WO2024046644A1 - Elektrisches antriebssystem und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

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WO2024046644A1
WO2024046644A1 PCT/EP2023/069596 EP2023069596W WO2024046644A1 WO 2024046644 A1 WO2024046644 A1 WO 2024046644A1 EP 2023069596 W EP2023069596 W EP 2023069596W WO 2024046644 A1 WO2024046644 A1 WO 2024046644A1
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rotor
axle
rear wheel
electrically driven
planetary transmission
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Tobias Schilder
Harald Kraus
Felix Pauli
Raphael Mieth
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Mercedes-Benz Group AG
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Definitions

  • the invention relates to an electric drive system for a motor vehicle with an electrically driven front axle and an electrically driven rear axle according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • a method for operating the electric drive system is also presented.
  • Electric drive systems for motor vehicles are known from the general state of the art.
  • a front axle of the motor vehicle can be driven electrically just like a rear axle.
  • DE 10 2018220 809 A1 describes such a vehicle with a focus of the description on the power electronic control of the electric drive system.
  • the vehicle shown as an example shows a drive system in which a first electric machine drives a first rear wheel, a second electric machine drives a second rear wheel and a third electric machine drives the front wheels of the vehicle shown via an axle drive, such as a differential.
  • DE 102016 218 717 B3 and the generic DE 10 2018217 863 A1 also show electrical drive systems for motor vehicles with two electrically driven axles and a total of at least three electrical machines.
  • the DE 102019202 207 A1 shows an electrically driven axle of a motor vehicle, with two electric machines being provided.
  • the object of the present invention is to provide an improved electric drive system which enables energy-saving operation and at the same time allows an increase in driving performance, traction, dynamics and/or safety if necessary.
  • this object is achieved by an electric drive system with the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1. Furthermore, the task is solved by a method with the features of claim 10. Advantageous refinements and further developments of the electric drive system according to the invention result from the subclaims dependent on these claims.
  • the electric drive system uses a basic structure, which is shown in principle in the document mentioned at the beginning as being of the generic type. It essentially consists of an electrically driven front axle and an electrically driven rear axle and can preferably be used in passenger cars, light commercial vehicles and the like. A further use, for example in heavy commercial vehicles or the like, such as construction machinery, military vehicles or the like, would also be fundamentally conceivable.
  • the electrically driven rear axle includes a first electric machine with a first rotor, which is designed to drive a first rear wheel and/or a second rear wheel of the electrically driven rear axle.
  • the electric ones Driven front axle includes a second electric machine with a second rotor, which is designed to drive front wheels of the electrically driven front axle via a second axle drive, for example a differential or a transfer case.
  • the second rotor is permanently torque-transmittingly coupled via the second axle gear to a first front wheel of the front wheels and permanently to a second front wheel of the front wheels.
  • the second electric machine drives the two front wheels of the electrically driven front axle via the second axle gear, without there being any possibility of decoupling.
  • the electrically driven front axle is the driven axle that primarily provides propulsion for the motor vehicle.
  • the electrically driven or drivable front axle ensures propulsion at low power requirements or at partial load.
  • a first switchable one-way clutch is also provided, which is designed to couple the first rotor to the first rear wheel and/or to the second rear wheel in a torque-transmitting manner.
  • the two rear wheels of the electrically driven rear axle are intended to be optionally driven whenever there is a need to drive these rear wheels.
  • the first switchable one-way clutch has a first actuator, wherein by means of the first switchable one-way clutch in a forward pulling operation of the first electric machine, the torque-transmitting coupling of the first rotor to the first rear wheel and / or the second rear wheel without one Action of the first actuator can be produced and in a forward thrust operation or a reverse pull operation of the first electric machine, the torque-transmitting coupling can be produced with the action of the first actuator
  • the electric drive system now allows only the front axle to be driven by the second electric machine during low-load driving, which accounts for the majority of vehicle use for many purposes. This makes it possible to operate the electric drive system with high efficiency.
  • the second electrical machine can be ideally designed for operation in these relatively low-load areas, which makes high efficiency possible.
  • the electrically driven rear axle serves to increase driving performance, increase traction or the driving experience, and ultimately the dynamics.
  • the one-way clutch means a clutch that has a known freewheel mechanism with two rotatably mounted clutch halves.
  • the freewheel mechanism By means of the freewheel mechanism, it is possible to couple the two coupling halves in a torque-transmitting manner when, for example, a first coupling half of the two coupling halves is driven, with the two coupling halves being decoupled from one another when the first coupling half is not driven.
  • the first coupling half is advantageously permanently coupled to the first electrical machine in a torque-transmitting manner.
  • the first actuator means a mechanism that can bring about a mechanical coupling or decoupling or a coupling capability or a decoupling capability of the coupling halves mentioned based on an electrical signal or several different electrical signals.
  • the forward pulling operation of the first electric machine means an operating mode of the first electric machine in which the electric machine is driven in a direction of rotation through which the rear wheels can be moved in a forward movement.
  • the expression that the torque-transmitting coupling is established “without the action of the actuator” means that for a transition between the decoupled state of the two coupling halves and the coupled state, there is no signal change at the first actuator and no change in position of parts of the first actuator .
  • the torque-transmitting coupling without the action of the first actuator takes place, unlike an actuator-operated pure claw clutch, without the speeds of the two coupling halves being controlled by a synchronization process need to be synchronized.
  • the synchronization required to close the two coupling halves takes place using the freewheel mechanism of the one-way clutch with practically no loss of time.
  • the forward thrust operation in relation to one of the electric machines, means an operation in which, when the respective electric machine is coupled to the respective wheel in a torque-transmitting manner, the respective rotor is pushed by the motor vehicle, namely in a direction of rotation for one Forward operation of the motor vehicle.
  • the reverse pulling operation in relation to one of the electric machines, means an operation in which, when the respective electric machine is torque-transmittedly coupled to the respective wheel, the respective rotor is operated in a driving manner, namely in a direction of rotation for a reverse operation of the motor vehicle.
  • the electrically driven rear axle has a third electric machine with a third rotor, which is designed to drive the second rear wheel and/or the first rear wheel of the electrically driven rear axle.
  • a second switchable one-way clutch with a second actuator is provided, which in turn is designed to couple the third rotor to the second rear wheel in a torque-transmitting manner.
  • the electrically driven rear axle can be driven in a torque vecotoring operation.
  • Safety in all-wheel drive operation can also be increased, which is achieved in the area of the electric rear axle by the two electric machines and the rear wheels that can be driven independently of them.
  • the first electrical machine and the second electrical machine are designed as axial flux machines, which are arranged in a common housing with a common oil space, this housing, for example, being the housing opposite which the element of the two planetary transmission stages is located the switchable freewheel can be held.
  • this housing for example, being the housing opposite which the element of the two planetary transmission stages is located the switchable freewheel can be held.
  • the first planetary transmission stage, the second planetary transmission stage, the first switchable one-way clutch and the second switchable one-way clutch are arranged in the common housing and in the common oil chamber.
  • a first planetary transmission stage is provided, which is arranged between the first rotor and the first rear wheel and / or the second rear wheel with regard to a torque flow emanating from the first rotor.
  • a second planetary transmission stage is also advantageously arranged between the third rotor and the second rear wheel with regard to a torque flow emanating from the third rotor.
  • the first rotor, the second rotor, the first planetary transmission stage and the second planetary transmission stage are all arranged coaxially with one another.
  • Coaxial in the sense of the present invention means that their axes of rotation are aligned, so for example they lie one behind the other with their main axes of rotation on an axis in the direction of the axis. This makes a correspondingly compact structure possible.
  • the first switchable one-way clutch is designed to couple a first output shaft of the first planetary transmission stage to the first rear wheel in a rotationally fixed manner.
  • the second switchable one-way clutch is designed to couple a second output shaft of the second planetary transmission stage to the second rear wheel in a rotationally fixed manner.
  • a rotationally fixed coupling in the sense of the invention is to be understood as meaning a coupling which results in the coupled components rotating at the same angular speed after coupling.
  • the structure therefore provides for the one-way clutch between the respective planetary transmission stage and the respective rear wheel, so that it lies between the output shaft of the planetary transmission stage and the rear wheel.
  • the first switchable one-way clutch is designed to connect an element of the first planetary transmission stage, for example and preferably its ring gear, to a housing in a rotationally fixed manner.
  • the second switchable one-way clutch can be designed to connect an element of the second planetary transmission stage, and here in particular the same element, i.e. preferably also the ring gear, to the housing in a rotationally fixed manner.
  • the one-way clutches are therefore integrated into the planetary transmission stages and allow the corresponding element of the planetary gear, preferably - but not necessarily - the ring gears, to either rotate freely or hold them accordingly. Due to this design as a freewheel, the rotationally fixed connection to be achieved by the switchable one-way clutches relates to the drive case, while in the event that the rear wheels are not driven, they freewheel accordingly, so that the drive via the electrically driven front axle can be used alone to move the vehicle can.
