DE112008002053T5

DE112008002053T5 - Hybridantriebsstrang mit einem effizienten rein elektrischen Modus

Info

Publication number: DE112008002053T5
Application number: DE112008002053T
Authority: DE
Inventors: Norman K. Troy Bucknor; Alan G. Clarkston Holmes
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2028-07-19
Also published as: WO2009017978A1; CN101809325A; US7727100B2; DE112008002053B4; US20090036246A1; CN101809325B

Abstract

Hybrides elektromechanisches Getriebe, das mit einer Leistungsquelle verbindbar ist, umfassend:
ein Antriebselement, das mit der Leistungsquelle verbunden ist;
ein Abtriebselement;
einen Planetenradsatz, der ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweist;
einen ersten und zweiten Motor/Generator;
eine Batterie, die funktional mit den Motoren/Generatoren zur Aufnahme von Leistung von diesen und zur Abgabe von Leistung an diese verbunden ist;
wobei das Antriebselement funktional mit dem ersten Element verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator funktional zur Rotation mit dem zweiten Element verbunden ist;
wobei der zweite Motor/Generator funktional zur Rotation mit dem Abtriebselement verbunden ist;
einen ersten Drehmomentübertragungsmechanismus, der einrückbar ist, um den zweiten Motor/Generator zur Rotation mit dem dritten Element zu verbinden; und
wobei die Batterie und der zweite Motor/Generator einen rein elektrischen Betriebsmodus bereitstellen, um das Abtriebselement mit Leistung zu beaufschlagen, wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus nicht eingerückt ist; wodurch die...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen hybriden elektromechanischen Antriebsstrang mit einem effizienten rein elektrischen Modus.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Hybride Fahrzeugantriebsstränge benutzen elektrisch verstellbare Getriebe, die die Verwendung von Elektromotoren und herkömmlicher Maschinenleistung kombinieren, um ein effizienteres Fahrzeug herzustellen, über: (i) einen Maschinen-Start-Stopp-Betrieb; (ii) effizientere Maschinenarbeitspunkte; und (iii) Wiederauffangen kinetischer Fahrzeugenergie in einer Speicherbatterie mittels regenerativem Bremsen. Manche Hybridantriebsstränge weisen eine Architektur mit ”Eingangsleistungsverzweigung” auf, durch die Maschinenleistung zwischen einer direkten mechanischen Verbindung mit den Abtriebsrädern und einem elektrischen Generator verzweigt wird, wobei der letztere die im Fahrzeug befindliche Batterie lädt sowie/oder Leistung an einen mit den Abtriebsrädern verbundenen Motor abgibt. Ein Betrieb mit einer derartigen Leistungsflussanordnung wird als Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung bezeichnet. Das Getriebe arbeitet auch als elektrisch verstellbares Getriebe (EVT), das eine optimalere Betriebsdrehzahl und -last der Maschine ermöglicht. Manche EVT bieten zwei EVT-Modi sowie eine Anzahl von festen Übersetzungsverhältnissen, wie bei einem herkömmlichen Automatikgetriebe.
Der vorgesehene Betriebsmodus der vorstehend erwähnten Architekturen ist, die Verwendung der herkömmlichen Maschine und Elektromotoren/Generatoren auf eine möglichst effiziente Weise zu mischen. Anders als ein zweckgebunden gebautes Elektrofahrzeug (EV) sind daher EVT-Architekturen mit Eingangsleistungsverzweigung nicht dazu konstruiert, über eine ausgedehnte Zeitdauer nur unter Verwendung von Batterieleistung zu arbeiten, und sind folglich in einem solchen rein elektrischen Betriebsmodus nicht so effizient.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Hybridantriebsstrang ist mit einer modifizierten Architektur mit Eingangsleistungsverzweigung versehen, so dass der Antriebsstrang einen effizienten rein elektrischen (d. h. durch die Batterie mit Leistung beaufschlagten) Betriebsmodus sowie zumindest einen effizienten herkömmlichen Hybridfahrzeug-Betriebsmodus aufweist. Vorzugsweise ist der Antriebsstrang für ein Plug-in-Hybridfahrzeug geeignet. Ein Plug-in-Hybridfahrzeug ist ein Fahrzeug mit einem Hybridantriebsstrang, der eine Batterie umfasst, die durch eine außerhalb des Fahrzeugs befindliche Leistungsquelle wieder aufgeladen werden kann. Es ist erwünscht, dass ein Plug-in-Hybridfahrzeug in der Lage ist, als Elektrofahrzeug (unter Verwendung von allein Batterieleistung) mit einer signifikanten Reichweite allein mit der Batterie, sowie als herkömmliches Hybridfahrzeug zu arbeiten, wenn die verfügbare Batterieenergie gering ist.
