WO2018210508A1

WO2018210508A1 - Fahrzeug mit einem antriebsstrang und verfahren zur auslegung eines solchen

Info

Publication number: WO2018210508A1
Application number: PCT/EP2018/059661
Authority: WO
Inventors: Dominik Erlebach; Thomas Hackl; Dieter Schmidl
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2019-11-15
Also published as: DE102017208141A1

Abstract

Es wird ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einer Kupplung, mit einem Fahrzeuggetriebe, mindestens einer elektrischen Maschine (EM), wobei ein Planetengetriebe verbaut ist und die elektrische Maschine (EM) in einem gemeinsamen Bauraum (BR) mit dem Planetengetriebe (PG) als Baugruppe (BG) verbaut ist.

Description

Fahrzeug mit einem Antriebsstranq und Verfahren zur Auslegung eines solchen

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug insbesondere ein Hybrid-Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einer Kupplung, mit einem Fahrzeuggetriebe, mindestens einer elektrischen Maschine, die elektrische Maschine in einem gemeinsamen Bauraum mit einem Planetengetriebe als Baugruppe verbaut ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Auslegung eines Hybrid-Kraft- fahrzeugs.

Stand der Technik In einem Hybridelektrokraftfahrzeug sind ein Elektromotor und meistens ein Ottooder Dieselmotor die beiden Energiewandler; ein Akkumulator und ein Kraftstofftank oder Gastank sind die beiden Energiespeicher.

Die einzelnen Motoren können auf unterschiedliche Weise zusammenarbeiten: Beim parallelen Antrieb treiben sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor die Antriebsräder an. Dabei findet eine Leistungsaddition der Antriebsaggregate statt. Der Leistungsfluss erfolgt parallel aus Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor. Beim seriellen Antrieb treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an. Der Elektromotor wiederum nutzt diese elektrische Energie des Generators zum Fahrzeugantrieb. Der Leistungsdruck findet dabei in Serie statt: Verbrennungsmotor, Generator, Motor.

Bei einem leistungsverzweigten Antrieb werden das serielle und das parallele Konzept kombiniert. Hierbei kann der Antrieb entweder nur durch den Elektromotor (serielle Energiewandlung mittels Verbrennungsmotor und Generator) oder durch den Elektromotor mit parallelem Verbrennungsmotor. Eine weitere Möglichkeit der Hybrid-Technologie ist der Einsatz eines Range Ex- tenders. Dabei handelt es sich um einen kleinen Verbrennungsmotor mit Generator. Bei entladener Batterie liefert er die Energie für den elektrischen Antrieb.

Für die Auslegung des Antriebssystems besteht die Herausforderung elektrische Maschinen mit hohen Leistungen in kleinen Bauräumen unterzubringen.

Speziell beim Einbau einer elektrischen Maschine entlang der Kardanwelle und im Bereich der Hinterachse, aber auch in anderen Bauräumen des Fahrzeugs bestehen vom Automobil-Hersteller starke Bauraumbegrenzungen.

Gleichzeitig sollen die elektrischen Leistungen des Motors hoch sein. Die Leistungen einer elektrischen Maschine lassen sich dabei über verschiedene Wege erhöhen. Die elektrische Maschine kann verlängert oder im Durchmesser des Stators vergrößert werden. Eine weitere Alternative stellt die Erhöhung der Drehzahl einer elektrischen Maschine bestimmter Baugröße dar. Da die Drehzahl des Leis- tungsverbrauchers unabhängig von der Drehzahl des elektrischen Antriebs ist, erfordert der Einsatz einer elektrischen Maschine mit hoher Drehzahl eine hohe Untersetzung im angrenzenden Getriebe.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug vorzu- schlagen, der eine optimierte Auslegung von Baugrößen und Leistungen für einen vordefinierten Bauraum erfüllt.

Gelöst wird die Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit mindestens einer elektrischen Maschine und einem angrenzenden Getriebe. Eine solche Lösung ist für den alleinigen elektrischen Betrieb in einem Fahrzeug einsetzbar.

Die Aufgabe wird im Einzelnen gelöst mit einem Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit mindestens einer elektrischen Maschine ) im Niedervoltbereich, wobei die elektrische Maschine in einem gemeinsamen Bauraum mit dem Planetengetriebe als Baugruppe verbaut ist, wobei die elektrische Maschine mit einer Drehzahl über 30.000 Umdrehungen /min betrieben ist und dabei einen Außendurchmesser des Statorblechpaketes aufweist, der zwischen 0,6 und 1 ,2 mal des Au- ßendurchmessers des Hohlrads des Planetengetriebes ist.