  • a further very favorable embodiment of the electric drive system can alternatively provide that a superposition gear is arranged axially between the first rotor and the third rotor, which includes a first drive shaft, a second drive shaft, a first output shaft and a second output shaft.
  • the first rotor is non-rotatably connected to the first drive shaft
  • the third rotor is accordingly non-rotatably connected to the second drive shaft.
  • the first output shaft is in turn connected in a rotationally fixed manner to a first input shaft of the first planetary transmission stage and the second output shaft is connected in a rotationally fixed manner to a second input shaft of the second planetary transmission stage.
  • a very advantageous embodiment of this can also provide that the first planetary transmission stage, the second planetary transmission stage, the first switchable one-way clutch and the second switchable one-way clutch are arranged in the common housing and the common oil space. This enables a very compact structure, in which the advantages of the common oil chamber for the planetary gear ratios and the switchable freewheels are now also used This means that the entire transmission switching and drive technology of the electrically driven rear axle can be accommodated in a common housing.
  • a rotor shaft of the first rotor is mounted against a third rotor shaft of the third rotor between the first rotor and the third rotor.
  • the first rotor shaft is supported axially between these two rotors exclusively on the third rotor shaft and vice versa, so that additional bearing technology and the associated friction losses can be dispensed with.
  • By appropriately supporting the rotor shafts against one another via bearings they can be moved independently of one another. However, if they are moved to one another at the same speed or a very similar speed, the relative bearing between the two rotor shafts minimizes the friction loss due to the lack of or very low relative speed of the rotor shafts to one another.
  • the electrically driven front axle it can be provided in the electric drive system of the invention according to a very advantageous development that, with regard to a torque flow emanating from the second electric machine, the second electric machine, the axle drive, a third planetary transmission stage and the first front wheel in the order mentioned are arranged one after the other.
  • this second electric machine, the axle drive, a fourth planetary transmission stage and the second front wheel can also be arranged one after the other in the order mentioned.
  • the second electric machine for the electrically driven front axle drives, for example, a differential via the axle gear, two planetary transmission stages, which in turn are permanently coupled to the driven front wheels in a torque-transmitting manner.
  • the torque is then transmitted to the axle gear via the output of this further planetary transmission stage, which distributes the power flow to the two driven front wheels.
  • the order of planetary gear ratios and axle gears is therefore reversed, which means that one of the planetary gear ratios can be saved.
  • a parking lock is provided on the electrically driven front axle.
  • this can be arranged between the further planetary transmission stage and the axle gear or between the axle gear and one or both of the third and / or fourth planetary transmission stages, in which case preferably only one parking lock, i.e. either between the axle gear and the third Planetary transmission stage or the axle gear and the fourth planetary transmission stage is provided.
  • the drive can be blocked accordingly in a manner known per se and with known functionality if a motor vehicle is parked.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a vehicle with an electric drive system according to the invention 2 shows a schematic representation of a vehicle with an electric drive system according to the invention in a second embodiment;
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of the essential elements of an electrically driven rear axle of the second embodiment according to the invention
  • Fig. 6 two possible embodiments of the electrically driven front axle according to the invention.
  • a motor vehicle 1 is shown schematically, which is supposed to move in the direction of travel F in regular operation, i.e. when driving forward, in the representation from right to left.
  • the motor vehicle 1 has an electric drive system 100 with an electrically driven front axle 2 and an electrically driven rear axle 3.
  • Drive energy for the electric drive system 100 is stored and made available via a battery 4 or an alternative electrical energy storage system.
  • the electrically driven rear axle 3 includes a first electric machine 5 with a first rotor 6, which is designed to drive a first rear wheel 7 and a second rear wheel 10 via a first axle gear 66.
  • the electric drive system 100 also includes the electrically driven front axle 2 in the direction of travel F at the front in the illustration in FIG. 1, i.e. on the left.
  • This includes a second electrical machine 17 with a second rotor 18, which can be seen in the two illustrations in FIG.
  • the second electric machine 17 it is possible via a second axle gear 67 to simultaneously have two front wheels 20, 21, namely a first front wheel 20 and a second front wheel 21 to drive the electrically driven front axle 2.
  • the electrically driven front axle 2 also includes a third and a fourth planetary transmission stage 22, 23 as well as power electronics 24 coupled to the battery 4.
  • the two driven front wheels 20, 21 are permanently connected via the second axle gear 67 and via the Planetary transmission stages 22, 23 are coupled to the second rotor 18 of the second electric machine 17, so that an actuator system in the area of the electrically driven front axle 2, unlike the electrically driven rear axle 3, can be completely dispensed with.
  • the electrically driven rear axle 3 also includes a first planetary transmission stage 11 and a first switchable one-way clutch 13, which is shown integrated into the first planetary transmission stage 11 in the illustration in FIG.
  • the electric rear axle 3 also includes power electronics 15, which is shown here in two parts, and a first actuator, designated 13a, shown schematically, in order to actuate the first switchable one-way clutch 13.
  • the first rotor 6 can be torque-transmittingly coupled to the first rear wheel (7) and/or to the second rear wheel 10 in a torque-transmitting manner, the switchable one-way clutch 13 being designed in a manner known per se in such a way that by means of the first switchable Freewheel clutch 13 in a forward pulling operation of the first electric machine 5, the torque-transmitting coupling of the first rotor 6 with the first rear wheel 7 and / or the second rear wheel 10 can be produced without an action, more precisely without a change of position of the first actuator 13a and in one Forward pushing operation or a backward pulling operation of the first electric machine 5, the torque-transmitting coupling can be produced with the action, more precisely with a change of position, of the first actuator 13a.
  • the first actuator 13a advantageously has an electronic unit which generates an electrical operating voltage based on an electronic signal.
  • the first actuator 13a advantageously also has, for example, a servomotor or a hydraulic or pneumatic actuating element, by means of which the electrical operating voltage can be converted into a mechanical force.
  • Figure 2 in which unchanged features are provided with the same reference numerals, shows a second embodiment of the electric drive system 100a with a third electric machine 8 with a third rotor 9, which can be seen in more detail in Figures 3 and 5.
  • the first electric machine 5 and the third electric machine 8 are designed to drive the first rear wheel 7 and the second rear wheel 10.
  • Figures 3 and 5 show detailed design options for the electrically driven rear axle 3.
  • a second switchable one-way clutch 14 is provided for coupling/decoupling the third electric machine 8 from the first rear wheel 7 and/or from the second rear wheel 10 , which in turn includes a second actuator 14a.
  • the second switchable one-way clutch 14 and the associated two actuator 14a are of the same design as the first switchable one-way clutch 13 and its first actuator 13a.
  • the electrically driven rear axle 3 also includes a first planetary transmission stage 11 and a second planetary transmission stage 12 for each of the two driven rear wheels 7, 10.
  • Figure 3 shows the two electrical machines 5, 8 with the first rotor 6 and the third rotor 9.
  • These rotors 6, 9 are each rotationally fixed with an input shaft, namely a first input shaft 25 of the first planetary transmission stage 11 and a second input shaft 26 of the second Planetary translation level 12, connected.
  • the first input shaft 25 is connected in a rotationally fixed manner to a first sun gear 27 of the first planetary transmission stage 11.
  • the second input shaft 26 is connected in a rotationally fixed manner to a second sun gear 28 of the second planetary transmission stage 12.
  • Each ring gear 29, 30 of the respective planetary transmission stage 11, 12, namely a first ring gear 29 of the first planetary transmission stage 11 and a second ring gear 30 of the second planetary transmission stage, is here rotationally fixed with a housing 31 indicated by the hatching, preferably a common housing 31 of the electrical driven rear axle 3, connected.
  • the first electrical machine 5 and the third electrical machine 8 as well as the first planetary transmission stage 11 and the second planetary transmission stage 12 can preferably be arranged in the common housing.
  • a first output shaft 32 of the first planetary transmission stages 11 is coupled to first planet gears 34 of the first planetary transmission stage 11 or forms its planetary gear carrier or is connected to it in a rotationally fixed manner.
  • a second output shaft 33 of the second planetary transmission stage 12 is coupled to second planet gears 35 of the second planetary transmission stage 12 or forms its planetary gear carrier or is connected to it in a rotationally fixed manner.
  • This respective output shaft 32, 33 of the respective planetary transmission stage 11, 12 is then coupled to the respective driven rear wheel 7, 10 via the associated switchable one-way clutch 13, 14 with associated actuators 13a and 14a, the rear wheels 7, 10 here only being affected by the torque flow symbolizing arrows are indicated.
  • the two electrical machines 5, 8 of the rear axle 3 can preferably be designed as axial flow machines, which are arranged in the preferably common housing 31 with a common oil space.
  • the two planetary transmission stages 11, 12 and the switchable freewheels 13, 14 can also be integrated here.
  • the rotors 6, 9 of the rear axle 3 and the planetary transmission stages 11, 12 of the rear axle 3 are preferably all arranged coaxially to one another.