Der Hybridantriebsstrang umfasst ein hybrides elektromechanisches Getriebe und eine Leistungsquelle, wie etwa eine Maschine. Das elektromechanische Getriebe umfasst ein Antriebselement, das mit der Leistungsquelle verbunden ist, und ein Abtriebselement. Ein Planetenradsatz mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Element verbindet die Leistungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Motor/Generator. Ein jedes von der Leistungsquelle und den Motoren/Generatoren ist funktional mit einem unterschiedlichen von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Element verbunden. Eine Batterie ist funktional mit den Motoren/Generatoren zur Aufnahme von Leistung von diesen und zur Abgabe von Leistung an diese verbunden. Das Antriebselement ist funktional mit dem ersten Element verbunden, der erste Motor/Generator ist funktional zur Rotation mit dem zweiten Element verbunden, und der zweite Motor/Generator ist funktional zur Rotation mit dem Abtriebselement verbunden. Ein erster Drehmomentübertragungsmechanismus ist einrückbar, um den zweiten Motor/Generator zur Rotation mit dem dritten Element zu verbinden. Die Batterie und der zweite Motor/Generator stellen einen rein elektrischen Betriebsmodus bereit, um das Abtriebselement mit Leistung zu beaufschlagen, wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus nicht in Eingriff steht, wodurch die Leistungsquelle, der Planetenradsatz und der erste Motor/Generator während des rein elektrischen Betriebsmodus von dem Abtriebselement getrennt sind, um einen parasitären Widerstand dieser Komponenten zu verhindern. Vorzugsweise ist das erste Element ein Trägerelement, das zweite Element ist ein Sonnenradelement und das dritte Element ist ein Hohlradelement.
Durch Beaufschlagen der Maschine mit Leistung und Einrücken des ersten Drehmomentübertragungsmechanismus kann der Antriebsstrang von einem rein elektrischen Betriebsmodus in einen Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung übergehen, vorzugsweise um die Einrückungsgeschwindigkeit des ersten Drehmomentübertragungsmechanismus zu steuern, indem der erste Motor/Generator als Motor verwendet wird, um die Drehzahl des dritten Elements des Planetenradsatzes zu steuern.
Vorzugsweise ist ein zweiter Drehmomentübertragungsmechanismus vorgesehen, der das dritte Element auf Masse festlegt, so dass Leistung von der Maschine durch den Planetenradsatz zu dem ersten Motor/Generator, zu der Batterie 46 und dann, von der Batterie geschickt, zu dem zweiten Motor/Generator fließen kann, wodurch ein Reihen-Hybridbetriebsmodus hergestellt ist.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs umfasst, dass der oben beschriebene erste Drehmomentübertragungsmechanismus bereitgestellt wird, die gespeicherte elektrische zu dem zweiten Motor/Generator gelenkt wird, um den rein elektrischen Betriebsmodus herzustellen, wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus während des rein elektrischen Betriebsmodus ausgerückt wird. Das Verfahren umfasst auch, dass die Maschine während des rein elektrischen Betriebsmodus mit Leistung beaufschlagt wird, wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus entweder automatisch oder selektiv eingerückt wird (abhängig davon, ob er eine überholende Freilaufkupplung oder eine selektiv einrückbare Kupplung ist, die in der Lage ist, Drehmoment in zwei Richtungen zu übertragen, wie etwa eine Reibplattenkupplung), um einen Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung herzustellen. Ferner kann das Verfahren umfassen, dass ein zweiter Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv eingerückt wird, der das Element des Planetenradsatzes, das mit dem zweiten Motor/Generator verbindbar ist, auf Masse legt, die Maschine mit Leistung beaufschlagt wird, und der erste Motor/Generator derart gesteuert wird, dass er als Generator arbeitet, um dadurch einen Reihen-Hybridbetriebsmodus herzustellen. Um von dem Reihen-Hybridbetriebsmodus in den Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung umzuschalten, wird der erste Motor/Generator gesteuert, um als Motor zu arbeiten und somit die Drehzahl des Elements des Planetenrad satzes, das mit dem zweiten Motor/Generator verbindbar ist, mit der Drehzahl des zweiten Motors/Generators zu synchronisieren.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Antriebsstrangs innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung;
1B ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines ersten Drehmomentübertragungsmechanismus, der in dem Antriebsstrang von 1A verwendet wird;
1C ist eine schematische perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform des ersten Drehmomentübertragungsmechanismus, der in dem Antriebsstrang von 1A verwendet wird;
1D ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus, der in dem Antriebsstrang von 1A verwendet wird;
1E ist eine schematische perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform des zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus, der in dem Antriebsstrang von 1A verwendet wird;
1F ist eine schematische perspektivische Darstellung des zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus von 1E mit einem optionalen zusätzlichen Drehmomentübertragungsmechanismus vom Bremsentyp;
2A ist eine schematische perspektivische Darstellung des Antriebsstrangs von 1A in einem rein elektrischen Betriebsmodus;
2B ist eine schematische perspektivische Darstellung des Antriebsstrangs von 1A in einem Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung; und
2C ist eine schematische perspektivische Darstellung des Antriebsstrangs von 1A in einem Reihen-Hybridbetriebsmodus.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen, veranschaulicht 1A einen Hybridantriebsstrang 10, der eine Leistungsquelle umfasst, die in dieser Ausführungsform eine Brennkraftmaschine 12 ist, die mit einem elektrisch verstellbaren Getriebe 14 verbunden ist. In manchen seiner Betriebsmodi ist das Getriebe 14 konstruiert, um zumindest einen Teil seiner Antriebsleis tung von der Maschine 12 aufzunehmen, wie es nachstehend beschrieben ist. Die Maschine 12 weist eine Abtriebswelle 13 auf, die antriebstechnisch mit einem Antriebselement 16 des Getriebes 14 verbunden ist. Eine Achsantriebseinheit 17 ist funktional mit einem Abtriebselement 18 des Getriebes 14 zur Abgabe von Zugleistung an die Räder oder Ketten eines Fahrzeugs verbunden.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 14 umfasst auch einen Planetenradsatz 20, der ein Sonnenradelement 22, ein Hohlradelement 24 und ein Trägerelement 26 aufweist, das eine Mehrzahl von Planetenrädern 27 drehbar lagert, die mit sowohl dem Hohlradelement 24 als auch dem Sonnenradelement 22 kämmen. Das Antriebselement 16 ist zur Rotation mit dem Trägerelement 26 verbunden.
