erste Reibungskupplung vom Hohlrad zu entkoppeln.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann die Ausgangswelle eine zentrale Öffnung mit einer sich durch sie hindurch erstreckenden Achswelle umfassen.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann das elektrische Antriebsstrangsystem außerdem eine dritte elektrische Maschine umfassen, die eine Schmiermittelpumpe mechanisch antreibt.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann die dritte elektrische Maschine von einem Wechselrichter mit niedrigerer Spannung Energie empfangen und die erste und die zweite elektrische Maschine empfangen elektrische Energie von Wechselrichtern mit höherer Spannung; oder die erste elektrische Maschine, die zweite elektrische Maschine und die dritte elektrische Maschine können elektrische Energie aus Wechselrichtern empfangen, die mit einer ähnlichen Spannung arbeiten.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann die Schmiermittelpumpe in Fluidverbindung mit einer oder mehreren schmiermittelbetätigten Komponenten und geschmierten Komponenten in der elektrischen Antriebseinheit und/oder einem Paar von Bremseinrichtungen stehen, die mit dem Paar von Antriebsrädern gekoppelt sind.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte können die erste und die zweite elektrische Maschine koaxial angeordnet sein.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann das elektrische Antriebsstrangsystem außerdem eine finale Untersetzung umfassen, die zwischen dem Differential und dem Träger angeordnet ist.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann eine Achswelle mit dem Differential gekoppelt sein und erstreckt sich durch eine zentrale Öffnung im Sonnenrad.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann das elektrische Antriebsstrangsystem ferner einen Wärmetauscher umfassen, der mit einem Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit oder einem Fahrzeugrahmen verbunden und eingerichtet ist, ein Kühlmittel auf Wasserbasis durch ihn zu zirkulieren.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann das elektrische Antriebsstrangsystem außerdem einen mechanischen Nebenabtrieb (PTO) umfassen, der mit einer Ausgangswelle der ersten elektrische Maschine oder der zweiten elektrischen Maschine gekoppelt ist.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte kann der Eingriff der ersten Reibungskupplung und das Lösen der zweiten Reibungskupplung synchron implementiert sein.
In allen Aspekten oder Kombinationen der Aspekte können das Differential und der Planetengetriebesatz koaxial angeordnet sein, wobei das Differential ein offenes Differential, ein Sperrdifferential oder ein Drehmomentverteilungsdifferential sein kann.
In einer anderen Darstellung ist eine elektrische Antriebsachse vorgesehen, die einen einfachen Planetengetriebesatz mit einer ersten Reibungskupplung, die zum Abbremsen eines Hohlrades im Planetengetriebesatz ausgelegt ist, und einer zweiten Reibungskupplung, die zur drehbaren Kopplung eines Sonnenrads im Planetengetriebesatz direkt mit einer Ausgangswelle ausgelegt ist, die einem Differential oder Achswellen direkt mechanische Energie bereitstellt, umfasst.
Es ist zu beachten, dass die hierin enthaltenen Beispielroutinen zur Steuerung und Schätzung mit verschiedenen Kraftübertragungs-, Elektroantriebseinheit- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Befehle in einem nicht flüchtigen Speicher gespeichert sein und können vom Steuersystem, das die Steuerung umfasst, in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und anderer Antriebsstrangsystem- und/oder Fahrzeughardware in Kombination mit der elektronischen Steuerung ausgeführt werden. Als solche können die beschriebenen Aktionen, Betriebe und/oder Funktionen grafisch einen Code darstellen, der in den nichttransitorischen Speicher des computerlesbaren Speichermediums im Fahrzeug- und/oder Antriebsstrangsteuersystem programmiert werden soll. Die verschiedenen dargestellten Aktionen, Betriebe und/oder Funktionen können in der dargestellten Reihenfolge oder parallel durchgeführt werden oder in manchen Fällen weggelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen Beispiele zu erreichen, sondern dient der einfachen Veranschaulichung und Beschreibung. Eine oder mehrere der veranschaulichten Aktionen, Betriebe und/oder Funktionen können je nach der jeweils angewendeten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Einer oder mehrere der hier beschriebenen Verfahrensschritte können auf Wunsch auch weggelassen werden.
Obgleich verschiedene Ausführungsformen oben beschrieben wurden, ist zu verstehen, dass diese beispielhalber und nicht als Einschränkung aufgeführt wurden. Fachleuten ist offenkundig, dass der offenbarte Gegenstand in anderen konkreten Formen verkörpert sein kann, ohne vom Geist des Gegenstands abzuweichen. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten. Die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen sind beispielhafter Natur, und diese konkreten Beispiele sind nicht in einem einschränkenden Sinne zu betrachten, da zahlreiche Variationen möglich sind. Die oben beschriebene Technologie kann beispielsweise auf Kraftübertragungen angewandt werden, die verschiedene Arten von Antriebskraftquellen umfassen, darunter verschiedene Arten von elektrischen Maschinen, Verbrennungskraftmaschinen und/oder Antriebseinheiten. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie weitere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart wurden.