  • the rotors 6, 9 and the planetary transmission stages 11, 12 of the rear axle 3 preferably have a common axis of rotation. Seen in an axial direction with respect to this axis of rotation, the first planetary transmission stage 11, the first electrical machine 5, the third electrical machine 8 and the second planetary transmission stage 12 are arranged one after the other.
  • the coaxial arrangement could also provide a structure in which one of the planetary transmission stages 11, 12 is arranged axially at the same height and radially within the respective electrical machine 5, 8.
  • FIG. 4 shows in two examples, in FIG. 4a and in FIG. 4b, how two rotor shafts, namely a first rotor shaft 36 of the first electrical machine 5 and a third rotor shaft 37 of the third electrical machine 8, an axial region 16 located between the two electrical machines 5, 8 can be stored against each other.
  • the axial region 16 located between the two electrical machines 5, 8 is shown in FIG.
  • the two rotor shafts 36, 37 of the first rotor 6 and the third rotor 9 are mounted exclusively against each other and not against the housing 31 in the axial region 16 located between the two electrical machines.
  • the 4a provides a sleeve 38 in which the ends of both rotor shafts 36, 37 are mounted via a bearing device 39.
  • the ends of the rotor shafts 36 are arranged radially within the bearing device 39, and the bearing device 39 is arranged radially within the sleeve 38.
  • the storage device 39 preferably has two individual bearings.
  • FIG. 4b An alternative according to Figure 4b provides that one of the rotor shafts, here the third rotor shaft 37, is designed as a hollow shaft at least at its end and receives the first rotor shaft 36 within this hollow shaft via an alternative bearing device 40, so that the first rotor shaft 36 is radially inside the alternative bearing device 40 is arranged and the alternative bearing device 40 is arranged radially within the hollow shaft end of the third rotor shaft 37.
  • the sleeve 38 can be dispensed with as an independent component.
  • a first difference is that the first switchable one-way clutch 13 and the second switchable one-way clutch 14 are displaced.
  • the output shafts 32, 33 of the planetary transmission stages 11, 12 are here permanently coupled to the driven wheels 7, 10 or their axles.
  • the switchable freewheels 13, 14 are now located between the respective ring gear 29, 30 of the respective planetary transmission stage 11, 12 and the common housing 31.
  • first clutch half of the switchable freewheel 13 is connected to the housing 31 in a rotationally fixed manner, and a second clutch half of the switchable freewheel 13 is connected in a rotationally fixed manner to the first ring gear 29.
  • the second switchable freewheel 14 is arranged analogously between the housing 31 and the second ring gear 30.
  • FIG. 5 Another difference between the embodiment of Figure 5 and that of Figure 3 is that between the first rotor 6 and the third rotor 9 there is a superposition gear 41 with a first drive shaft 42, a second drive shaft 43, a first output shaft 44 and a second output shaft 45 is provided, wherein the first rotor 6 is connected in a rotationally fixed manner to the first drive shaft 42 and wherein the third rotor 9 is connected in a rotationally fixed manner to the second drive shaft 43.
  • the first output shaft 44 is in turn connected in a rotationally fixed manner to the first input shaft 25 of the first planetary transmission stage 11, the second output shaft 45 is connected in a rotationally fixed manner to the second input shaft 26 of the second planetary transmission stage 12.
  • the superposition gear 41 is arranged axially between the two electrical machines 5, 8. However, it is also possible to arrange the superposition gear 41 axially next to the two electrical machines 5, 8, whereby one of the two rotor shafts 36, 37 of the rear axle 3a would then run radially within the other of the two rotor shafts 36, 37.
  • the structure of the embodiment of FIG. 5 largely corresponds to the structure described in FIG. 3, with the two switchable freewheels 13, 14 also in the structure according to FIG 3) could be relocated.
  • the electrically driven front axle 2 is designed such that the second electric machine 17 with the second rotor 18 is arranged centrally in the axial direction.
  • the second axle gear 67 is designed as a differential gear, which is driven by the second rotor 18 of the second electric machine 17 is driven.
  • an input shaft of the second axle gear 67 can be rotationally coupled to the second rotor 18.
  • the input shaft of the second axle gear 67 can be designed, for example, as a differential cage of a bevel gear differential.
  • the output shafts of the second axle gear 67 each form input shafts, namely a third input shaft 46 of a third planetary transmission stage 48 on the one hand and a fourth input shaft 47 of a fourth planetary transmission stage 49 on the other hand.
  • these input shafts 46, 47 can be coupled to sun gears, namely a third sun gear 50 of the third planetary transmission stage 48 and a fourth sun gear 51 of the fourth planetary transmission stages 49.
  • Ring gears, namely a third ring gear 52 and a fourth ring gear 53, of the two planetary transmission stages 48, 49 are in turn held against a further housing 54.
  • Planetary gear carriers of the respective rotating planets 66, 67 form a third output shaft 55 of the third planetary transmission stage 48 and a fourth output shaft 56 of the fourth planetary transmission stages 49 and each drive one of the two front wheels 20, 21, which again, analogous to the previous illustrations, only pass through here the arrows pointing to them are indicated accordingly.
  • the two planetary transmission stages 48, 49, the second axle gear 67 and the second electric machine 17 can preferably again be arranged coaxially to their axis of rotation of the structure, whereby here, as in Figures 3 and 5, only the upper half of the structure which is rotationally symmetrical about the axis of rotation is shown accordingly.
  • the order in the axial direction is in particular such that the first driven front wheel 20 is followed by the third planetary transmission stage 48, the second axle gear 67, the fourth planetary transmission stage 49 and the second driven front wheel 21.
  • the second electrical machine 17 surrounds the second axle gear 67, so that the second axle gear 67 is arranged coaxially with and axially overlapping and radially within the second electrical machine 17.
  • FIG. 6b shows an alternative structure for the front axle 2, in which the second electric machine 17 or the second rotor 18 initially introduces torque into a further planetary transmission stage 57.
  • the further one In the example shown here, planetary transmission stage 57 is constructed in such a way that the second rotor 18 is connected in a rotationally fixed manner to its input shaft, here in the form of a fifth sun gear 58, while a fifth ring gear 59 of the further planetary transmission stage 57 is connected in a rotationally fixed manner with the further housing 54.
  • the output shaft of this further planetary transmission stage 57 in turn forms a planetary gear carrier 60 for fifth planetary gears 61.
  • This planetary gear carrier 60 is connected to a sixth ring gear 62 of a planetary differential as a second axle gear 67a, which drives the first driven front wheel 20 via a double planetary carrier 63 and the first driven front wheel 20 via a sixth sun gear 64 second driven front wheel 21 drives.
  • a parking lock 65 can be seen in the illustration in FIG. 6b.
  • This parking lock 65 is arranged between the further planetary transmission stage 57 and the second axle gear 67a and serves to lock the drive when the motor vehicle 1 is parked.
  • the planetary gear carrier 60 is connected in a rotationally fixed manner to the further housing 54 via the parking lock 65 in a closed state of the parking lock 65.
  • Such a parking lock 65 would in principle also be conceivable in the structure shown in FIG electric drive system 100, 100a, it is advantageous to integrate the parking lock 65 into the electrically driven front axle 2, 2a and not into the electrically driven rear axle 3, 3a, since the electrically driven front axle 2, 2a offers comparatively more space in this overall system and because An electrically driven front axle 2, 2a designed in this way could also be used as a module in other conceivable overall systems.
  • a motor vehicle equipped with it can be operated in such a way that when changing from a forward pulling operation to a forward pushing operation of the first electric machine 5, the torque-transmitting coupling of the first rotor 6 is activated by means of the first actuator 13a with the first rear wheel 7 and / or the second rear wheel 10 by means of the action of the first actuator 13a is produced if, immediately before the change mentioned, a vehicle speed of the motor vehicle is greater than a Speed threshold value is and if no sporty operating mode of the motor vehicle that can be selected by a driver of the motor vehicle is set and if a charge content of the battery 4 is less than a charge content threshold value.
  • the action of the first actuator 13a means, for example, a change in position of a hydraulic or pneumatic piston or a servomotor of the first actuator 13a.
  • the speed threshold can advantageously be in a range of 100 km/h.
  • the charge content threshold value can advantageously be in a range of 90% based on a total charging capacity of the battery 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug (1), mit einer elektrisch angetriebenen Vorderachse (2) und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse (3), wobei die elektrisch angetriebene Hinterachse (3) eine erste elektrische Maschine (5) aufweist, die einen ersten Rotor (6) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Hinterrad (7) anzutreiben, wobei die elektrisch angetriebene Hinterachse (3) eine dritte elektrische Maschine (8) aufweist, die einen dritten Rotor (9) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein zweites Hinterrad (10) anzutreiben, wobei die elektrisch angetriebene Vorderachse (2) eine zweite elektrische Maschine (17) aufweist, welche einen zweiten Rotor (18) aufweist, der dazu ausgebildet ist über ein zweites Achsgetriebe (67) Vorderräder (20, 21) anzutreiben. Es ist vorgesehen, dass der zweite Rotor (18) über das zweite Achsgetriebe (67) permanent mit einem ersten Vorderrad sowie permanent mit einem zweiten Vorderrad (21) drehmomentübertragend gekoppelt ist, wobei eine erste schaltbare Freilaufkupplung (13) vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, den ersten Rotor (6) drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad (7) zu koppeln, wobei eine zweite schaltbare Freilaufkupplung (14) vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, den zweiten Rotor (9) drehmomentübertragend mit dem zweiten Hinterrad (6) zu koppeln.

