DE19841829C2 - Hybridantrieb, insbesondere für Fahrzeuge - Google Patents

Hybridantrieb, insbesondere für Fahrzeuge

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Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb, insbesondere für Fahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein Hybridantrieb dieser Art ist aus der DE 24 36 546 A1 bekannt. Bei ihm ist ein Primärmotor mit einem Planetenträger eines einfachen Planetengetriebes verbunden, dessen Hohlrad mit einer Abtriebswelle verbunden ist, auf welcher ein Rotor einer zweiten elektrischen Maschine (Motor/Generator) drehfest angeordnet ist, dessen Stator ortsfest nicht-rotierbar angeordnet ist. Ein zentrales Sonnenrad des Planetengetriebes ist mit einem Rotor einer ersten elektrischen Maschine (Motor/Generator) verbunden, dessen Stator ebenfalls ortsfest nicht-rotierbar angeordnet ist. Der mit dem Primärmotor verbundene Teil (Planetenträger) des Planetengetriebes ist durch eine schaltbare Kupplung mit der Abtriebswelle direkt verbindbar. Die beiden Elektromaschinen können je nach Fahrbetrieb des Hybridantriebes als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator arbeiten. Die gleiche Art eines Hybridantriebes zeigen auch die DE 41 24 479 A1 und DE 197 17 884 A1.
Bei einer anderen Art eines Hybridantriebes nach der JP 09175199 A ist ein Primärmotor an das zentrale Sonnenrad eines einfachen Planetengetriebes angeschlossen, dessen Hohlrad mit einer Abtriebswelle verbunden ist, die mit dem Rotor einer zweiten elektrischen Maschine (Motor/Generator) drehfest verbunden ist, deren Stator ortsfest nicht-rotierbar angeordnet ist. Der Planetenträger des Planetengetriebes ist mit einem Rotor einer ersten elektrischen Maschine (Motor/Generator) verbunden, dessen Stator ebenfalls rotierbar angeordnet und mit dem Sonnenrad drehfest verbunden ist. Die DE 44 07 666 A1 zeigt einen Hybridantrieb für Fahrzeuge mit in Reihe angeordnetem Primärmotor und zwei elektrischen Maschinen (Motor/Generator). Durch eine Kupplung kann eine mechanische Verbindung von der Primärmaschine durch die beiden elektrischen Maschinen zu einer Abtriebswelle gebildet werden, um diese ohne Schlupf in den elektrischen Maschinen anzutreiben.
Weiterhin wird in der DE 196 06 771 A1 ein Kupplungsvorgang für einen Hybridantrieb vorgeschlagen, wobei der Hybridantrieb eine Brennkraftmaschine und ein mit dieser über eine Kupplung verbundenes, aus Elektromaschinen und einem Überlagerungsgetriebe kombiniertes stufenloses Getriebe umfasst. Eine der Elektromaschinen steht mit einer Reaktionswelle in Antriebsverbindung und eine andere Elektromaschine steht mit der Eingangswelle oder der Antriebswelle des Überlagerungsgetriebes in Antriebsverbindung. Mit diesem Getriebe kann ein elektrischer Antrieb realisiert werden. Zu diesem Zweck wird die Eingangswelle durch den Freilauf von der Motorwelle getrennt. Die Überbrückungskupplung kann geschlossen werden, und die beiden Elektromaschinen können gemeinsam den Antrieb des Fahrzeugs übernehmen.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Lösung für kompaktere, kleinere Hybridantriebe zu schaffen, bei gleicher übertragbarer Antriebsleistung.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hybridantriebs sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung geht von einem Hybridantrieb aus, insbesondere für Fahrzeuge, welcher wenigstens folgende Merkmale ausweist:
  • - mindestens eine erste elektrische Maschine, welche mindestens als Elektromotor betreibbar ist;
  • - eine zweite elektrische Maschine, welche mindestens als Elektromotor betreibbar ist und einen nicht-rotierbar angeordneten Stator und einen relativ dazu rotrierbaren Rotor aufweist;
  • - ein Überlagerungsgetriebe, welches ein Primärmotor- Eingangsteil, welches mit einem Primärmotor verbindbar oder verbunden ist, ein Maschinen-Eingangsteil, welches mit dem Rotor der zweiten Elektromaschine verbunden oder verbindbar ist, und ein Abtriebsteil aufweist, wobei alle drei Teile relativ zueinander drehbar angeordnet sind.