Das elektrisch verstellbare Getriebe 14 umfasst ferner einen ersten Motor/Generator 30 und einen zweiten Motor/Generator 32. Der erste Motor/Generator 30 weist einen Rotor 34 auf, der mit dem Sonnenradelement 22 über eine Nabe 36 drehbar verbunden ist. Ein Stator 38, der an einem feststehenden Element 40, wie etwa einem Getriebekasten, auf Masse festgelegt ist, beaufschlagt auf bekannte Weise den Rotor 34 mit Leistung, wenn der erste Motor/Generator 30 als Motor arbeitet, und erzeugt elektrische Leistung, wenn der erste Motor/Generator 30 als Generator arbeitet. Der zweite Motor/Generator 32 weist einen Rotor 42 auf, der mit dem Abtriebselement 18 drehbar verbunden ist. Ein Stator 44, der an dem feststehenden Element 40 auf Masse festgelegt ist, beaufschlagt den Rotor 42 mit Leistung, wenn der zweite Motor/Generator 32 als ein Motor arbeitet, und erzeugt elektrische Leistung, wenn der zweite Motor/Generator 32 als Generator arbeitet.
Die Motoren/Generatoren 30, 32 können elektrische Leistung von einer Energiespeichereinrichtung, wie etwa einer Batterie 46, aufnehmen oder elektrische Leistung an diese liefern. Ein elektronischer Controller 48 steht in Signalverbindung mit der Batterie 46 und mit einem Leistungswechselrichter 50, der auch in elektrischer Verbindung mit den jeweiligen Statoren 38, 44 der Motoren/Generatoren 30 bzw. 32 steht. Der Controller 48 spricht auf eine Vielzahl von Eingangssignalen an, die die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Bedienerbefehl, das Niveau, zu welchem die Batterie 46 aufgeladen ist, und die Leistung, die von der Maschine 12 geliefert wird, an, um den Leistungsfluss zwischen den Motoren/Generatoren 30, 32 und der Batterie 46 über den Wechselrichter 50 zu regeln, der eine Umwandlung zwischen Gleichstrom, der von der Batterie 46 geliefert oder benutzt wird, und Wechselstrom, der von den Statoren 38, 44 der Motoren/Generatoren 30, 32 geliefert oder benutzt wird, vorzunehmen. Ein optionales, außerhalb des Fahrzeugs befindliches Leistungsversorgungssystem 52 kann mit der Batterie 46 zum Wiederaufladen der Batterie 46 verbunden sein. Das außerhalb des Fahrzeugs befindliche Leistungsversorgungssystem 52 benutzt eine außerhalb des Fahrzeugs befindliche Leistungsversorgung 54, ein im Fahrzeug befindliches Ladegerät 56 und eine Schnittstelle 58 im Fahrzeug/außerhalb des Fahrzeugs, wie etwa eine elektrische Steckdose und einen Stecker, die eine selektive Verbindung der außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Komponente (die außerhalb des Fahrzeugs befindliche Leistungsversorgung 54) mit dem im Fahrzeug befindlichen Ladegerät 56 gestattet. Die außerhalb des Fahrzeugs befindliche Leistungsversorgung 54 ist in 1A gestrichelt gezeigt, um anzudeuten, dass sie sich außerhalb des Fahrzeugs befindet und keine integrierte Komponente des Antriebsstrangs 10 ist. So wie es hierin verwendet wird, bezieht sich ”im Fahrzeug befindlich” auf eine Komponente, die in den Antriebsstrang 10 integriert ist, so dass sie mit dem Antriebsstrang 10 an einem sich bewegenden Fahrzeug, das von dem Antriebsstrang 10 mit Leistung beaufschlagt wird, mitgeführt wird. ”Außerhalb des Fahrzeugs befindlich” bezieht sich auf eine Komponente, die nicht integriert ist und nicht mit dem Antriebsstrang 10 mitgeführt wird, wenn er sich bewegt, sondern die mit dem Antriebsstrang 10 verbunden werden kann.
Das im Fahrzeug befindliche Ladegerät 56 ist mit einer im Fahrzeug befindlichen Batterie 46 verbunden. Das Getriebe 14 kann als ein Plug-in-Hybridgetriebe bezeichnet werden, das mit einem außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Leistungsversorgungssystem 52 ausgestattet ist. Das Ladegerät 56 ist ein im Fahrzeug befindliches Ladegerät vom leitenden Typ, das den Fluss elektrischer Leistung von der außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Leistungsversorgung 54 zu der Batterie 46 regelt. Wenn die Batterie 46 ausreichend wieder aufgeladen ist, wird die Verbindung durch die Schnittstelle 58 beendet, und die wiederaufgeladene Batterie 46 wird dann, wie hierin besprochen, dazu verwendet, die Motoren/Generatoren 30, 32, etwa in einem nachstehend besprochenen rein elektrischen Modus, mit Leistung zu beaufschlagen. Andere Typen von außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Leistungsversorgungssystemen können anstelle des außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Leistungsversorgungssystems 52 verwendet werden, einschließlich Plug-in-Systeme, die ein außerhalb des Fahrzeugs befindliches Ladegerät vom leitenden Typ mit einer außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Leistungsversorgung benutzen, und jene, die ein außerhalb des Fahrzeugs befindliches induktives Ladegerät und eine außerhalb des Fahrzeugs befindliche Leistungsversorgung benutzen.