Description

Elektrisches Antriebssystem und Verfahren zu dessen Betrieb
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrisch angetriebenen Vorderachse und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem wird ein Verfahren zum Betrieb des elektrischen Antriebssystems vorgestellt.
Elektrische Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge sind soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Dabei können beispielsweise eine Vorderachse des Kraftfahrzeugs ebenso elektrisch angetrieben werden, wie eine Hinterachse. Die DE 10 2018220 809 A1 beschreibt ein derartiges Fahrzeug mit einem Schwerpunkt der Beschreibung auf der leistungselektronischen Regelung des elektrischen Antriebssystems. Das beispielhaft abgebildete Fahrzeug zeigt ein Antriebssystem, bei welchem eine erste elektrische Maschine ein erstes Hinterrad, eine zweite elektrische Maschine ein zweites Hinterrad und eine dritte elektrische Maschine über ein Achsgetriebe, wie beispielsweise ein Differential, die Vorderräder des dargestellten Fahrzeugs antreibt. Auch die DE 102016 218 717 B3 und die gattungsgemäße DE 10 2018217 863 A1 zeigen elektrische Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge mit zwei elektrisch angetriebenen Achsen und insgesamt zumindest drei elektrischen Maschinen.
Die DE 102019202 207 A1 zeigt eine elektrisch angetriebene Achse eines Kraftfahrzeuges, wobei zwei elektrische Maschinen vorgesehen sind.
Eine Alternative hierzu beschreibt die DE 102011 080236 A1. In dieser Schrift ist eine Antriebsvorrichtung für ein einzelnes Rad eines Kraftfahrzeugs beschrieben, welche auch so für zwei oder mehr Räder des Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen könnte. Dabei ist eine elektrische Maschine für jedes angetriebene Rad vorgesehen. Der Rotor dieser elektrischen Maschine ist über eine Planetenübersetzungsstufe mit dem jeweiligen angetriebenen Rad gekoppelt.
Ferner kann auf die DE 102020 127 790 A1 und auf die DE 102019 121 215 A1 verwiesen werden. In diesen Schriften wird jeweils eine zuschaltbare elektrische Maschine beschrieben, welche über eine Planetenübersetzungsstufe mit Freilauf zugeschaltet werden kann.
In der DE 38 01 351 A1 ist außerdem bei einem nicht elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug die grundlegende Möglichkeit eines zuschaltbaren Vierradantriebs beschrieben.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes elektrisches Antriebssystem anzugeben, welches eine energiesparende Betriebsweise ermöglicht und gleichzeitig bei Bedarf eine Steigerung der Fahrleistung, der Zugkraft, der Dynamik und/oder der Sicherheit erlaubt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von diesen Ansprüchen abhängigen Unteransprüchen.
Das elektrische Antriebssystem gemäß der Erfindung nutzt einen Grundaufbau, welcher so prinzipiell in der eingangs als gattungsgemäß genannten Schrift gezeigt wird. Er besteht im Wesentlichen aus einer elektrisch angetriebenen Vorderachse und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse und lässt sich vorzugsweise bei Personenkraftwagen, leichten Nutzfahrzeugen und dergleichen einsetzen. Ein darüberhinausgehender Einsatz beispielsweise bei schweren Nutzfahrzeugen oder dergleichen, wie beispielsweise bei Baumaschinen, bei Militärfahrzeugen oder ähnlichen wäre grundlegend auch denkbar.
Die elektrisch angetriebene Hinterachse umfasst dabei eine erste elektrische Maschine mit einem ersten Rotor, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Hinterrad und/oder ein zweites Hinterrad der elektrisch angetriebenen Hinterachse anzutreiben. Die elektrisch angetriebene Vorderachse umfasst eine zweite elektrische Maschine mit einem zweiten Rotor, der dazu ausgebildet ist, über ein zweites Achsgetriebe, beispielsweise ein Differential oder ein Verteilgetriebe, Vorderräder der elektrisch angetriebenen Vorderachse anzutreiben.
Ferner auf bekannte Weise ist es so, dass der zweite Rotor über das zweite Achsgetriebe permanent mit einem ersten Vorderrad der Vorderräder sowie permanent mit einem zweiten Vorderrad der Vorderräder drehmomentübertragend gekoppelt ist. Die zweite elektrische Maschine treibt über das zweite Achsgetriebe die beiden Vorderräder der elektrisch angetriebenen Vorderachse also an, ohne dass hier die Möglichkeit einer Abkopplung besteht. Die elektrisch angetriebene Vorderachse stellt damit diejenige angetriebene Achse dar, welche vorwiegend für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs sorgt. Insbesondere sorgt die elektrisch angetriebene oder antreibbare Vorderachse für den Vortrieb bei niedrigen Leistungsanforderungen oder bei Teillast.
Auf gekannte Weise ist ferner eine erste schaltbare Freilaufkupplung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist den ersten Rotor drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad und/oder mit dem zweiten Hinterrad zu koppeln. Anders als bei den permanent angekoppelten Vorderrädern ist es also bei den beiden Hinterrädern der elektrisch angetriebenen Hinterachse vorgesehen, dass diese optional angetrieben werden können, wann immer der Bedarf besteht, diese Hinterräder anzutreiben.
Ferner ist auf bekannte Weise vorgesehen, dass die erste schaltbare Freilaufkupplung einen ersten Aktor aufweist, wobei mittels der ersten schaltbaren Freilaufkupplung in einem Vorwärts-Zugbetrieb der ersten elektrischen Maschine die drehmomentübertragende Kopplung des ersten Rotors mit dem ersten Hinterrad und/oder dem zweiten Hinterrad ohne eine Einwirkung des ersten Aktors hergestellt werden kann und in einem Vorwärts-Schubbetrieb oder einem Rückwärts-Zugbetrieb der ersten elektrischen Maschine die drehmomentübertragende Kopplung mit der Einwirkung des ersten Aktors hergestellt werden kann
Das elektrische Antriebssystem erlaubt nun bei einer niederlastigen Fahrt, welche für viele Einsatzzwecke von Fahrzeugen den größten Teil ihrer Nutzung ausmacht, ausschließlich die Vorderachse durch die zweite elektrische Maschine anzutreiben. Hierdurch ist es möglich, das elektrische Antriebssystem bei einer hohen Effizienz zu betreiben. Die zweite elektrische Maschine kann dabei ideal für den Betrieb in diesen eher niederlastigen Bereichen ausgelegt werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad möglich wird.
Bei einer höheriastigen Fahrt ist es nun möglich, die Räder der Hinterachse mittels der ersten elektrischen Maschine und der ersten schaltbaren Freilaufkupplung bedarfsgerecht zuzuschalten. Die elektrisch angetriebene Hinterachse dient dabei dazu, die Fahrleistung zu steigern, die Zugkraft zu steigern oder auch das Fahrerlebnis, und damit letztlich die Dynamik.
Mit der Freilaufkupplung ist eine Kupplung gemeint, die einen an sich bekannten Freilaufmechanismus mit zwei drehbar gelagerten Kupplungshälften aufweist. Mittels des Freilaufmechanismus ist es möglich, die zwei Kupplungshälften dann drehmomentübertragend zu koppeln, wenn zum Beispiel eine erste Kupplungshälfte der beiden Kupplungshälften angetrieben wird, wobei die beiden Kupplungshälften voneinander entkoppelt werden, wenn die erste Kupplungshälfte nicht angetrieben wird. Die erste Kupplungshälfte ist dabei vorteilhaft permanent drehmomentübertragend mit der ersten elektrischen Maschine gekoppelt.
Mit dem ersten Aktor ist ein Mechanismus gemeint, der aufgrund eines elektrischen Signals oder mehrerer unterschiedlicher elektrischer Signale eine mechanische Kopplung oder Entkopplung oder eine Kopplungsfähigkeit oder eine Entkopplungsfähigkeit der genannten Kupplungshälften bewirken kann.
Mit dem Vorwärts-Zugbetrieb der ersten elektrischen Maschine ist eine Betriebsweise der ersten elektrischen Maschine gemeint, bei der die elektrische Maschine antreibend in einer Drehrichtung betrieben wird, durch welche die Hinterräder in einer Vorwärtsbewegung bewegt werden können.