Gemäß der im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Lösung ist die erste elektrische Maschine als Doppelrotationsmaschine in das Überlagerungsgetriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe, integriert. Die Integration ist in der Weise vorgesehen, daß am Primärmotor-Eingangsteil des Überlagerungsgetriebes eine Leistungsteilung der vom Primärmotor erzeugten Leistung einerseits auf ein anderes Teil des Überlagerungsgetriebes und andererseits auf den mit dem Primärmotor-Eingangsteil drehfest verbundenen Teil der ersten Elektromaschine erfolgt. Anschließend erfolgt eine Leistungssummierung einerseits mechanisch im Überlagerungsgetriebe und andererseits elektrisch durch die erste elektrische Maschine auf dem Abtriebsteil. Auch hierdurch ergibt sich eine preisgünstigere, kleinere, kompaktere Bauweise und bessere Bauraumausnutzung als beim Stand der Technik.
Gemäß einer der vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist eine Bremse zum nicht-rotierbaren Festhalten des Rotors der zweiten elektrischen Maschine vorgesehen. Dies hat den Vorteil, daß diese zweite elektrische Maschine beim Anfahrvorgang mit dem Primärmotor nicht ein Vielfaches des Motordrehmoments elektrisch abstützen muß, sondern dieses Stützmoment, welches über das Planetengetriebe abgestützt werden muß, von der mechanischen Bremse erzeugt werden kann. Beim Anfahren im ersten Gang eines im Antriebsstrang angeordneten automatischen Getriebes tritt bis zu etwa das vierfache Moment des Primärmotors als Stützmoment auf, welches von der elektrischen Maschine beziehungsweise im Falle der Erfindung von der Bremse abgestützt werden muß. Beim Anfahren in einem zweiten Gang würde sich das abzustützende Moment auf das zweifache bis dreifache des Moments des Primärmotors reduzieren. Dadurch kann die zweite elektrische Maschine für das von ihr als Fahrantrieb aufzubringende Drehmoment wesentlich kleiner ausgebildet werden.
Die Erfindung wird im folgenden in Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen, als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 schematisch einen Hybridantrieb nach der Erfindung, insbesondere für Fahrzeuge, und
Fig. 2 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Hybridantriebes nach der Erfindung, insbesondere für Fahrzeuge.
In den Fig. 1 und 2 sind einander entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Die Beschreibung der einen Figur gilt insofern auch als Beschreibung der anderen Figur.
Anstelle der in den Zeichnungen dargestellten Überlagerungsgetriebe können auch andere Arten von Umlaufgetrieben verwendet werden.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten beiden Ausführungsformen der Erfindung haben folgende gemeinsamen Merkmale: eine erste elektrische Maschine E1, eine zweite elektrische Maschine E2 und ein Umlaufgetriebe in Form eines einfachen Planetengetriebes 2.
Das Planetengetriebe 2 enthält ein zentrales Sonnenrad 4, ein Hohlrad 6 und zwischen ihnen Planetenräder 8 eines Planetenträgers 10.
Das Sonnenrad 4 kann direkt oder über eine schaltbare Kupplung K1 mit einem Primärmotor 12 antriebsmäßig verbunden sein. Der Primärmotor 12 ist vorzugsweise ein Verbrennungsmotor, könnte jedoch auch eine Turbine oder jede andere Art von Motor sein. Die Kupplung K1 kann als Anfahrkupplung verwendet werden. Eine die Kupplung K1 mit dem Sonnenrad 4 verbindende Antriebswelle 14 ist vorzugsweise mit einer zweiten Bremse B2 zum wahlweisen Festsetzen der Antriebswelle 14 bei geöffneter Kupplung K1 versehen. Wenn die Antriebswelle 14 von der zweiten Bremse B2 blockiert wird, kann eine Abtriebswelle 16 wahlweise von der einen oder anderen oder beiden elektrischen Maschinen E1 und/oder E2 als Motor angetrieben werden, oder diese elektrischen Maschinen E1 und/oder E2 können als Generatoren Strom erzeugen, indem sie von der Abtriebswelle 16 angetrieben werden. Der Strom gemäß Pfeilen 19 kann in eine elektrische Einrichtung 18 gespeist werden, beispielsweise in einen Stromspeicher beziehungsweise eine Batterie, aus welcher die elektrischen Maschinen E1 und/oder E2 mit Strom versorgt werden, wenn sie als Motor betrieben werden.
Die Abtriebswelle 16 kann über ein Differentialgetriebe 20 Fahrzeugräder 22 antreiben beziehungsweise von diesen Fahrzeugrädern 22 angetrieben werden.
Die Abtriebswelle 16 ist mit dem Planetenträger 10 drehfest verbunden.
Das Hohlrad 6 des Planetengetriebes 2 ist mit dem Rotor 24 der zweiten elektrischen Maschine E2 drehfest verbunden und durch eine erste Bremse B1 gesteuert zur Rotation freigebbar oder nicht-rotierbar festsetzbar. Der Stator 26 der zweiten elektrischen Maschine E2 ist nicht-rotierbar ortsfest angeordnet. Die erste Bremse B1 kann anstelle der Kupplung K1 als Anfahrkupplung verwendet werden. Für diesen Fall kann die Kupplung K1 ständig geschlossen sein oder die Antriebswelle 14 ohne Verwendung einer solchen Kupplung K1 direkt mit dem Primärmotor 12 drehfest verbunden sein.