Das Getriebe 14 weist einen ersten Drehmomentübertragungsmechanismus 60 und einen zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus 62 auf, die entweder automatisch oder selektiv (d. h. unter der Steuerung des Controllers 48) einrückbar und ausrückbar sind, wie es nachstehend besprochen wird, um unterschiedliche Betriebsmodi des Antriebsstrangs 10 zuzulassen. Der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 ist einrückbar, um eine Nabe 64, die sich von dem Hohlrad 24 erstreckt, zur gemeinsamen Rotation mit dem Abtriebselement 18 zu verbinden. Wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 nicht eingerückt ist (wie es in 1A gezeigt ist), können das Abtriebselement 18 und der zweite Motor/Generator 32 ohne irgendeinen physikalischen Widerstand rotieren, der durch den Planetenradsatz 20, den ersten Motor/Generator 30 oder die Maschine 12 hervorgerufen wird, da jene Komponenten durch den ausgerückten Drehmomentübertragungsmechanismus 60 von dem Abtriebselement 18 und dem zweiten Motor/Generator 32 getrennt sind.
Der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 ist in 1A in einer gattungsgemäßen Ausgestaltung als zwei getrennte Abschnitte in einem ausgerückten Zustand gezeigt. Ein erster Abschnitt 66 rotiert gemeinsam mit dem Abtriebselement 18, während ein zweiter Abschnitt 68 gemeinsam mit einer Nabe 64 rotiert. In einer ersten Ausgestaltung kann der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eine Freilaufkupplung sein und ist in 1B durch Freilaufkupplung 60A dargestellt. Ein erster Abschnitt der Kupplung 66A, der zur Rotation mit dem Abtriebselement 18 verbunden ist, überholt einen zweiten Abschnitt der Kupplung 68A, wenn er relativ zu der zweiten Hälfte 68A in einer Vorwärtsrichtung rotiert, um eine Drehmomentübertragung zwischen dem Hohlradelement 24 und dem Abtriebselement 18 zu unterbrechen, steht aber in Eingriff, um gemeinsam mit dem zweiten Abschnitt 68A und der damit verbundenen Nabe 64 (und dem Hohlrad 24) zu rotieren, wenn die Nabe 64 rotiert, so dass es keine Relativdrehung zwischen den Abschnitten 66A, 68A gibt, wodurch eine Drehmomentübertragung von dem Hohlradelement 24 auf das Abtriebselement 18 gestattet wird. Eine derartige Freilaufkupplung 60A ist Fachleuten wohlbekannt und ist vorteilhaft, da ihre Einrückung oder Ausrückung, ohne hydraulische oder andersartige Betätigungen zu erfordern, unter der Steuerung des Controllers 48 automatisch erfolgt.
In einer zweiten Ausgestaltung kann der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eine selektiv einrückbare Kupplung sein, die in der Lage ist, Drehmoment in zwei Richtungen zu übertragen. Das heißt, der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 kann selektiv eingerückt werden, um Drehmoment zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 66, 68 ungeachtet der Drehrichtung der beiden Abschnitte zu übertragen (d. h. der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 überholt in keiner Richtung). Wohlbekannte Beispiele von Drehmomentübertragungsmechanismen, die in der Lage sind, Drehmoment in zwei Richtungen zu übertragen, sind Kupplungen vom Reibplattentyp und Klauenkupplungen. Der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 ist in 1C durch eine Reibplattenkupplung 60B dargestellt. In einer solchen Ausführungsform können Reibplatten 66B, die sich von dem Abtriebselement 18 erstrecken, auf bekannte Weise selektiv mit Reibplatten 68B, die sich von der Nabe 64 erstrecken, in Eingriff gebracht werden, indem der Controller 48 benutzt wird, um Hydraulikdruck zu steuern, der auf einen Kolben wirkt, der Druck auf die Platten 66B, 68B ausübt.
Der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 62 ist in 1A in einer gattungsgemäßen Ausgestaltung als zwei getrennte Abschnitte in einem ausgerückten Zustand gezeigt. Ein erster Abschnitt 70 des Drehmomentübertragungsmechanismus 62 rotiert gemeinsam mit dem Hohlradelement 24 und der Nabe 64, während ein zweiter Abschnitt 72 an dem feststehenden Element 40 auf Masse festgelegt ist. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 62 kann eine selektiv einrückbare Kupplung vom Bremsentyp sein, die in der Lage ist, Drehmoment in zwei Richtungen zu übertragen, wie etwa eine feststehende Kupplung vom Reibplattentyp oder eine Bandbremse, die beide wohlbekannte Typen von Drehmomentübertragungsmechanismen sind. In einer ersten Ausgestaltung kann der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 62 eine Reibplattenkupplung sein und ist in 1D durch Reibplattenkupplung 62A dargestellt. In einer solchen Ausführungsform können Reibplatten 70A, die zur Rotation mit dem Hohlrad 24 und der Nabe 64 verbunden sind, auf bekannte Weise selektiv mit Reaktionsplatten 72A in Eingriff gebracht werden, die sich von dem feststehenden Element 40 erstrecken, indem der Controller 48 benutzt wird, um Hydraulikdruck zu steuern, der auf einen Kolben wirkt, der Druck auf die Platten 70A, 72A aufbringt.
