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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentverteilungseinheit für ein Elektrofahrzeug.
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Drehmomentverteilung ist eine Technologie, die beispielsweise in Automobilgetrieben zum Einsatz kommt. Im Allgemeinen überträgt ein Differenzial als ein Teil eines Getriebes von der Kraftmaschine geliefertes Drehmoment auf die Räder. Drehmomentverteilungstechnologie verleiht dem Differenzial die Fähigkeit, das gelieferte Drehmoment unter den Rädern zu variieren.
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Drehmomentverteilungssysteme sind im Stand der Technik auf verschiedene Weise implementiert. Jede dieser Implementierungen weist jedoch mehrere Mängel auf. Einige bekannte Systeme sind in 1 dargestellt. In einer ersten Implementierung A ist eine zweirädrige Achse mit Rädern 1A und 2A mit zwei separaten elektrischen Antriebsmotoren 3A und 4A versehen, d. h., einem Antriebsmotor für jedes Rad, um unabhängig Drehmoment an die Räder 1A, 2A zu liefern. Diese Implementierung hat den Nachteil, dass zwei Hochleistungswechselrichter benötigt werden, ein vergleichsweise kleiner Arbeitsbereich vorgesehen ist, zwei separate elektrische Maschinen benötigt werden und ein hohes Gesamtgewicht und Volumen der Antriebseinheit erreicht wird. In einer zweiten Implementierung B wird eine Doppelkupplung 5B zur Drehmomentverteilung in der Antriebseinheit auf einer zweirädrigen Achse mit Rädern 1B, 2B eingesetzt. Die Doppelkupplung 5B ist vorgelagert mit einem elektrischen Antriebsmotor 3B und einem Getriebe 4B mit festem Übersetzungsverhältnis verbunden. Diese Implementierung hat die Nachteile, dass die Doppelkupplung 5B Schlupfverlusten unterliegt, der Arbeitsbereich dieser Implementierung noch vergleichsweise klein ist, obwohl er größer als der Arbeitsbereich der Implementierung A ist, und die Dynamik gering ist. Eine dritte Implementierung C nutzt ein überlagerndes Getriebe. Die Implementierung C umfasst einen Hauptelektroantriebsmotor 3C und einen Regelmotor 5C, der das Differenzdrehmoment an die Räder 1 und 2 liefert. Ein Getriebe 4C ist zwischen dem Hauptelektromotor 3C und dem Steuermotor 5C angeordnet. Das Getriebe 4C umfasst einen dem Hauptelektromotor 3C zugewandten Endantriebsplaneten, ein Differenzial als das Mittelteil des Getriebes 4C und dem Regelmotor 5C zugewandte Planetenzwischenstufen. Die Nachteile dieser Implementierung sind eine hohe Komplexität des mechanischen Systems, eine hohe Kostenintensität, da viele Planetenradsätze benötigt werden, und ein noch begrenzter Arbeitsbereich, obwohl er wesentlich größer als im Fall der Implementierung A ist.
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Ausgehend von den oben genannten Mängeln der bekannten Systeme nach dem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte und energieeffiziente Drehmomentverteilungseinheit bereitzustellen, die eine geringe Komplexität, eine verbesserte Dynamik und einen vergrößerten Arbeitsbereich aufweist.
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Die erfindungsgemäße Drehmomentverteilungseinheit für ein Elektrofahrzeug umfasst einen Innenrotor, einen den Innenrotor einschließenden Außenrotor und einen den Außenrotor einschließenden Stator, wobei der Innenrotor, der Außenrotor und der Stator konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei der Innenrotor treibend mit einem ersten Rad verbindbar ist und der Außenrotor treibend mit einem zweiten Rad verbindbar ist, wobei der Innenrotor und der Außenrotor einen ersten Elektromotor darstellen und der Außenrotor und der Stator einen zweiten Elektromotor darstellen.