Die folgenden Ansprüche heben insbesondere bestimmte Kombinationen und Teilkombinationen hervor, die als neuartig und nicht offensichtlich zu betrachten sind. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie eine Einbeziehung eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, nicht so, dass sie zwei oder mehr solcher Elemente erfordern oder ausschließen. Weitere Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch eine Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Präsentation neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche, unabhängig davon, ob ihr Schutzumfang breiter, enger, gleich oder unterschiedlich als die ursprünglichen Ansprüche gefasst ist, werden ebenfalls als in den Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9435415 B2 [0003]

Claims

Elektrisches Antriebsstrangsystem, umfassend: eine elektrische Antriebseinheit, aufweisend: einen Planetengetriebesatz, umfassend eine erste Getriebesatzkomponente, die drehbar mit einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine gekoppelt ist; eine erste Reibungskupplung, die eingerichtet ist, eine zweite Getriebesatzkomponente im Planetengetriebesatz wahlweise zu bremsen; und eine zweite Reibungskupplung, die eingerichtet ist, die erste Getriebesatzkomponente wahlweise mit einer Ausgangswelle zu koppeln, wobei die Ausgangswelle mit einem Differential oder Achswellen gekoppelt ist; wobei die erste Reibungskupplung und die zweite Reibungskupplung eingerichtet sind, den Planetengetriebesatz zwischen einer ersten Getriebekonfiguration und einer zweiten Getriebekonfiguration zu schalten; und wobei der Planetengetriebesatz eine dritte Getriebesatzkomponente umfasst, die drehbar mit mindestens einem Paar von Antriebsrädern gekoppelt ist.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, außerdem umfassend eine Synchronisiervorrichtung, die eingerichtet ist, die erste Reibungskupplung von der zweiten Getriebesatzkomponente zu entkoppeln.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgangswelle eine zentrale Öffnung mit einer sich durch diese hindurch erstreckenden Achswelle aufweist.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine dritte elektrische Maschine, die eine Schmiermittelpumpe mechanisch antreibt.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach Anspruch 4, wobei: die dritte elektrische Maschine von einem Wechselrichter mit niedrigerer Spannung elektrische Energie empfängt und die erste und die zweite elektrische Maschine elektrische Energie von Wechselrichtern mit höherer Spannung empfangen; oder die erste elektrische Maschine, die zweite elektrische Maschine und die dritte elektrische Maschine elektrische Energie von Wechselrichtern empfangen, die bei einer ähnlichen Spannung arbeiten.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach einem der Ansprüche 4 und 5, wobei die Schmiermittelpumpe in Fluidverbindung mit einer oder mehreren schmiermittelbetätigten Komponenten und geschmierten Komponenten in der elektrischen Antriebseinheit und/oder einem Paar von Bremseinrichtungen steht, die mit dem Paar von Antriebsrädern gekoppelt sind.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite elektrische Maschine koaxial angeordnet sind.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach Anspruch 7, ferner umfassend eine finale Untersetzung, die zwischen einem Differential und einem Träger des Planetengetriebesatzes angeordnet ist.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Achswelle mit einem Differential gekoppelt ist und sich durch eine Öffnung in einem Sonnenrad des Planetengetriebesatzes erstreckt.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Wärmetauscher, der mit einem Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit oder einem Fahrzeugrahmen gekoppelt ist und eingerichtet ist, ein Kühlmittel auf Wasserbasis durch dieses/diesen zu zirkulieren.
Elektrisches Antriebsstrangsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen mechanischen Nebenabtrieb (PTO), der mit einer Ausgangswelle der ersten elektrischen Maschine oder der zweiten elektrischen Maschine gekoppelt ist.
Verfahren für einen Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangsystems, umfassend: Übertragen von Rotationsenergie auf ein Sonnenrad eines Planetengetriebesatzes von einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine; und Schalten zwischen einer ersten Getriebekonfiguration und einer zweiten Getriebekonfiguration mittels: Eingriff einer ersten Reibungskupplung, die mit einem Hohlrad des Planetengetriebesatzes gekoppelt ist; und Lösung einer zweiten Reibungskupplung, die mit einem Sonnenrad des Planetengetriebesatzes gekoppelt ist; und Übertragen von Rotationsenergie auf ein Differential oder Achswellen von einem Träger im Planetengetriebesatz.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Eingriff der ersten Reibungskupplung und ein Lösen der zweiten Reibungskupplung synchron implementiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, ferner umfassend ein Übertragen von Rotationsenergie von der ersten elektrischen Maschine auf einen mechanischen Nebenabtrieb (PTO) durch Betrieb einer PTO-Kupplung, die mit einer Ausgangswelle der ersten elektrischen Maschine und dem mechanischen PTO gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das elektrische Antriebsstrangsystem ferner eine dritte elektrische Maschine umfasst, die eine Schmiermittelpumpe mechanisch antreibt, und das Verfahren ferner umfasst: Übertragen von elektrischer Energie von einem Wechselrichter mit niedrigerer oder höherer Spannung an die dritte elektrische Maschine; und Übertragen von elektrischer Energie von Wechselrichtern mit niedrigerer oder höherer Spannung an die erste und zweite elektrischen Maschine.