In einer anderen Ausgestaltung, die in 1E veranschaulicht ist, ist der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 62 eine Freilaufkupplung 62B, die einen ersten Abschnitt 70B aufweist, der zur Rotation mit dem Hohlradelement 24 und der Nabe 64 verbunden ist, der einen zweiten Abschnitt 72B überholt, wenn das Hohlradelement 24 in einer ersten Richtung, die als eine Vorwärtsrichtung bezeichnet wird, rotiert, aber automatisch mit dem zweiten Abschnitt 72B in Eingriff gelangt, wodurch die Kupplung 62B an dem feststehenden Element 40 auf Masse festgelegt wird, wenn Drehmoment, das auf das Hohlradelement 24 und die Nabe 64 aufgebracht wird, bewirkt, dass diese Komponenten versuchen, in einer zweiten entgegengesetzten Richtung, die als Rückwärtsrichtung bezeichnet wird, zu rotieren. Die Verwendung einer Freilaufkupplung für den zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus 62, wie Freilaufkupplung 62B, ist darin vorteilhaft, dass ihr Betrieb automatisch erfolgt und kein Hydraulikdruck und keine Aktoren unter der Steuerung des Controllers 48 für ihre Einrückung erforderlich sind. Anders als die Reibbremse 62A von 1D wird jedoch die Freilaufkupplung 62B überholen, und ist daher nicht in der Lage, ein Reaktionsdrehmoment bereitzustellen, das an dem Hohlradelement 24 notwendig ist, wenn der zweite Motor/Generator 30 als ein Motor betrieben wird, um die Maschine 12 zu starten.
Unter Bezugnahme auf 1F kann der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 62 eine Freilaufkupplung 62C sein, die auf die gleiche Weise wie die Freilaufkupplung 62B von 1E arbeitet, mit einem zusätzlichen Drehmomentübertragungsmechanismus 74 vom Bremsentyp, der parallel dazu geschaltet ist. Der zusätzliche Drehmomentübertragungsmechanismus 74 vom Bremsentyp kann während des Maschinenstarts über den zweiten Motor/Generator 30 eingerückt werden. Dies lässt die Verwendung der Freilaufkupplung 62C für eine Vorwärtsdrehmomentübertragung zu, ohne eine separate Anordnung für den Start der Maschine zu erfordern, da der Drehmomentübertragungsmechanismus 74 vom Bremsentyp selektiv eingerückt werden kann, um während des Startens der Maschine ein Reaktionsdrehmoment an dem Hohlradelement 24 bereitzustellen. Der Drehmomentübertragungsmechanismus 74 vom Bremsentyp kann eine kleinere Kapazität als der Drehmomentübertragungsmechanismus 62A vom Bremsentyp von 1D aufweisen, da er nicht für andere Betriebsmodi verwendet werden würde, die es erfordern, dass das Hohlradelement 24 auf Masse festgelegt wird, wie etwa in dem nachstehend besprochenen Reihen-Hybridbetriebsmodus.
Der Antriebsstrang 10 ist durch Steuern des Betriebs der Maschine 12, der Motoren/Generatoren 30, 32 und durch Einrückung oder Ausrückung der Drehmomentübertragungsmechanismen 60, 62, ob sie nun automatisch (in dem Fall einer Freilaufkupplung oder Bremse) oder selektiv (in dem Fall einer Reibplattenkupplung oder Bremse) erfolgt, in mehreren unterschiedlichen Betriebsmodi betreibbar. Zunächst ist der Antriebsstrang 10 in einem rein elektrischen Betriebsmodus (d. h. rein mit der Batterie) betreibbar, wenn die Maschine 12 aus ist, der Drehmomentüber tragungsmechanismus 62 nicht eingerückt ist und der Drehmomentübertragungsmechanismus 60 nicht eingerückt ist, wie es in 2A veranschaulicht ist. Wenn der zweite Motor/Generator 32 gesteuert wird, um als ein Motor zu arbeiten, der über elektrische Batterie, die in der Batterie 46 gespeichert ist, mit Leistung beaufschlagt wird, um dem Abtriebselement 18 rotatorische Leistung zuzuführen (durch Pfeil A gezeigt), trennt der ausgerückte Drehmomentübertragungsmechanismus 60 zwischen dem Hohlradelement 24 und dem Motor/Generator 32 das Abtriebselement 18 von dem Planetenradsatz 20, dem ersten Motor/Generator 30 und der Maschine 12, wenn der Antriebsstrang 10 in einem rein elektrischen Modus arbeitet. Durch Trennen des Planetenradsatzes 20, der Maschine 12 und des ersten Motors/Generators 30 von den Antriebsrädern, wird der Wirkungsgrad des Fahrzeugantriebsstrangs verbessert, weil diese Komponenten nicht länger eine Quelle parasitären Widerstandes in dem Antriebsstrang 10 sind. Wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eine Freilaufkupplung ist, wie etwa der Drehmomentübertragungsmechanismus 60A von 1B, wird er automatisch überholen und in einem ausgerückten Zustand sein, wenn der Motor/Generator 32 das Abtriebselement 18 mit Leistung beaufschlagt. Wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eine Reibkupplung ist, die in der Lage ist, Drehmoment in zwei Richtungen zu übertragen, wie etwa Reibplattenkupplung 60B von 1C, wird er von dem Controller 48, der programmiert sein wird, um die Kupplung 60B nicht einzurücken, wenn die Betriebsbedingungen einen Betrieb in dem rein elektrischen Betriebsmodus garantieren, in einem ausgerückten Zustand gehalten.
Zusätzlich ist der Antriebsstrang 10 in einem Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung betreibbar, wenn die Maschine 12 an ist, der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 62 nicht eingerückt ist und der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eingerückt ist.