Mit dem Ausdruck, dass „ohne Einwirkung des Aktors“ die drehmomentübertragende Kopplung hergestellt wird ist gemeint, dass für einen Übergang zwischen dem entkoppelten Zustand der beiden Kupplungshälften und dem gekoppelten Zustand kein Signalwechsel an dem ersten Aktor und auch kein Positionswechsel von Teilen des ersten Aktors erfolgt. Die drehmomentübertragende Kopplung ohne Einwirkung des ersten Aktors erfolgt, anders als bei einer aktorbetriebenen reinen Klauenkupplung, ohne dass Drehzahlen der beiden Kupplungshälften durch ein Synchronisationsverfahren synchronisiert werden müssen. Die zum Schließen der der beiden Kupplungshälften notwendige Synchronisation erfolgt mittels des Freilaufmechanismus der Freilaufkupplung praktisch ohne Zeitverlust.
Mit dem Vorwärts-Schubbetrieb, bezogen auf eine der elektrischen Maschinen, ist ein Betrieb gemeint, bei dem, wenn die jeweilige elektrische Maschine drehmomentübertragend mit dem jeweiligen Rad gekoppelt ist, der jeweilige Rotor von dem Kraftfahrzeug geschoben wird, und zwar in eine Drehrichtung für einen Vorwärtsbetrieb des Kraftfahrzeugs.
Mit dem Rückwärts-Zugbetrieb, bezogen auf eine der elektrischen Maschinen, ist ein Betrieb gemeint, bei dem, wenn die jeweilige elektrische Maschine drehmomentübertragen mit dem jeweiligen Rad gekoppelt ist, der jeweilige Rotor antreibend betrieben wird, und zwar in eine Drehrichtung für einen Rückwärtsbetrieb des Kraftfahrzeugs.
Weiterhin ist auf bekannte Weise vorgesehen, dass die elektrisch angetriebene Hinterachse eine dritte elektrische Maschine mit einem dritten Rotor aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, das zweite Hinterrad und/oder das erste Hinterrad der elektrisch angetriebenen Hinterachse anzutreiben. Dabei ist eine zweite schaltbare Freilaufkupplung mit einem zweiten Aktor vorgesehen, welche ihrerseits dazu ausgebildet ist, den dritten Rotor drehmomentübertragend mit dem zweiten Hinterrad zu koppeln.
Auf diese Weise kann die elektrisch angetriebene Hinterachse in einem Torque- Vecotoring-Betrieb angetrieben werden. Auch die Sicherheit im Allradbetrieb lässt sich hierdurch erhöhen, was im Bereich der elektrischen Hinterachse durch die beiden elektrischen Maschinen und die von ihnen unabhängig antreibbaren Hinterräder erreicht wird.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine als Axialflussmaschinen ausgebildet sind, die in einem gemeinsamen Gehäuse mit einem gemeinsamen Ölraum angeordnet sind, wobei dieses Gehäuse beispielsweise dasjenige Gehäuse sein kann, gegenüber welchem das Element der beiden Planetenübersetzungsstufen über den schaltbaren Freilauf festgehalten werden kann. Die Möglichkeit, mehrere einzelne Gehäuse bzw. Gehäuseteile einzusetzen besteht jedoch ebenfalls. Erfindungsgemäß sind die erste Planetenübersetzungsstufe, die zweite Planetenübersetzungsstufe, die erste schaltbare Freilaufkupplung und die zweite schaltbare Freilaufkupplung in dem gemeinsamen Gehäuse und in dem gemeinsamen Ölraum angeordnet.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung ist eine erste Planetenübersetzungsstufe vorgesehen, welche hinsichtlich eines von dem ersten Rotor ausgehenden Drehmomentflusses zwischen dem ersten Rotor und dem ersten Hinterrad und/oder dem zweiten Hinterrad angeordnet ist.
Vorteilhaft ist außerdem eine zweite Planetenübersetzungsstufe hinsichtlich eines von dem dritten Rotor ausgehenden Drehmomentflusses zwischen dem dritten Rotor und dem zweiten Hinterrad angeordnet. Der erste Rotor, der zweite Rotor, die erste Planetenübersetzungsstufe und die zweite Planetenübersetzungsstufe sind dabei allesamt koaxial zueinander angeordnet. Koaxial im Sinne der hier vorliegenden Erfindung bedeutet dabei, dass ihre Drehachsen fluchten, sie liegen also im zum Beispiel mit ihren Hauptdrehachsen auf einer Achse in Richtung der Achse hintereinander. Hierdurch wird ein entsprechend kompakter Aufbau möglich.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die erste schaltbare Freilaufkupplung dazu ausgebildet ist, eine erste Ausgangswelle der ersten Planetenübersetzungsstufe drehfest mit dem ersten Hinterrad zu koppeln.
Dementsprechend kann es vorgesehen sein, dass die zweite schaltbare Freilaufkupplung dazu ausgebildet ist, eine zweite Ausgangswelle der zweiten Planetenübersetzungsstufe drehfest mit dem zweiten Hinterrad zu koppeln.
Unter einem drehfesten Koppeln im Sinne der Erfindung ist dabei eine Kopplung zu verstehen, welche darin resultiert, dass die gekoppelten Bauteile nach dem Koppeln mit derselben Winkelgeschwindigkeit umlaufen.
Der Aufbau sieht also die Freilaufkupplung zwischen der jeweiligen Planetenübersetzungsstufe und dem jeweiligen Hinterrad vor, sodass sie zwischen der Ausgangswelle der Planetenübersetzungsstufe und dem Hinterrad liegt. In einer alternativen Variante der Ausgestaltung mit den Planetenübersetzungsstufen kann es auch vorgesehen sein, dass die erste schaltbare Freilaufkupplung dazu ausgebildet ist, ein Element der ersten Planetenübersetzungsstufe, beispielsweise und bevorzugt deren Hohlrad, drehfest mit einem Gehäuse zu verbinden. Analog hierzu kann die zweite schaltbare Freilaufkupplung dazu ausgebildet sein, ein Element der zweiten Planetenübersetzungsstufe, und hier insbesondere dasselbe Element, also vorzugsweise ebenfalls wiederum das Hohlrad, drehfest mit dem Gehäuse zu verbinden. Die Freilaufkupplungen werden also in die Planetenübersetzungsstufen integriert und lassen das entsprechende Element des Planetengetriebes, vorzugsweise - aber nicht zwingend - die Hohlräder, entweder frei umlaufen oder halten diese entsprechend fest. Durch diese Ausgestaltung als Freilauf bezieht sich die durch die schaltbaren Freilaufkupplungen zu erzielende drehfeste Verbindung dabei auf den Antriebsfall während im Falle, dass die Hinterräder nicht angetrieben werden, diese entsprechend freilaufen, sodass der Antrieb über die elektrisch angetriebene Vorderachse alleine zur Bewegung des Fahrzeugs eingesetzt werden kann.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems kann es alternativ dazu vorsehen, dass axial zwischen dem ersten Rotor und dem dritten Rotor ein Überlagerungsgetriebe angeordnet ist, welches eine erste Antriebswelle, eine zweite Antriebswelle, eine erste Abtriebswelle und eine zweite Abtriebswelle umfasst. Der erste Rotor ist drehfest mit der ersten Antriebswelle verbunden, der dritte Rotor dementsprechend drehfest mit der zweiten Antriebswelle. Die erste Abtriebswelle ist wiederum drehfest mit einer ersten Eingangswelle der ersten Planetenübersetzungsstufe verbunden und die zweite Abtriebswelle ist drehfest mit einer zweiten Eingangswelle der zweiten Planetenübersetzungsstufe verbunden. Hierdurch wird eine Überlagerung beispielsweise durch einen Überlagerungsplanetenradsatz möglich, um über beide hieran angeschlossenen elektrischen Maschinen, also die erste und die dritte elektrische Maschine, jeweils beide Hinterräder antreiben zu können.
Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung hiervon kann es außerdem vorsehen, dass die erste Planetenübersetzungsstufe, die zweite Planetenübersetzungsstufe, die erste schaltbare Freilaufkupplung und die zweite schaltbare Freilaufkupplung in dem gemeinsamen Gehäuse und dem gemeinsamen Ölraum angeordnet sind. Dies ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau, bei dem nun insbesondere die Vorteile des gemeinsamen Ölraums für die Planetenübersetzungsstufen und die schaltbaren Freiläufe mitgenutzt werden, um somit die ganze Übersetzungsschalt- und Antriebstechnik der elektrisch angetriebenen Hinterachse in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Idee der Erfindung kann es nun ferner vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Rotor und dem dritten Rotor eine Rotorwelle des ersten Rotors gegen eine dritte Rotorwelle des dritten Rotors gelagert ist. Damit kann axial zwischen dem ersten Rotor und dem dritten Rotor auf eine Lagerung der Rotorwellen gegenüber dem Gehäuse verzichtet werden. Die erste Rotorwelle stützt sich also axial zwischen diesen beiden Rotoren ausschließlich an der dritten Rotorwelle ab und umgekehrt, sodass auf zusätzliche Lagerungstechnik und die damit verbundenen Reibungsverluste verzichtet werden kann. Durch die entsprechende Abstützung der Rotorwellen über eine Lagerung aneinander können diese unabhängig voneinander bewegt werden. Werden sie jedoch mit der gleichen Drehzahl oder einer sehr ähnlichen Drehzahl zueinander bewegt, wird durch die relative Lagerung zwischen den beiden Rotorwellen der Reibungsverlust aufgrund der fehlenden oder sehr geringen Relativgeschwindigkeit der Rotorwellen zueinander minimiert.