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Die erfindungsgemäße Drehmomentverteilungseinheit ist kompakt, da sie zwei Elektromotoren zum unabhängigen Antreiben des ersten und zweiten Rades in einer konzentrischen Bauform kombiniert. Sie ist energieeffizient, da Differenzdrehmoment oder Drehzahl zwischen Motor und Rädern nicht in Kupplungen abgeführt wird, sondern zurückgewonnen werden kann. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Drehmomentverteilungseinheit sehr dynamisch, da sie kein Öffnen und Schließen von Kupplungen erfordert. Das Raddrehmoment wird rein elektromagnetisch und damit sehr dynamisch erzeugt. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Drehmomentverteilungseinheit im Vergleich zu anderen nach dem Stand der Technik bekannten Drehmomentverteilungssystemen einen größeren Drehmomentverteilungsarbeitsbereich für die gleiche installierte Leistung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Drehmomentverteilungseinheit ferner einen ersten und einen zweiten Wechselrichter umfassen, wobei der erste Wechselrichter mit dem Innenrotor elektrisch verbunden ist und der zweite Wechselrichter mit dem Stator elektrisch verbunden ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste Wechselrichter ein Kleinleistungswechselrichter sein, und der zweite Wechselrichter kann ein Hochleistungswechselrichter sein.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der zweite Wechselrichter dazu ausgelegt sein, über den Stator, den Innenrotor und den Außenrotor dem ersten und zweiten Rad einen Hauptstrom bereitzustellen.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste Wechselrichter dazu ausgelegt sein, dem Innenrotor einen Sekundärstrom bereitzustellen, der proportional zu einem Drehmoment des Innenrotors und/oder einer Raddrehzahldifferenz ist.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Stator ein gewickelter Stator sein.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Innenrotor ein gewickelter Rotor sein.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Außenrotor ein Permanentmagnetrotor sein, vorzugsweise mit einer äußeren Magnetanordnung und einer inneren Magnetanordnung, oder ein Käfigläufer, und/oder umfasst er ein Rotorjoch, das eine Jochdicke aufweist, die im Vergleich zu einer Jochdicke des Stators und/oder des Innenrotors groß oder vorzugsweise klein ist. Eine große Wanddicke des äußeren Rotorjochs ermöglicht eine magnetische Entkopplung des Stators und des Innenrotors. Eine kleine Wanddicke des äußeren Rotorjochs ermöglicht eine magnetische Kopplung des Stators und des Innenrotors.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste Wechselrichter über eine Schleifringeinheit mit dem Innenrotor verbunden sein. Vorzugsweise kann die Schleifringeinheit drei Schleifringe umfassen, wobei jeder der Schleifringe eine Dicke zwischen 0,5 cm und 1,5 cm, vorzugsweise von 1 cm, und einen Radius zwischen 1,5 cm und 2,5 cm, vorzugsweise von 2 cm, aufweist.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können das erste und zweite Rad durch eine feste Reduktion, insbesondere durch einen Planetenradsatz, treibend verbindbar mit dem Innen- bzw. dem Außenrotor sein.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Drehmomentverteilungseinheit ferner eine Regelung umfassen, die dazu ausgelegt ist, eine Drehzahl des ersten Rades durch Regeln eines Innenrotorstroms vom ersten Wechselrichter zu regeln und eine Drehzahl des zweiten Rades durch Regeln eines Statorstroms vom zweiten Wechselrichter zu regeln, wobei ein Außenrotordrehmoment gleich einer Summe aus einem Statordrehmoment und einem Innenrotordrehmoment ist.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Regelung dazu ausgelegt sein, einen ersten Drehmomentsollwert für das erste Rad und einen zweiten Drehmomentsollwert für das zweite Rad zu erzeugen, um einen Innenrotorstrom gemäß dem ersten Drehmomentsollwert zu regeln, und einen Statorstrom gemäß dem zweiten Drehmomentsollwert zu regeln.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentverteilungssystems ausführlicher auf der Basis der folgenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen Merkmale sind nicht nur in der Kombination der offenbarten Ausführungsformen vorstellbar, sondern können unabhängig von der konkreten Ausführungsform in verschiedenen anderen Kombinationen verwirklicht werden. In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
- 1 zeigt einige bekannte Drehmomentverteilungssysteme nach dem Stand der Technik.
- 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehmomentverteilungseinheit.
- 3 zeigt einen idealen Leistungsfluss in der Drehmomentverteilungseinheit gemäß der Ausführungsform von 2.