Der Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung ist in 2B veranschaulicht, wobei die Abschnitte 70, 72 des zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus 62 getrennt erscheinen, und die Abschnitte 66, 68 des ersten Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eingerückt sind, wie es schematisch durch die vertikale Linie, die die zwei Abschnitte 66, 68 verbindet, gezeigt ist. In dem Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung liefert die Maschine 12 durch den Planetenradsatz 20 Leistung an das Abtriebselement 18 und an den ersten Motor/Generator 30, wie es jeweils durch die Pfeile B bzw. C gezeigt ist. In der einfachsten bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eine Freilaufkupplung, wie Kupplung 60A von 1B, die überholt, während der zweite Motor/Generator 32 das Abtriebselement 18 antreibt (wie es durch Pfeil D angegeben ist), ohne das Hohlradelement 24 anzutreiben. In dem Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung absorbiert der zweite Motor/Generator 32 die gesamte Leistung zum regenerativen Bremsen eines Fahrzeugs, das mit dem Antriebsstrang 10 ausgestattet ist. In einer Plug-in-Fahrzeuganwendung wird der zweite Motor/Generator 32 mit einer ausreichenden elektrischen Leistungsfähigkeit konstruiert sein, um ein gutes Leistungsvermögen (d. h. ausreichendes Fahrdrehmoment) im rein elektrischen Modus bereitzustellen. Der Vorteil der Freilaufkupplung 60A gegenüber einer selektiv einrückbaren Kupplung vom Reibungstyp, wie etwa der Reibplattenkupplung 60B, ist, dass ein minimaler Eingriff des Steuersystems erforderlich ist, um zwischen dem rein elektrischen Modus und dem Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung umzuschalten. Wenn Leistung an das Hohlradelement 24 über die Maschine 12 geschickt wird, sperrt die Freilaufkupplung 60A, was zulässt, dass das Hohlradelement 24 das Abtriebselement 18 antreibt, so dass das Getriebe 14 in einem Hybridbetriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung arbeitet. Um Endantriebsspiel zu begrenzen, wäre es notwendig, den ersten Motor/Generator 30 dazu zu verwenden, die Eingriffsgeschwindigkeit der Freilaufkupplung 60A zu steuern, indem die Drehzahl des Hohlradelements 24 gesteuert wird. Wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 stattdessen ein Drehmomentübertragungsmechanismus vom Reibplattentyp, wie etwa 60B von 1C, wäre, könnte er zum Bremsen durch die Maschine benutzt werden, da er Drehmoment in einer Rückwärtsrichtung zu dem Hohlradelement 24 transportieren könnte, anders als eine Freilaufkupplung, wie etwa Kupplung 60A, die überholen würde.
Ein dritter Betriebsmodus des Antriebsstrangs 10 ist ein Reihen-Hybridbetriebsmodus, der in 2C veranschaulicht ist, bei dem die Maschine 12 verwendet wird, um den ersten Motor/Generator 30 laufen zu lassen (wie es durch Pfeil E angegeben ist), um die Batterie 46 aufzuladen und/oder Leistung an den Motor/Generator 32 abzugeben (wie es durch Pfeil F angegeben ist). In diesem Betriebsmodus ist die Einrückung des zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus 62 notwendig, um das Hohlradelement 24 auf Masse festzulegen, wobei Reaktionsdrehmoment bereitgestellt wird, und zuzulassen, dass die Maschine Leistung 12 durch den Planetenradsatz 20 an den ersten Motor/Generator 32 schicken kann. Mit dem eingerückten zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus 62 (wie es schematisch in 2C durch die vertikale Linie, die die zwei Abschnitte des zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus 62 verbindet, angedeutet ist, kann der Antriebsstrang 10 vorwiegend in einem rein elektrischen Betriebsmodus laufen, und die Maschine 12 kann derart gesteuert werden, dass sie nur an ist, wenn es notwendig ist, um ein Wiederaufladen der Batterie 46 vorzusehen. In der einfachsten Ausführungsform ist der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 62 eine Freilaufkupplung, wie Kupplung 62A von 1D, die eine Rückwärtsdrehung des Hohlradelements 24 verhindert, wenn die Maschine 12 daran geht, von einem rein elektrischen Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung umzuschalten. Um in den Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung überzugehen, können das Drehmoment und die Drehzahl der Maschine 12 sowie die Drehzahl des Motors/Generators 30 derart eingestellt werden, dass das Hohlradelement 24 in der Vorwärtsrichtung rotiert, bis der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 eingerückt ist.