Bezüglich der elektrisch angetriebenen Vorderachse kann es in dem elektrischen Antriebssystem der Erfindung gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass hinsichtlich eines von der zweiten elektrischen Maschine ausgehenden Drehmomentflusses die zweite elektrische Maschine, das Achsgetriebe, eine dritte Planetenübersetzungsstufe und das erste Vorderrad in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet sind. Analog dazu kann dann hinsichtlich eines von der zweiten elektrischen Maschine ausgehenden Drehmomentflusses auch diese zweite elektrische Maschine, das Achsgetriebe, eine vierte Planetenübersetzungsstufe und das zweite Vorderrad in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet sein. Die zweite elektrische Maschine für die elektrisch angetriebene Vorderachse treibt bei dieser besonders günstigen Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung also über das Achsgetriebe beispielsweise ein Differential, zwei Planetenübersetzungsstufen, welche ihrerseits jeweils permanent drehmomentübertragend mit den angetriebenen Vorderrädern gekoppelt sind.
Alternativ zu dieser Anordnung der Planetenübersetzungsstufen zwischen dem Achsgetriebe und dem jeweils angetriebenen Rad der Vorderachse kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung auch vorgesehen sein, dass hinsichtlich eines von der zweiten elektrischen Maschine ausgegebenen Drehmomentflusses die zweite elektrische Maschine, eine weitere Planetenübersetzungsstufe, das Achsgetriebe und das erste Vorderrad ausgehend von dem Achsgetriebe einerseits sowie das zweite Vorderrad ausgehend von dem Achsgetriebe andererseits jeweils in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet sind. Bei dieser Alternative wird anstelle einer dritten und einer vierten Planetenübersetzungsstufe lediglich eine dieser Planetenübersetzungsstufen eingesetzt. Sie folgt unmittelbar auf die elektrische Maschine, sodass diese also mit der Eingangswelle der weiteren Planetenübersetzungsstufe gekoppelt ist. Über den Ausgang dieser weiteren Planetenübersetzungsstufe wird dann das Drehmoment in das Achsgetriebe geleitet, welches den Leistungsfluss auf die beiden angetriebenen Vorderräder aufteilt. Die Reihenfolge von Planetenübersetzungsstufen und Achsgetriebe ist also umgekehrt, wodurch eine der Planetenübersetzungsstufen eingespart werden kann.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser beiden Varianten der elektrisch angetriebenen Vorderachse kann es nun ferner so sein, dass bei der elektrisch angetriebenen Vorderachse eine Parksperre vorgesehen ist. Diese kann je nach Anordnung hinsichtlich des Drehmomentflusses zwischen der weiteren Planetenübersetzungsstufe und dem Achsgetriebe oder zwischen dem Achsgetriebe und einer oder beiden der dritten und/oder vierten Planetenübersetzungsstufen angeordnet sein, wobei in diesem Fall vorzugsweise lediglich eine Parksperre, also entweder zwischen dem Achsgetriebe und der dritten Planetenübersetzungsstufe oder dem Achsgetriebe und der vierten Planetenübersetzungsstufe, vorgesehen ist. Über eine solche Parksperre kann in an sich bekannter Weise und bei an sich bekannter Funktionalität der Antrieb für den Fall eines geparkten Kraftfahrzeugs entsprechend gesperrt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem gemäß der Erfindung Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 3 eine mögliche Ausgestaltung der wesentlichen Elemente einer elektrisch angetriebenen Hinterachse der zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 4 zwei verschiedene Varianten zur Lagerung der Rotorwellen des ersten und zweiten Rotors gegeneinander;
Fig. 5 eine weitere mögliche Ausgestaltung der wesentlichen Elemente einer elektrisch angetriebenen Hinterachse der zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
Fig. 6 zwei mögliche Ausgestaltungen der elektrisch angetriebenen Vorderachse gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 schematisch dargestellt, welches sich im regulären Betrieb in der Fahrtrichtung F, also bei einer Vorwärtsfahrt, in der Darstellung von rechts nach links bewegen soll. Das Kraftfahrzeug 1 verfügt über ein elektrisches Antriebssystem 100 mit einer elektrisch angetriebenen Vorderachse 2 sowie einer elektrisch angetriebenen Hinterachse 3. Eine Antriebsenergie für das elektrische Antriebssystem 100 wird über eine Batterie 4 oder ein alternatives elektrisches Energiespeichersystem gespeichert und zur Verfügung gestellt.
Die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 umfasst eine erste elektrische Maschine 5 mit einem ersten Rotor 6, welcher dazu ausgebildet ist, über ein erstes Achsgetriebe 66 ein erstes Hinterrad 7 und ein zweites Hinterrad 10 anzutreiben.
Das elektrische Antriebssystem 100 umfasst außerdem die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 in Fahrtrichtung F vorne in der Darstellung der Figur 1 also links. Diese umfasst eine zweite elektrische Maschine 17 mit einem zweiten Rotor 18, welcher in den beiden Darstellungen der Figur 6 erkennbar ist. Mittels der zweiten elektrischen Maschine 17 ist es über ein zweites Achsgetriebe 67 möglich, gleichzeitig zwei Vorderräder 20, 21 , nämlich ein erstes Vorderrad 20 und ein zweites Vorderrad 21 , der elektrisch angetriebenen Vorderachse 2 anzutreiben. Die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 umfasst in der Darstellung der Figur 1 ferner eine dritte und eine vierte Planetenübersetzungsstufe 22, 23 sowie eine mit der Batterie 4 gekoppelte Leistungselektronik 24. Die beiden angetriebenen Vorderräder 20, 21 sind dabei permanent über das zweite Achsgetriebe 67 sowie über die Planetenübersetzungsstufen 22, 23 mit dem zweiten Rotor 18 der zweiten elektrische Maschine 17 gekoppelt, sodass auf eine Aktuatorik im Bereich der elektrisch angetriebenen Vorderachse 2, anders als bei der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 gänzlich verzichtet werden kann.
Die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 umfasst außerdem eine erste Planetenübersetzungsstufe 11 sowie eine erste schaltbare Freilaufkupplung 13, welche in der Darstellung der Figur 1 in die erste Planetenübersetzungsstufe 11 integriert dargestellt ist. Die elektrische Hinterachse 3 umfasst außerdem eine Leistungselektronik 15, welche hier zweigeteilt dargestellt ist, sowie einen mit 13a bezeichneten schematisch dargestellten ersten Aktor, um die erste schaltbare Freilaufkupplung 13 zu betätigen.
Mittels der ersten schaltbaren Freilaufkupplung 13 kann der erste Rotor 6 drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad (7) und/oder mit dem zweiten Hinterrad 10 drehmomentübertragend gekoppelt werden, wobei die schaltbare Freilaufkupplung 13 auf an sich bekannte Weise derart ausgestaltet ist, dass mittels der ersten schaltbaren Freilaufkupplung 13 in einem Vorwärts-Zugbetrieb der ersten elektrischen Maschine 5 die drehmomentübertragende Kopplung des ersten Rotors 6 mit dem ersten Hinterrad 7 und/oder dem zweiten Hinterrad 10 ohne eine Einwirkung, genauer gesagt ohne einen Stellungswechsel des ersten Aktors 13a hergestellt werden kann und in einem Vorwärts- Schubbetrieb oder einem Rückwärts-Zugbetrieb der ersten elektrischen Maschine 5 die drehmomentübertragende Kopplung mit der Einwirkung, genauer gesagt mit einem Stellungswechsel des ersten Aktors 13a hergestellt werden kann. Der erste Aktor 13a weist vorteilhaft eine Elektronikeinheit auf, welche aufgrund eines elektronischen Signals eine elektrische Betriebsspannung erzeugt. Der erste Aktor 13a weist vorteilhaft außerdem zum Beispiel einen Stellmotor oder ein hydraulisches oder pneumatisches Betätigungselement auf, mittels welchen die elektrische Betriebsspannung in eine mechanische Kraftausübung umgewandelt werden kann. Figur 2, bei der unverändert vorhandene Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine zweite Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems 100a mit einer dritten elektrische Maschine 8 mit einem in den Figuren 3 und 5 genauer erkennbaren dritten Rotor 9. Die erste elektrische Maschine 5 sowie die dritte elektrische Maschine 8 sind dazu ausgebildet, das erste Hinterrad 7 sowie das zweite Hinterrad 10 anzutreiben. Die Figuren 3 und 5 zeigen detaillierte Ausgestaltungsmöglichkeiten für die elektrisch angetriebene Hinterachse 3. Wesentlich ist zunächst, dass für eine Koppelung/Entkoppelung der dritten elektrischen Maschine 8 von dem ersten Hinterrad 7 und/oder von dem zweiten Hinterrad 10 eine zweite schaltbare Freilaufkupplung 14 vorgesehen ist, die ihrerseits einen zweiten Aktor 14a umfasst. Die zweite schaltbare Freilaufkupplung 14 und der zugehörige zweie Aktor 14a sind von gleicher Bauart wie die erste schaltbare Freilaufkupplung 13 und deren erster Aktor 13a.