- 4 zeigt ein Regelungsschema für die Drehmomentverteilungseinheit gemäß der Ausführungsform von 2.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehmomentverteilungseinheit ist in 2 gezeigt. Die Drehmomentverteilungseinheit von 2 basiert auf einer elektrisch variablen Getriebeeinheit (Electrically Variable Transmission, EVT). Ein EVT ist ein Getriebe mit elektrischer Leistungsverteilung. Es besteht aus einem gewickelten Stator, einem (Permanentmagnet-) Außenrotor und einem gewickelten Innenrotor. Sowohl der Stator als auch der Innenrotor werden durch einen separaten Wechselrichter versorgt. In der vorliegenden Erfindung wird diese Art von System als drehmomentverteilende E-Achse genutzt. Der Außen- und Innenrotor sind jeweils mit einem Rad verbunden, vorzugsweise mittels einer festen Reduktion (z. B. eines Planetenradsatzes).
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Der Grundgedanke eines EVT ist nicht neu und wurde im Stand der Technik bereits veröffentlicht. In den meisten Anwendungen wird das EVT als ein Leistungsverteilungsgetriebe zwischen einer Verbrennungskraftmaschine und Rädern in einem hybridelektrischen Fahrzeug genutzt. Im letzteren Fall ist der Innenrotor typischerweise mit der Verbrennungskraftmaschine verbunden, während der Außenrotor über ein offenes Differenzial mit beiden Rädern verbunden ist. In der vorliegenden Erfindung wird ein EVT jedoch als eine Drehmomentverteilungseinheit in einem rein elektrischen Fahrzeug eingesetzt. Dies resultiert in einem kleinen Innenrotorwechselrichter, z. B. in der Größenordnung von 10 kW, sodass nur ein Hochleistungswechselrichter, z. B. von 150-200 kW, je nach gewünschter Fahrzeugleistung, erforderlich ist, wie nachfolgend erläutert wird. Darüber hinaus kann die Schleifringeinheit sehr klein gewählt werden, beispielsweise aus drei Schleifringen mit einer Dicke von etwa 1 cm und einem Radius von etwa 2 cm bestehen.
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Die Drehmomentverteilungseinheit von 2 umfasst einen ersten Elektromotor und einen zweiten Elektromotor. Der erste Elektromotor ist dargestellt durch einen Innenrotor 4 und eine innere Dauermagnetanordnung 3a eines Außenrotors 3. Der zweite Elektromotor ist dargestellt durch eine äußere Dauermagnetanordnung 3b eines Außenrotors 3 und einen Stator 5. Der Außenrotor 3 schließt den Innenrotor 4 ein, und der Stator 5 schließt den Außenrotor 3 ein. Der Innenrotor 4, der Außenrotor 3 und der Stator 5 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Darüber hinaus ist der Innenrotor 4 über eine erste Welle 11 treibend mit einem ersten Rad 1 verbindbar. Der Außenrotor 3 ist über eine zweite Welle 12 treibend mit einem zweiten Rad 2 verbindbar. Darüber hinaus ist an der ersten Welle 11 zwischen dem Innenrotor 4 und dem ersten Rad 1 ein Getriebe 9 angeordnet, um ein von dem Innenrotor 4 zu dem ersten Rad 1 übertragenes Drehmoment zu modulieren. Analog ist an der zweiten Welle 12 zwischen dem Außenrotor 3 und dem zweiten Rad 2 ein Getriebe 10 angeordnet, um ein von dem Außenrotor 3 zu dem zweiten Rad 2 übertragenes Drehmoment zu modulieren. Die Drehmomentverteilungseinheit umfasst ferner einen ersten Wechselrichter 6 und einen zweiten Wechselrichter 7, wobei der erste Wechselrichter 6 mit dem Innenrotor 4 über eine Schleifringeinheit 13 elektrisch verbunden ist und der zweite Wechselrichter 7 mit dem Stator 5 elektrisch verbunden ist. Der Stator 5 ist ein gewickelter Stator. Der Außenrotor 3 ist ein Permanentmagnetrotor mit einer inneren Magnetanordnung 3a und einer äußeren Magnetanordnung 3b. Der Innenrotor 4 ist ein gewickelter Rotor. Sowohl der erste Wechselrichter 6 als auch der zweite Wechselrichter 7 sind mit einer Batterie 8 verbunden.