Hinsichtlich der vorstehenden Beschreibung der Betriebsmodi wird ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs, wie etwa Antriebsstrang 10, mit Bezug auf die Komponenten der 1A–2C beschrieben, das umfasst, dass ein erster Drehmomentübertragungsmechanismus 60 zwischen dem zweiten Motor/Generator 32 und dem Element (Hohlradelement 24) des Planetenradsatzes 20, das mit dem zweiten Motor/Generator 32 verbunden ist, vorgesehen wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass gespeicherte elektrische Leistung (in Batterie 46 gespeichert) zu dem zweiten Motor/Generator 32 gelenkt wird, um das Getriebeabtriebselement 18 anzutreiben und dadurch einen rein elektrischen Betriebsmodus herzustellen, wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 während des rein elektrischen Betriebsmodus ausgerückt ist, so dass der zweite Motor/Generator 32 und das Abtriebselement 18 von dem Planetenradsatz 20, der Maschine 12 und dem ersten Motor/Generator 30 getrennt sind, wodurch Widerstand dieser letzteren Komponenten an dem Abtriebselement 18 beseitigt wird. Während gespeicherte elektrische Leistung zu dem zweiten Motor/Generator 32 gelenkt wird, umfasst das Verfahren, dass die Maschine 12 mit Leistung beaufschlagt wird, wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus 60 entweder automatisch eingerückt wird (in dem Fall einer Freilaufkupplung) oder selektiv eingerückt wird (in dem Fall einer Kupplung, die in der Lage ist, Drehmoment in zwei Richtungen zu übertragen, wie etwa eine Kupplung vom Reibplattentyp), wodurch die elektrische Leistung zu dem Abtriebselement 18 gelenkt und ein Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung hergestellt wird. Anstatt eines Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung kann im Anschluss an den rein elektrischen Betriebsmodus ein Reihen-Hybridbetriebsmodus hergestellt werden, indem der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus 62 selektiv eingerückt wird, um das Hohlradelement 24 auf Masse festzulegen, die Maschine 12 mit Leistung beaufschlagt wird und den ersten Motor/Generator 30 derart gesteuert wird, dass er als Generator wirkt, der elektrische Leistung an die Batterie 46 liefert. Das Verfahren kann ferner umfassen, dass von dem rein elektrischen Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung umgeschaltet wird, indem der erste Motor/Generator 30 derart gesteuert wird, dass er als Motor arbeitet, um die Drehzahl des Hohlradelements 24 mit der Drehzahl des zweiten Motors/Generators 32 zu synchronisieren.
Obgleich die besten Ausführungsarten der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.
Zusammenfassung
Ein Hybridantriebsstrang umfasst ein hybrides elektromechanisches Getriebe und eine Leistungsquelle. Ein Planetenradsatz, der ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweist, verbindet die Leistungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Motor/Generator. Eine Batterie ist funktional mit den Motoren/Generatoren zur Aufnahme von Leistung von diesen und zur Abgabe von Leistung an diese verbunden. Ein Antriebselement rotiert mit dem ersten Element, der erste Motor/Generator rotiert mit dem zweiten Element, und der zweite Motor/Generator rotiert mit dem Abtriebselement. Ein erster Drehmomentübertragungsmechanismus ist einrückbar, um den zweiten Motor/Generator zur Rotation mit dem dritten Element zu verbinden. Die Batterie und der zweite Motor/Generator stellen einen rein elektrischen Betriebsmodus bereit, um das Abtriebselement mit Leistung zu beaufschlagen, wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus nicht eingerückt ist; wodurch die Leistungsquelle, der Planetenradsatz und der erste Motor/Generator während des rein elektrischen Betriebsmodus von dem Abtriebselement getrennt sind, um parasitären Widerstand zu verhindern.

Claims

Hybrides elektromechanisches Getriebe, das mit einer Leistungsquelle verbindbar ist, umfassend: ein Antriebselement, das mit der Leistungsquelle verbunden ist; ein Abtriebselement; einen Planetenradsatz, der ein erstes, ein zweites und ein drittes Element aufweist; einen ersten und zweiten Motor/Generator; eine Batterie, die funktional mit den Motoren/Generatoren zur Aufnahme von Leistung von diesen und zur Abgabe von Leistung an diese verbunden ist; wobei das Antriebselement funktional mit dem ersten Element verbunden ist; wobei der erste Motor/Generator funktional zur Rotation mit dem zweiten Element verbunden ist; wobei der zweite Motor/Generator funktional zur Rotation mit dem Abtriebselement verbunden ist; einen ersten Drehmomentübertragungsmechanismus, der einrückbar ist, um den zweiten Motor/Generator zur Rotation mit dem dritten Element zu verbinden; und wobei die Batterie und der zweite Motor/Generator einen rein elektrischen Betriebsmodus bereitstellen, um das Abtriebselement mit Leistung zu beaufschlagen, wenn der erste Drehmomentübertragungsmechanismus nicht eingerückt ist; wodurch die Leistungsquelle, der Planetenradsatz und der erste Motor/Generator während des rein elektrischen Betriebsmodus von dem Abtriebselement getrennt sind, um parasitären Widerstand zu verhindern.
Hybrides elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus eine Freilaufkupplung ist, die während des rein elektrischen Betriebsmodus automatisch in einem ausgerückten, überholenden Zustand ist.
Hydrides elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus eine selektiv einrückbare Kupplung ist, die in der Lage ist, Drehmoment in zwei Richtungen zu übertragen.
Hydrides elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei die Batterie, der zweite Motor/Generator und die Leistungsquelle einen Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung bereitstellen, in welchem der zweite Motor/Generator und die Leistungsquelle das Abtriebselement mit Leistung beaufschlagen und der erste Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt ist.
Hydrides elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein feststehendes Element; einen zweiten Drehmomentübertragungsmechanismus, der einrückbar ist, um das dritte Element des Planetenradsatzes an einem feststehenden Element auf Masse festzulegen; und wobei die Leistungsquelle, der erste Motor/Generator und der zweite Motor/Generator einen Reihen-Hybridbetriebsmodus bereitstellen, in welchem der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt ist und die Leistungsquelle Leistung liefert, wobei der erste Motor/Generator durch die Leistungsquelle mit Leistung beaufschlagt wird, um als Generator zu arbeiten und somit elektrische Leistung an den zweiten Motor/Generator über die Batterie zu schicken, und der zweite Motor/Generator als Motor arbeitet.
Hydrides elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 5, wobei die Leistungsquelle eine Maschine ist; und wobei der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus Bremse in der Lage ist, Drehmoment in zwei Richtungen zu übertragen, was das dritte Element selektiv an dem feststehenden Element auf Masse festlegt, wenn der erste Motor/Generator als Motor betrieben wird, um die Maschine zu starten.