Durch die Auswahl einer schnell laufenden elektrischen Maschine mit geringem Durchmesser im Verhältnis zum Planetengetriebe lässt sich die Anforderung nach hoher Leistung im kleinen Bauraum umsetzen.

Spezielle wird die Lösung auch in einem Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einer Kupplung, mit einem Fahrzeuggetriebe, mindestens einer elektrischen Maschine im Niedervoltbereich angewendet.

Alternativ umfasst die Lösung ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einer Kupplung, mit einem Fahrzeuggetriebe, mindestens einer elektrischen Maschine im Niedervoltbereich, die elektrische Maschine in einem gemeinsamen Bauraum mit dem Planetengetriebe als Baugruppe verbaut ist, wobei die elektrische Maschine mit einer Drehzahl über 30.000 Umdrehungen /min betrieben ist und dabei einen Außendurchmesser des Statorblechpaketes aufweist, der der einen Faktor von 3,2, größer als der Durchmesser einer durch die elektrische Maschine angetriebenen Hohlwelle ist.

Es ist von Vorteil, dass sich der Bauraum der Baugruppe in der Tiefe im hinteren Drittel des Fahrzeugs entlang der Fahrzeuglängsachse erstreckt.

Vorteilhafterweise ist die Höhe des Bauraums der Baugruppe durch die äußere Baugröße des Planetengetriebes bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auslegung eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem Planetengetriebe und mindestens einer elektrischen Maschine im Niedervoltbereich, wobei die elektrische Maschine in einem gemeinsamen Bauraum mit dem Planetengetriebe als Baugruppe verbaut ist, wird

durch die Leistung der elektrischen Maschine wird der Durchmesser (D1 ) des Statorblechpaketes der elektrischen Maschine festgelegt, und

Durch das Maß der Untersetzung wird der Außendurchmesser des Hohlrads des Planetengetriebes festgelegt. Alternativ ist das Verfahren zur Auslegung eines Kraftfahrzeugs mit einem Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einer Kupplung, mit einem Fahrzeuggetriebe, mindestens einer elektrischen Maschine im Niedervoltbereich, wobei die elektrische Maschine in einem gemeinsamen Bauraum mit dem Planetengetriebe als Baugruppe verbaut ist,

- durch die Leistung der elektrischen Maschine wird der Durchmesser des Statorblechpakets der elektrischen Maschine und dem Innendurchmesser der Hohlwelle der elektrischen Maschine festgelegt.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der beispielhaften Ausführungsform im

Schnitt,

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der beispielhaften Ausführungsform in der Aufsicht,

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Baugruppe. Die vereinfachte schematische beispielhafte Darstellung in Fig. 2 zeigt ein Fahrzeug in groben Umrissen mit zwei nicht lenkbaren Rädern an der Hinterachse R1 und R3 und zwei lenkbaren Rädern der Vorderachse R2 und R4. Weiterhin ist die Fahrzeuglängsachse LA dargestellt. Das Fahrzeug ist dargestellt in Draufsicht in Relation zu einem erdfesten Koordinatensystem mit den Hauptachsen XE, YE und ZE, wobei die Hauptachsen XE und YE eine Ebene parallel zur Erdoberfläche, auf der sich das Fahrzeug bewegt, aufspannen und die dritte Hauptachse ZE aus der Betrachtungsebene heraus, dem Betrachter entgegen gerichtet ist. Die Fahrzeug- ebene ist dabei parallel zur Erdoberfläche XE/YE ausgerichtet.

In eine Hinterachse HA des Fahrzeugs ist ein elektrischer Motor mit einem Planetengetriebe PG verbaut, der antriebsmäßig mit den Hinterrädern R1 und R3 verbunden ist. Im Bereich der Hinterräder ist ein Bauraum BR definiert, dessen Abmessungen in der Fahrzeuglängsachse LA auf das hintere Drittel des Fahrzeugs, bezogen auf die Gesamtlänge des Fahrzeugs limitiert ist.