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Wie in einer konventionellen elektrischen Maschine weist der zweite Elektromotor den Stator 5 (mit Wicklungen) und die äußere Magnetanordnung 3b (Permanentmagnetanordnung) des Außenrotors 3 auf. Zwischen dem Strom in den Wicklungen des Stators 5 und den Magneten der Magnetanordnung 3b besteht eine elektromagnetische Kraft, die in Drehmoment resultiert. Der erste Elektromotor weist den Innenrotor 4 (mit Wicklungen) und die innere Magnetanordnung 3a (Permanentmagnetanordnung) des Außenrotors 3 auf. Das bedeutet, im ersten Elektromotor, dass der Innenrotor 4 als ein (rotierender) Stator agiert und eine elektromagnetische Kraft zwischen dem Strom in den Wicklungen des Innenrotors 4 und der Magneten der Magnetanordnung 3a in Drehmoment resultiert. So üben beide Elektromotoren auf den Außenrotor 3 Drehmoment aus. Das Reaktionsdrehmoment des ersten Motors ist an dem Innenrotor präsent, der tatsächlich ein rotierender Stator mit Wicklungen ist.
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Das EVT von 2 als eine Drehmomentverteilungseinheit kann an dem Innenrotor 4 und Außenrotor 3 ein unterschiedliches Drehmoment bereitstellen, was in der Möglichkeit einer Drehmomentverteilung resultiert. Beide Rotoren 3 und 4 können sich hierbei mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen. Ein Hauptstrom wird durch den zweiten Wechselrichter 7 (auch bezeichnet als Hauptwechselrichter), verbunden mit dem Stator 5, bereitgestellt. Der erste Wechselrichter 6 (auch bezeichnet als Zusatzwechselrichter), verbunden mit dem Innenrotor 4, wandelt Leistung proportional zu einem Innenrotordrehmoment und einer Raddrehzahldifferenz zwischen Rädern 1 und 2 um. Dies wird nachfolgend erläutert.
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Aus dem Senden eines Stromes durch die Statorwicklungen von Stator 5 resultiert am Stator 5 ein elektromagnetisches Drehmoment Ts. Dieses Drehmoment Ts hängt vom Statorstrom und dem mit den Statorwicklungen verbundenen Magnetfluss ab, wie dies für eine konventionelle elektrische Maschine der Fall ist. Aus dem Senden eines Stromes durch den Innenrotor 4 resultiert am Innenrotor 4 ein elektromagnetisches Drehmoment Tr1. Dieses Drehmoment Tr1 hängt von dem Innenrotorstrom und dem mit dem Innenrotor 4 verbundenen Magnetfluss ab. Das elektromagnetische Drehmoment Tr1 ist gleich dem Drehmoment am Rad 1, möglicherweise moduliert durch das Getriebe 9. Das Außenrotordrehmoment Tr2 folgt schließlich aus dem dritten Newtonschen Gesetz (Gegenwirkungsprinzip), da Ts+ Tr1 + Tr2 = 0. Folglich können durch Regeln der Ströme im Stator 5 und Innenrotor 4 (was über die entsprechenden Wechselrichter 6 und 7 erfolgen kann) die Drehmomente an beiden Rotoren 3 und 4 (Räder 1 und 2) unabhängig geregelt werden. Das elektromagnetische Drehmoment Tr2 am Außenrotor 3 ist gleich dem Drehmoment am zweiten Rad 2, möglicherweise moduliert durch das Getriebe 10. Zu beachten ist, dass das Statordrehmoment Ts tatsächlich das Reaktionsdrehmoment am stationären Stator 5 ist.
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3 zeigt einen idealen (verlustlosen) Leistungsfluss in der Drehmomentverteilungseinheit gemäß der Ausführungsform von 2. Der zweite (Haupt-) Wechselrichter 7 beliefert den Stator 5 mit elektrischer Leistung Pel,s von einem Gleichstrombus (z. B. der Batterie 8). Der zweite Wechselrichter 7 regelt die Statorströme, um ein gewünschtes elektromagnetisches Drehmoment Ts am Stator 5 zu erreichen. Wenn Verluste nicht berücksichtigt werden, wird die elektrische Leistung zum Stator 5 in sogenannte elektromagnetische Leistung oder Luftspaltleistung Pa,s umgewandelt, die der Luftspalt zwischen dem Stator 5 und dem Außenrotor 3 überträgt. Es kann gezeigt werden, dass diese elektromagnetische Leistung Pa,s gleich dem vom Stator 5 bereitgestellten elektromagnetischen Drehmoment Ts, multipliziert mit der Geschwindigkeit des Magnetfeldes im Luftspalt ist.