Die elektrisch angetriebene Hinterachse 3 umfasst bei der zweiten Ausführungsform außerdem für jedes der beiden angetriebenen Hinterräder 7, 10 eine erste Planetenübersetzungsstufe 11 und eine zweite Planetenübersetzungsstufe 12.
Nachfolgend wird nun auf eine erste mögliche Ausgestaltung der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 im Detail eingegangen. Figur 3 zeigt dazu die beiden elektrischen Maschinen 5, 8 mit dem ersten Rotor 6 und dem dritten Rotor 9. Diese Rotoren 6, 9 sind jeweils drehfest mit einer Eingangswelle, nämlich einer ersten Eingangswelle 25 der ersten Planetenübersetzungsstufe 11 sowie einer zweiten Eingangswelle 26 der zweiten Planetenübersetzungsstufe 12, verbunden. Die erste Eingangswelle 25 ist drehfest mit einem ersten Sonnenrad 27 der ersten Planetenübersetzungsstufe 11 verbunden. Die zweite Eingangswelle 26 ist drehfest mit einem zweiten Sonnenrad 28 der zweiten Planetenübersetzungsstufe 12 verbunden.
Jeweils ein Hohlrad 29, 30 der jeweiligen Planetenübersetzungsstufe 11, 12, nämlich ein erstes Hohlrad 29 der ersten Planetenübersetzungsstufe 11 und ein zweites Hohlrad 30 der zweiten Planetenübersetzungsstufe, ist hier drehfest mit einem durch die Schraffur angedeuteten Gehäuse 31 , vorzugsweise einem gemeinsamen Gehäuse 31 der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3, verbunden. In dem gemeinsamen Gehäuse können vorzugsweise die erste elektrische Maschine 5 sowie die dritte elektrische Maschine 8 sowie auch die erste Planetenübersetzungsstufe 11 und die zweite Planetenübersetzungsstufe 12 angeordnet sein. Eine erste Ausgangswelle 32 der ersten Planetenübersetzungsstufen 11 ist mit ersten Planetenrädern 34 der ersten Planetenübersetzungsstufe 11 gekoppelt bzw. bildet deren Planetenradträger oder ist mit diesem drehfest verbunden. Eine zweite Ausgangswelle 33 der zweiten Planetenübersetzungsstufe 12 ist mit zweiten Planetenrädern 35 der zweiten Planetenübersetzungsstufe 12 gekoppelt bzw. bildet deren Planetenradträger oder ist mit diesem drehfest verbunden.
Diese jeweilige Ausgangswelle 32, 33 der jeweiligen Planetenübersetzungsstufe 11, 12 ist dann über die zugehörige schaltbare Freilaufkupplung 13, 14 mit zugehörigen Aktoren 13a und 14a mit dem jeweiligen angetriebenen Hinterrad 7, 10 gekoppelt, wobei die Hinterräder 7. 10 hier nur durch die den Drehmomentfluss symbolisierenden Pfeile angedeutet sind.
Die beiden elektrischen Maschinen 5, 8 der Hinterachse 3 können vorzugsweise als Axialflussmaschinen ausgebildet sein, welche in dem vorzugsweise gemeinsamen Gehäuse 31 mit einem gemeinsamen Ölraum angeordnet sind. Auch die beiden Planetenübersetzungsstufen 11 , 12 sowie die schaltbaren Freiläufe 13, 14 können hierin integriert ausgeführt sein. Die Rotoren 6, 9 der Hinterachse 3 sowie die Planetenübersetzungsstufen 11, 12 der Hinterachse 3 sind vorzugsweise allesamt koaxial zueinander angeordnet. Mit anderen Worten haben die Rotoren 6, 9 sowie die Planetenübersetzungsstufen 11, 12 der Hinterachse 3 vorzugsweise eine gemeinsame Drehachse. In einer, bezogen auf diese Drehachse, axialen Richtung gesehen, sind die erste Planetenübersetzungsstufe 11 , die erste Elektrische Maschine 5, die dritte elektrische Maschine 8 und die zweite Planetenübersetzungsstufe 12 nacheinander angeordnet. Vorzugsweise sind sie axial in der hier genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet. Alternativ dazu könnte die koaxiale Anordnung auch einen Aufbau vorsehen, bei welchem jeweils eine der Planetenübersetzungsstufen 11, 12 axial auf gleicher Höhe und radial innerhalb zu der jeweiligen elektrischen Maschine 5, 8 angeordnet ist.
In der Darstellung der Figur 4 ist nun in zwei Beispielen, in der Figur 4a und in der Figur 4b, dargestellt, wie zwei Rotorwellen, nämlich eine erste Rotorwelle 36 der ersten elektrischen Maschine 5 und eine dritte Rotorwelle 37 der dritten elektrischen Maschine 8, in einem zwischen den beiden elektrischen Maschinen 5, 8 gelegenen axialen Bereich 16 gegeneinander gelagert sein können. Der zwischen den beiden elektrischen Maschinen 5, 8 gelegene axiale Bereich 16 ist in Figur 2 dargestellt.
Vorzugsweise sind die beiden Rotorwellen 36, 37 des ersten Rotors 6 und des dritten Rotors 9 in dem zwischen den beiden elektrischen Maschinen gelegenen axialen Bereich 16 ausschließlich gegen einander und nicht gegenüber dem Gehäuse 31 gelagert.
Eine Lagerung gemäß der Figur 4a sieht dabei eine Hülse 38 vor, in welcher die Enden beider Rotorwellen 36, 37 über eine Lagervorrichtung 39 gelagert sind. Die Enden der Rotorwellen 36 sind dabei radial innerhalb der Lagervorrichtung 39 angeordnet, und die Lagervorrichtung 39 ist radial innerhalb der Hülse 38 angeordnet. Die Lagervorrichtung 39 weist vorzugsweise zwei einzelne Lager auf.
Eine Alternative gemäß Figur 4b sieht vor, dass eine der Rotorwellen, hier die dritte Rotorwelle 37, zumindest an ihrem Ende als Hohlwelle ausgebildet ist und über eine alternative Lagervorrichtung 40 innerhalb dieser Hohlwelle die erste Rotorwelle 36 aufnimmt, so dass die erste Rotorwelle 36 radial innerhalb der alternativen Lagervorrichtung 40 angeordnet ist und die alternative Lagervorrichtung 40 radial innerhalb des Hohlwellenendes der dritten Rotorwelle 37 angeordnet ist. Hierdurch kann auf die Hülse 38 als eigenständiges Bauteil verzichtet werden.
In der Darstellung der Figur 5 ist nun eine im Vergleich zu der Figur 3 alternative mögliche Ausgestaltung der elektrisch angetriebenen Hinterachse, hier mit 3a bezeichnet, zu erkennen. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in Figur 3, sodass alle bereits aus Figur 3 bekannten Bauteile mit demselben Bezugszeichen versehen sind. Daher wird nachfolgend lediglich auf die Unterschiede näher eingegangen.
Ein erster Unterschied besteht darin, dass die erste schaltbare Freilaufkupplung 13 und die zweite schaltbare Freilaufkupplung 14 verlagert werden. Die Ausgangswellen 32, 33 der Planetenübersetzungsstufen 11 , 12 sind hier permanent mit den angetriebenen Rädern 7, 10 bzw. ihren Achsen gekoppelt. Die schaltbaren Freiläufe 13, 14 befinden sich nun zwischen dem jeweiligen Hohlrad 29, 30 der jeweiligen Planetenübersetzungsstufe 11, 12 und dem gemeinsamen Gehäuse 31. Bei dieser Anordnung der schaltbaren Freiläufe 13, 14 entstehen bei Fahrt mit offenen Freilaufkupplungen 13, 14 zwar etwas höhere Verluste, allerdings ist eine Zuschaltbarkeit der Freiläufe 13, 14 verbessert, da beim Zuschalten geringere Momente auftreten. Diese in Figur 5 gezeigte Anordnung der Freiläufe 13, 14 kann ohne weiteres auch bei der ansonsten unveränderten Lösung der Figur 3 angewandt werden. Bei dieser Anordnung des ersten schaltbaren Freilaufes 13 ist eine erste Kupplungshälfte des schaltbaren Freilaufes 13 drehfest mit dem Gehäuse 31 verbunden, und eine zweite Kupplungshälfte des schaltbaren Freilaufes 13 ist drehfest mit dem ersten Hohlrad 29 verbunden. Der zweite schaltbare Freilauf 14 ist analog zwischen dem Gehäuse 31 und dem zweiten Hohlrad 30 angeordnet.