Beim Anfahren des mit dem Hybridantrieb versehenen Fahrzeuges mit der Kupplung K1 als Anfahrkupplung, jedoch auch während des Fahrbetriebes, muß das vom Primärmotor 12 im Planetengetriebe 2 erzeugte Drehmoment am Hohlrad 6 abgestützt werden. Dieses Abstütz-Moment wird vorzugsweise nicht von der zweiten elektrischen Maschine E2 erzeugt, sondern durch Schließen der ersten Bremse B1. Gerade beim Anfahren eines Fahrzeuges in einem niedrigen Gang eines Fahrzeuggetriebes (nicht dargestellt, vor oder nach dem Planetengetriebe 2 angeordnet) kann das am Hohlrad 6 abzustützende Drehmoment bis viermal höher oder noch höher sein als das vom Primärmotor 12 erzeugte Drehmoment. Ohne die Verwendung der ersten Bremse B1 müßte deshalb die zweite elektrische Maschine E2 für eine vierfach höhere Leistung gebaut sein um das Drehmoment des Primärmotors 12 abzustützen. Durch Verwendung der ersten Bremse B1 genügt es, die zweite elektrische Maschine E2 nur so groß zu bauen, daß sie als Motor eine ausreichende Leistung für den Antrieb des Fahrzeuges hat.
Das vorstehend genannte, in den Zeichnungen nicht dargestellte Fahrzeuggetriebe ist vorzugsweise ein Automatikgetriebe mit einem variablen Untersetzungsverhältnis. Es kann im Antriebsstrang vor oder nach dem Planetengetriebe 2 angeordnet sein. Die Erfindung ist auch ohne ein solches Getriebe verwendbar und außerdem nicht auf die Verwendung für Land- Fahrzeuge beschränkt, sondern kann auch für Wasser-Fahrzeuge und Luft-Fahrzeuge oder ortsfeste Maschinen verwendet werden.
Die erste elektrische Maschine E1 ist eine Doppelrotationsmaschine, da nicht nur ihr radial innengelegenes Maschinenteil 30 (Rotor), sondern auch ihr radial außerhalb von diesem Maschinenteil 30 gelegenes Maschinenteil 32 (Stator) drehbar angeordnet ist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist das radial innere Maschinenteil 30 (Rotor) der ersten elektrischen Maschine E1 drehfest mit dem Sonnenrad 4 verbunden und über eine zweite schaltbare Kupplung K2 mit der Abtriebswelle 16 und dem Planetenträger 10 wahlweise drehfest verbindbar oder davon trennbar. Durch Schließen der zweiten Kupplung K2 entsteht mechanisch eine drehfeste Verbindung und dadurch ein Direktantrieb vom Primärmotor 12 zu der Abtriebswelle 16, weil hierbei das Planetengetriebe 2 in sich blockiert ist.
Das radial äußere Maschinenteil 32 (Stator) ist bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mit dem Planetenträger 10 und damit auch mir der Abtriebswelle 16 drehfest, gemeinsam rotierbar, verbunden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das radial innen gelegene Maschinenteil 30 (Rotor) der ersten elektrischen Maschine E1 mit dem Planetenträger 10 und der Abtriebswelle 16 drehfest verbunden und über eine zweite Kupplung K2 mit dem Sonnenrad 4 und der Antriebswelle 14 drehfest verbindbar, so daß bei geschlossener zweiter Kupplung K2 das Planetengetriebe 2 in sich blockiert ist und der Primärmotor 12 antriebsmäßig direkt mit der Abtriebswelle 16 verbunden ist.
Das radial äußere Maschinenteil 32 (Stator) der ersten elektrischen Maschine E1 ist drehfest mit dem Sonnenrad 4 und deren Antriebswelle 14 verbunden.
Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 sind die Teile des Hybridantriebes in folgender Reihenfolge nacheinander angeordnet:
Primärmotor 12, erste Kupplung K1, zweite Bremse B2, Planetengetriebe 2, erste elektrische Maschine E1, zweite elektrische Maschine E2.
Die elektrische Maschine E1 ist in den Planetenträger 10 integriert. Mindestens das radial innere Maschinenteil 30 (Rotor) der ersten elektrischen Maschine E1, vorzugsweise aber auch entsprechend den Fig. 1 und 2 das zugehörige radial äußere Maschinenteil 32 (Stator), ist radial innerhalb von Stegen 34 des Planetenträgers 10 angeordnet, an welchen die Planetenräder 8 jeweils drehbar angeordnet sind.