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Wenn T
s das Reaktionsdrehmoment am Stator 5 ist und Ω
r2 die Drehzahl des Außenrotors 3 ist, ergibt sich für diese Leistung folgende Gleichung:
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Aus der vorstehenden Gleichung ergibt sich, dass der zweite Wechselrichter 7 den Rädern 1 und 2 alle Leistung bereitstellt, wenn die Raddrehzahlen gleich sind. Unterscheidet sich die Raddrehzahl zwischen den beiden Rädern 1 und 2, wandelt der erste Wechselrichter 6 einen Teil der Leistung um, wie nachfolgend erläutert wird.
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Der erste Wechselrichter 6 stellt den Innenrotorwicklungen elektrische Leistung bereit. Der erste Wechselrichter 6 ist hier mit dem gleichen Gleichstrombus wie der zweite Wechselrichter 7 verbunden (wie auch in den
2 und
3), kann aber auch mit einem anderen Gleichstrombus verbunden werden (z. B. einem 48-V-Gleichstrombus). Die Luftspaltleistung P
a,r1, die den Luftspalt zwischen den Rotoren 3 und 4 überträgt, ist gleich dem elektromagnetischen Drehmoment T
r1, bereitgestellt von dem Innenrotor 4, multipliziert mit der Geschwindigkeit des Magnetfeldes im Luftspalt in Bezug auf die Wicklungen des Innenrotors 4. Wenn T
r1 das elektromagnetische Drehmoment am Innenrotor 4 ist und Ω
r2 die Drehzahl des Innenrotors 4 ist, ergibt sich für diese Leistung folgende Gleichung:
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Wie in 3 gezeigt, wird ein Teil der elektrischen Leistung zum Innenrotor 3 direkt auf das entsprechende Rad 1 übertragen, während ein anderer Teil auf den Außenrotor 4, d. h., auf das Außenrad 2, übertragen werden kann. Da die Raddrehzahldifferenz allgemein gering ist, kann die Nennleistung des ersten Wechselrichters 3 wesentlich geringer als jene des zweiten Wechselrichters 4 sein. Als ein Ergebnis können auch die Schleifringe 13, über die dem Innenrotor 3 Leistung bereitgestellt wird, sehr klein sein.
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4 zeigt ein Regelungsschema für die Drehmomentverteilungseinheit gemäß der Ausführungsform von 2. Basierend auf Fahrereingaben und Messungen stellt die Fahrzeugdynamikregelung 30 Sollwerte Ω1, den Sollwert und Qr2, den Sollwert für beide Raddrehzahlen Ω1 und Ω2 der Räder 1 und 2 bereit. Diese Drehzahlen können unabhängig von der erfindungsgemäßen Drehmomentverteilungseinheit geregelt werden. Die Drehzahlregelungen 31 und 32 generieren Sollwerte Tr1, den Sollwert und Tr1, den Sollwert für die Drehmomente Tr1 und Tr2 an beiden Rädern 1 und 2. Das Innenrotordrehmoment Tr1 kann direkt durch Regeln der Innenrotorströme durch eine Innenrotorwechselrichterregelung 34, welche die Regelung des ersten Wechselrichters 6 (Kleinleistungswechselrichter) ist, geregelt werden. Das Drehmoment Tr2 am Außenrotor 3 andererseits ist gleich der (negativen) Summe 33 des elektromagnetischen Drehmoments Ts am Stator 5 und Innenrotor 4. Folglich kann durch zusätzliches Regeln der Statorströme durch eine Statorwechselrichterregelung 35, die die Regelung für den zweiten Wechselrichter 7 ist, auch das Drehmoment Tr2 am Außenrotor 3 geregelt werden, woraus sich die erforderlichen Raddrehzahlen Ω1 und Ω2 ergeben. Die Fahrzeugdynamikregelung 30, die Drehzahlregelungen 31 und 32, die Innenrotorwechselrichterregelung 34 und die Statorwechselrichterregelung 35 sind vorzugsweise Teile oder Abschnitte einer zentralen Regelung der Drehmomentverteilungseinheit.