Hydrides elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 5, wobei der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus eine Freilaufkupplung ist.
Hydrides elektromechanisches Getriebe nach Anspruch 1, wobei die Batterie derart ausgestaltet ist, dass sie mit einer nicht an Bord befindlichen Leistungsversorgung zum Wiederaufladen der Batterie verbindbar ist.
Hybridantriebsstrang, umfassend: eine Maschine; ein elektrisch verstellbares Getriebe mit: einem Antriebselement, das zur Rotation mit der Maschine verbunden ist; einem Abtriebselement; einem feststehenden Element; einem Planetenradsatz, der ein Hohlradelement, ein Sonnenradelement und ein Trägerelement aufweist, das eine Mehrzahl von Planetenrädern drehbar lagert, die mit sowohl dem Hohlradelement als auch dem Sonnenradelement kämmen; einem ersten und zweiten Motor/Generator; wobei der erste Motor/Generator funktional zur Rotation mit dem Sonnenradelement verbunden ist, wobei der zweite Motor/Generator funktional zur Rotation mit dem Abtriebselement verbunden ist; einer Batterie, die funktional mit dem ersten und zweiten Motor/Generator zur Aufnahme von Leistung von diesen und zur Abgabe von Leistung an diese verbunden ist; wobei die Batterie derart ausgestaltet ist, dass sie funktional mit einer nicht an Bord befindlichen Leistungsversorgung zum Wiederaufladen der Batterie verbindbar ist; einer Freilaufkupplung, die einrückbar ist, um das Hohlradelement und das Abtriebselement zu verbinden; wobei die Freilaufkupplung automatisch in Eingriff gelangt, wenn das Hohlradelement in einer Vorwärtsrichtung rotiert, und überholt, wenn das Hohlradelement nicht rotiert; einem Drehmomentübertragungsmechanismus, der einrückbar ist, um das Hohlradelement an dem feststehenden Gehäuse auf Masse festzulegen; wobei die Batterie und der zweite Motor/Generator einen rein elektrischen Betriebsmodus bereitstellen, wenn die Freilaufkupplung nicht eingerückt ist und die Maschine aus ist, wodurch die Freilaufkupplung den Planetenradsatz, die Maschine und den ersten Motor/Generator während des rein elektrischen Betriebsmodus von dem Abtriebselement trennt; wobei die Maschine, die Batterie und der zweite Motor/Generator einen Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung be reitstellen, wenn die Maschine an ist, die Freilaufkupplung eingerückt ist und der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus nicht eingerückt ist; und wobei die Maschine, der erste Motor/Generator, die Batterie und der zweite Motor/Generator einen Reihen-Hybridbetriebsmodus bereitstellen, wenn die Maschine an ist, die Freilaufkupplung nicht eingerückt ist und der zweite Drehmomentübertragungsmechanismus eingerückt ist.
Verfahren zum Betreiben eines hybriden elektromechanischen Antriebsstrangs, der eine Maschine, ein Getriebe mit einem ersten Motor/Generator, einem zweiten Motor/Generator und einem Planetenradsatz aufweist; wobei die Maschine und die Motoren/Generatoren jeweils mit unterschiedlichen Elementen des Planetenradsatzes verbindbar sind, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein erster einrückbarer und ausrückbarer Drehmomentübertragungsmechanismus zwischen dem zweiten Motor/Generator und dem Element des Planetenradsatzes, das mit dem zweiten Motor/Generator verbunden ist, vorgesehen wird; gespeicherte elektrische Leistung zu dem zweiten Motor/Generator gelenkt wird, um ein Getriebeabtriebselement anzutreiben und dadurch einen rein elektrischen Betriebsmodus herzustellen; und wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus während des Lenkens ausgerückt wird, so dass der zweite Motor/Generator und das Abtriebselement von der Maschine, dem Planetenradsatz und dem ersten Motor/Generator getrennt werden, wodurch parasitärer Widerstand beseitigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus eine erste Freilaufkupplung ist, so dass der zweite Motor/Generator und das Abtriebselement während des rein elektrischen Betriebsmodus aufgrund des Überholens der Freilaufkupplung automatisch von der Maschine, dem Planetenradsatz und dem ersten Motor/Generator getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst, dass: die Maschine während des Lenkens gespeicherter elektrischer Leistung zu dem zweiten Motor/Generator mit Leistung beaufschlagt wird; wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus während des Beaufschlagens der Maschine mit Leistung in Eingriff steht, um dadurch einen Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Drehmomentübertragungsmechanismus eine Freilaufkupplung ist, die während des rein elektrischen Betriebsmodus automatisch überholt und die während des Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung automatisch in Eingriff steht.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst, dass: ein zweiter Drehmomentübertragungsmechanismus selektiv eingerückt wird, um das Element des Planetenradsatzes, das mit dem zweiten Motor/Generator verbindbar ist, auf Masse festzulegen; die Maschine mit Leistung beaufschlagt wird; und der erste Motor/Generator gesteuert wird, um als Generator zu wirken, der die elektrische Leistung an die Batterie liefert, wodurch ein Reihen-Hybridbetriebsmodus hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst, dass: von dem rein elektrischen Betriebsmodus in den Betriebsmodus mit Eingangsleistungsverzweigung umgeschaltet wird, indem der erste Motor/Generator derart gesteuert wird, dass er als Motor arbeitet, wodurch die Drehzahl des Elements des Planetenradsatzes, das mit dem zweiten Motor/Generator verbindbar ist, mit der Drehzahl des zweiten Motors/Generators synchronisiert wird.