In Figur 1 wird ein Schnitt durch die Hinterachse dargestellt. Die elektrische Maschine und das Planetengetriebe sind beispielsweise entlang der Fahrzeugkardanwelle, bzw. einer Seitenwelle angeordnet. Der Abstand des Bauraums BR von der Erdoberfläche XE/YE ist durch die Bodenfreiheit des Fahrzeugs bestimmt. Der Bauraum BR steht der Baugruppe BG aus Planetengetriebe und elektrischer Maschine zur Verfügung. Die Höhe H des Bauraums wird in etwa von den äußeren Abmessungen des Planetengetriebes bestimmt. Mit herkömmlichen 48V E-Maschinen, dem typischen Spannungsniveau unter 60V, die im Drehzahlbereich bis 20.000 U/min arbeiten, ist nur eine begrenzte Leistungsdichte möglich. Bei Hybridanwendungen mit einer E-Maschine in einem Triebstrang ist aber der Leistungsbedarf mit Anforderungen bis zu 25kW sehr hoch. Aktuell werden bei 48V betriebene, permanenterregte Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen mit Drehzahlen bis 20.000 U/min mit einem Außendurchmesser der Aktivteile von mindestens 155 mm, bei Leistungen von über 20 kW verbaut. Diese Maschinen sind aber für den limitierten Bauraum BR der

Treibstranganwendung viel zu groß.

Der Bauraum BR für die Baugruppe BG im Fahrzeug ist in Breite B, Höhe H und Tiefe T eingeschränkt und extrem klein.

In gebräuchlichen Ausführungen ist der verfügbare Außendurchmesser für die Aktivteile der elektrischen Maschine, also für den Außendurchmesser des Blechpa- ketes des Stators auf etwa 130 mm beschränkt.

Um den Anforderungen gerecht zu werden, wird bei Spannungslage unter 60 V durch eine Anhebung der Motordrehzahl auf über 30000 U/min eine Leistung von mindesten 20 kW erzielt, wobei der Durchmesser der elektrischen Maschine nicht über die Bauraumvorgabe vergrößert wird. Das eingesetzte Planetengetriebe ist für zu übertragende Leistungen P ausgelegt und wird standardisiert in verschiedenen Durchmessern entsprechend den Anforderungen produziert.

Die Erfindung definiert eine optimale Auslegung der Bauteile somit mit einem Durchmesserverhältnis der elektrischen Maschine, genauer des Außendurchmes- sers des Statorblechpakets D1 zum Außendurchmesser des Hohlrads D2 des Planetengetriebes PG von D1 :D2 zwischen 1 ,5 und 0,8. In einer praktischen Ausführungsform bedeutet das beispielsweise, dass bei einem Außendurchmesser des Hohlrads von 145 mm, eine elektrische Maschine von 120 mm Außendurchmesser eingesetzt wird. Ein weiteres Beispiel ist dein Planetenhohlrad mit einem Au- ßendurchmesser von 85 mm eine elektrische Maschine mit einem Durchmesser am Statorblechpaket von 130 mm erfordert. Eine alternative Definition der Auslegung der Bauteile erfolgt über die Dimensionierung einer Hohlwelle HW, die durch den Rotor getrieben wird und deren Innendurchmesser D3 zum Außendurchmesser des Statorblechpakets D1 einen Faktor von 3,2 aufweist. Die durch die Faktoren vorgegebenen Auslegungen der Bauteile eröffnet einen Bereich der Bandbreite der Durchmesser bei Anwendung mit 35krpm von:

o Aktivteile E-Motor: 120 - 130 mm

o Hohlraddurchmesser: 85 - 145 mm

o Hohlwellendurchmesser 0 - 37 mm

Die beiden Verhältnisse also Außendurchmesser des Statorblechpakets zu Durchmesser des Hohlrades bzw. zum Durchmesser der Hohlwellen können auch beide gleichzeitig zur Anwendung kommen, um so eine optimale Ausgestaltung des Bauraums zu erzielen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs definiert eine Regel, nach der die Baugruppe bestehend aus elektrischer Maschine Planetengetriebe bzw. Hohlwelle dimensioniert wird.

Bezugszeichenliste

D1 Durchmesser Statorblechpaket

D2 Außendurchmesser Hohlrad

D3 Durchmesser Hohlwelle

HW Hohlwelle

R Räder

EM Elektrische Maschine

BR Bauraum

BG Baugruppe

LA Längsachse

T Tiefe Bauraum

H Höhe Bauraum

B Breite Bauraum

Claims

Ansprüche

1 . Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit mindestens einer elektrischen Maschine (EM) im Niedervoltbereich, wobei die elektrische Maschine (EM) in einem gemeinsamen Bauraum (BR) mit dem Planetengetriebe (PG) als Baugruppe (BG) verbaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (EM) mit einer Drehzahl über 30.000 Umdrehungen /min betrieben ist und dabei einen Außendurchmesser des Statorblechpaketes (D1 ) aufweist, der zwischen 0,6 und 1 ,2 mal des Außendurchmessers des Hohlrads (HR) des Planetengetriebes (PG) ist.

2. Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einer Kupplung, mit einem Fahrzeuggetriebe, mindestens einer elektrischen Maschine (EM) im Niedervoltbereich, wobei die elektrische Maschine (EM) in einem gemeinsamen Bauraum (BR) mit einem Planetengetriebe (PG) als Baugruppe (BG) verbaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (EM) mit einer Drehzahl über 30.000 Umdrehungen /min betrieben ist und dabei einen Außendurchmesser des Statorblechpaketes (D1 ) aufweist, der zwischen 0,6 und 1 ,2 mal des Außendurchmessers des Hohlrads (HR) des Planetengetriebes (PG) ist. 3. Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einer Kupplung, mit einem Fahrzeuggetriebe, mindestens einer elektrischen Maschine (EM) im Niedervoltbereich, wobei die elektrische Maschine (EM) in einem gemeinsamen Bauraum (BR) mit dem Planetengetriebe (PG) als Baugruppe (BG) verbaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (EM) mit einer Drehzahl über 30.000 Umdrehungen /min betrieben ist und dabei einen Außendurchmesser des Statorblechpaketes (D1 ) aufweist, der der einen Faktor von

3,2, größer als der Durchmesser einer durch die elektrische Maschine angetriebenen Hohlwelle (HW) ist.

4. Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit mindestens einer elektrischen Ma- schine (EM) im Niedervoltbereich, wobei die elektrische Maschine (EM) in einem gemeinsamen Bauraum (BR) mit dem Planetengetriebe (PG) als Baugruppe (BG) verbaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (EM) mit einer Drehzahl über 30.000 Umdrehungen /min betrieben ist und dabei einen Außendurchmesser des Statorblechpaketes (D1 ) aufweist, der der einen Außendurch- messer des Statorblechpaketes (D1 ) aufweist, der der einen Faktor von 3,2, größer als der Durchmesser einer durch die elektrische Maschine angetriebenen Hohlwelle (HW) ist.

5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Außendurchmesser des Statorblechpaketes (D1 ) zwischen 0,6 und 1 ,2 mal des

Außendurchmessers des Hohlrads (HR) des Planetengetriebes (PG) ist und einen Außendurchmesser des Statorblechpaketes (D1 ) aufweist, und der der einen Faktor von 3,2, größer als der Durchmesser einer durch die elektrische Maschine angetriebenen Hohlwelle (HW) ist.

6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bauraum (BR) der Baugruppe (BG) in der Tiefe (T) im hinteren oder vorderen Drittel des Fahrzeugs entlang der Fahrzeuglängsachse (LA) erstreckt.

7. Hybrid-Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) oder die Tiefe (T) des Bauraums (BR) der Baugruppe (BG) durch die äußere Baugröße des Planetengetriebes (PG) bestimmt ist.

8. Verfahren zur Auslegung eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem Planetengetriebe (PG) und mindestens einer elektrischen Maschine (EM) im Niedervoltbereich, wobei die elektrische Maschine (EM) in einem gemeinsamen Bauraum (BR) mit dem Planetengetriebe (PG) als Baugruppe (BG) verbaut ist,

durch die Leistung der elektrischen Maschine wird der Durchmesser (D1 ) des Statorblechpaketes der elektrischen Maschine festgelegt,

Durch das Maß der Untersetzung wird der Außendurchmesser des Hohlrads des Planetengetriebes festgelegt.

9. Verfahren zur Auslegung eines Kraftfahrzeugs mit einem Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einer Kupplung, mit einem Fahrzeuggetriebe, mindestens einer elektrischen Maschine (EM) im Niedervoltbereich, wobei die elektrische Maschine (EM) in einem gemeinsamen Bauraum (BR) mit dem Planetengetriebe (PG) als Baugruppe (BG) verbaut ist,

- durch die Leistung der elektrischen Maschine wird der Durchmesser (D1 ) des Statorblechpakets der elektrischen Maschine und dem Innendurchmesser der Hohlwelle der elektrischen Maschine festgelegt.