Die erste Bremse B1 ist vorzugsweise entsprechend den Fig. 1 und 2 auf der von dem Planetengetriebe 2 abgewandten Seite der zweiten elektrischen Maschine E2 angeordnet.
Je nach dem, welche der Kupplungen K1 und/oder K2 und/oder der Bremsen B1 und/oder B2 geöffnet oder geschlossen ist oder sind, kann die Abtriebswelle 16 nur vom Primärmotor 12 oder nur von einer oder von beiden der elektrischen Maschinen E1 und/oder E2 oder von allen drei Antriebseinheiten angetrieben werden, oder die elektrischen Maschinen E1 und/oder E2 können von der Abtriebswelle 16 angetrieben werden und als Generator(en) wirken, oder die erste elektrische Maschine E1 kann vom Primärmotor 12 angetrieben werden und als Generator wirken.
Bei beiden Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 erfolgt eine Leistungsteilung der vom Primärmotor 12 erzeugten Abtriebsleistung einerseits mechanisch vom Sonnenrad 4 über die Planetenräder 8 auf den Planetenträger 10 und andererseits elektrisch von dem Sonnenrad 4 über die erste elektrische Maschine E1 auf den Planetenträger 10, wie dies durch Pfeile 36 und 38 angegeben ist.
Wenn das Sonnenrad 4 nicht-rotierend festgehalten wird, entweder von der zweiten Bremse B2 oder dem Primärmotor 12, kann die Abtriebswelle 16 von der einen elektrischen Maschine E 1 und/oder von dem anderen elektrischen Maschine E2 rein elektrisch angetrieben werden. Wenn die Abtriebswelle 16 von beiden elektrischen Maschinen E1 und E2 gleichzeitig angetrieben wird, dann werden ihre Leistungen am Planetenträger 10 summiert.

Claims (9)

1. Hybridantrieb, insbesondere für Fahrzeuge, enthaltend mindestens eine erste elektrische Maschine (E1), welche mindestens als Elektromotor betreibbar ist; eine zweite elektrische Maschine (E2), welche mindestens als Elektromotor betreibbar ist und einen nicht-rotierbar angeordneten Stator und einen relativ dazu rotierbaren Rotor aufweist; ein Überlagerungsgetriebe (2), welches ein Primärmotor- Eingangsteil (4), welches mit einem Primärmotor (12) verbunden oder verbindbar ist, eins Maschinen-Eingangsteil (6), welches mit dem Rotor (24) der zweiten elektrischen Maschine (E2) verbunden oder verbindbar ist, und ein Abtriebsteil (10) aufweist, wobei alle drei Teile (4, 6, 10) relativ zueinander drehbar angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (32) und der Rotor (30) der ersten elektrischen Maschine (E1) je ein rotierbar angeordnetes Maschinenteil sind, von welchen das eine Maschinenteil (30; 32) mit dem Motor-Eingangsteil (4) und das andere Maschinenteil (32; 30) mit dem Abtriebsteil (10) des Überlagerungsgetriebes (2) je drehfest verbunden oder verbindbar sind.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlagerungsgetriebe (2) eine der Position des Primärmotors (12) zugewandte Antriebsseite und eine dazu abgewandte Abtriebsseite aufweist, und daß die beiden Maschinenteile (30, 32) der ersten elektrischen Maschine (E1) auf der Abtriebsseite des Überlagerungsgetriebes (2) angeordnet sind.
3. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Motor-Eingangsteil (4) und das Abtriebsteil (10) des Überlagerungsgetriebes (2) durch eine zwischen ihnen angeordnete schaltbare Kupplung (K2) miteinander verbindbar beziehungsweise voneinander trennbar sind.
4. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bremse (B2) zum nicht-rotierbaren Festsetzen des Eingangsteils (4) des Überlagerungsgetriebes (2).
5. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß eine Bremse (B1) zum nicht- rotierbaren Festsetzen des Rotors (24) der zweiten elektrischen Maschine (E2) vorgesehen ist.
6. Hybridantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (B1) als Anfahrkupplung zum Anfahren eines Abtriebsteils (16) für eine Situation ausgebildet ist, wo das Motor-Eingangsteil (4) des Überlagerungsgetriebes (2) mit dem Primärmotor (12) drehfest verbunden ist.
7. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor-Eingangsteil (4) des Überlagerungsgetriebes (2) eine Anfahrkupplung (K1) antriebsmäßig vorgeordnet ist.
8. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlagerungsgetriebe (2) ein Planetengetriebe ist, welches mindestens ein zentrales Sonnenrad (4), einen Planetenträger (10) mit Planetenrädern (8) und ein Hohlrad (6) aufweist.
9. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Motor-Eingangsteil das Sonnenrad (4), das Maschineneingangsteil das Hohlrad (6) und das Abtriebsteil der Planetenträger (10) des Planetengetriebes (2) ist.
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