Ein weiterer Unterschied zwischen der Ausgestaltung der Figur 5 und derjenigen der Figur 3 besteht darin, dass zwischen dem ersten Rotor 6 und dem dritten Rotor 9 ein Überlagerungsgetriebe 41 mit einer ersten Antriebswelle 42, einer zweiten Antriebswelle 43, einer ersten Abtriebswelle 44 und einer zweiten Abtriebswelle 45 vorgesehen ist, wobei der erste Rotor 6 mit der ersten Antriebswelle 42 drehfest verbunden ist und wobei der dritte Rotor 9 drehfest mit der zweiten Antriebswelle 43 verbunden ist. Die erste Abtriebswelle 44 ist ihrerseits drehfest mit der ersten Eingangswelle 25 der ersten Planetenübersetzungsstufe 11 verbunden, die zweite Abtriebswelle 45 ist drehfest mit der zweiten Eingangswelle 26 der zweiten Planetenübersetzungsstufe 12 verbunden. In der Ausgestaltung der Figur 5 ist das Überlagerungsgetriebe 41 axial zwischen den beiden elektrischen Maschinen 5, 8 angeordnet. Es ist aber auch möglich, das Überlagerungsgetriebe 41 axial neben den beiden elektrischen Maschinen 5, 8 anzuordnen, wobei eine der beiden Rotorwellen 36, 37 der Hinterachse 3a dann radial innerhalb der anderen der beiden Rotorwellen 36, 37 verlaufen würde.
Ansonsten entspricht der Aufbau der Ausgestaltung der Figur 5 weitgehend dem in Figur 3 beschriebenen Aufbau, wobei die beiden schaltbaren Freiläufe 13, 14 auch beim Aufbau gemäß Figur 5 in den Bereich der Ausgangswellen 32, 33 der Planetenübersetzungsstufen 11, 12 (analog dem Aufbau gemäß Figur 3) verlagert werden könnten.
In der Darstellung der Figur 6 sind nun in der Figur 6a und in der Figur 6b zwei mögliche alternative Ausführungsformen für die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 dargestellt. In der Darstellung der Figur 6a ist die elektrisch angetriebene Vorderachse 2 so ausgebildet, dass die zweite elektrische Maschine 17 mit dem zweiten Rotor 18 in axialer Richtung zentral angeordnet ist. Das zweite Achsgetriebe 67 ist als Differentialgetriebe ausgebildet, welches durch den zweiten Rotor 18 der zweiten elektrischen Maschine 17 angetrieben wird. Insbesondere kann eine Eingangswelle des zweiten Achsgetriebes 67 drehtest mit dem zweiten Rotor 18 gekoppelt sein. Die Eingangswelle des zweiten Achsgetriebes 67 kann zum Beispiel als ein Differentialkäfig eines Kegelraddifferentials ausgebildet sein. Die Ausgangswellen des zweiten Achsgetriebes 67 bilden jeweils Eingangswellen, nämlich eine dritte Eingangswelle 46 einer dritten Planetenübersetzungsstufe 48 einerseits und eine vierte Eingangswelle 47 einer vierten Planetenübersetzungsstufe 49 andererseits.
Ähnlich wie zuvor bei der elektrisch angetriebenen Hinterachse 3 beschrieben, können diese Eingangswellen 46, 47 mit Sonnenrädern, nämlich einem dritten Sonnenrad 50 der dritten Planetenübersetzungsstufe 48 und einem vierten Sonnenrad 51 der vierten Planetenübersetzungsstufen 49, gekoppelt sein. Hohlräder, nämlich ein drittes Hohlrad 52 und ein viertes Hohlrad 53, der beiden Planetenübersetzungsstufen 48, 49 sind wiederum gegenüber einem weiteren Gehäuse 54 festgehalten.
Jeweils Planetenradträger der jeweils umlaufenden Planeten 66, 67 bilden eine dritte Ausgangswelle 55 der dritten Planetenübersetzungsstufe 48 und eine vierte Ausgangswelle 56 der vierten Planetenübersetzungsstufen 49 und treiben jeweils eines der beiden Vorderräder 20, 21 an, welche analog zu den vorherigen Darstellungen auch hier wieder lediglich durch die zu ihnen weisenden Pfeile entsprechend angedeutet sind.
Die beiden Planetenübersetzungsstufen 48, 49, das zweite Achsgetriebe 67 und die zweite elektrische Maschine 17 können dabei bevorzugt wieder koaxial zu ihrer Drehachse des Aufbaus angeordnet sein, wobei hier ebenso wie bei den Figuren 3 und 5 lediglich die obere Hälfte des um die Drehachse rotationssymmetrischen Aufbaus entsprechend dargestellt ist. Die Reihenfolge in axialer Richtung ist dabei insbesondere so, dass auf das erste angetriebene Vorderrad 20 die dritte Planetenübersetzungsstufe 48, das zweite Achsgetriebe 67, die vierte Planetenübersetzungsstufe 49 sowie das zweite angetriebene Vorderrad 21 folgen. Die zweite elektrische Maschine 17 umgibt das zweite Achsgetriebe 67, so dass das zweite Achsgetriebe 67 koaxial zu sowie axial überlappend und radial innerhalb der zweiten elektrischen Maschine 17 angeordnet ist.
In der Figur 6b ist ein alternativer Aufbau für die Vorderachse 2 gezeigt, bei welchem die zweite elektrische Maschine 17 bzw. der zweite Rotor 18 zunächst in eine weitere Planetenübersetzungsstufe 57 Drehmoment einleitet. Die weitere Planetenübersetzungsstufe 57 ist in dem hier dargestellten Beispiel so aufgebaut, dass der zweite Rotor 18 drehfest mit ihrer Eingangswelle, hier in Form eines fünften Sonnenrades 58 verbunden ist, während ein fünftes Hohlrad 59 der weiteren Planetenübersetzungsstufe 57 drehfest mit dem weiteren Gehäuse 54 verbunden ist. Die Ausgangswelle dieser weiteren Planetenübersetzungsstufe 57 bildet wiederum ein Planetenradträger 60 für fünfte Planetenräder 61. Dieser Planetenradträger 60 ist mit einem sechsten Hohlrad 62 eines Planetendifferentials als zweites Achsgetriebe 67a verbunden, welches über einen Doppelplanetenträger 63 das erste angetriebene Vorderrad 20 und über ein sechstes Sonnenrad 64 das zweite angetriebene Vorderrad 21 treibt.
Ergänzend ist in der Darstellung der Figur 6b eine Parksperre 65 zu erkennen. Diese Parksperre 65 ist zwischen der weiteren Planetenübersetzungsstufe 57 und dem zweiten Achsgetriebe 67a angeordnet und dient dazu, im geparkten Zustand des Kraftfahrzeugs 1 den Antrieb festzusetzen. In diesem Fall, in dem der Planetenradträger 60 über die Parksperre 65 in einem geschlossenen Zustand der Parksperre 65 mit dem weiteren Gehäuse 54 drehfest verbunden wird. Eine solche Parksperre 65 wäre prinzipiell auch bei dem in Figur 6a gezeigten Aufbau denkbar, beispielsweise zwischen dem zweiten Achsgetriebe 67a und der dritten Planetenübersetzungsstufe 48 oder auch alternativ (oder ergänzend) hierzu zwischen dem zweiten Achsgetriebe 67a und der vierten Planetenübersetzungsstufe 49. In einer Gesamtsystembetrachtung des elektrischen Antriebssystems 100, 100a ist es vorteilhaft, die Parksperre 65 in die elektrisch angetriebene Vorderachse 2, 2a zu integrieren und nicht in die elektrisch angetriebene Hinterachse 3, 3a, da die elektrisch angetriebene Vorderachse 2, 2a in diesem Gesamtsystem vergleichsweise mehr Platz bietet und weil eine derart ausgebildete elektrisch angetriebene Vorderachse 2, 2a als Modul auch in anderen denkbaren Gesamtsystemen einsetzbar wäre.
Vorteilhaft kann mit dem Gesamtsystem des elektrischen Antriebssystems 100, 100a ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug derart betrieben werden, dass bei einem Wechsel von einem Vorwärts-Zugbetrieb zu einem Vorwärts-Schubbetrieb der ersten elektrischen Maschine 5 mittels des ersten Aktors 13a die drehmomentübertragende Kopplung des ersten Rotors 6 mit dem ersten Hinterrad 7 und/oder dem zweiten Hinterrad 10 mittels der Einwirkung des ersten Aktors 13a hergestellt wird, wenn unmittelbar vor dem genannten Wechsel eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges größer als ein Geschwindigkeitsschwellwert ist und wenn keine von einem Fahrer des Kraftfahrzeuges wählbare sportliche Betriebsweise des Kraftfahrzeuges eingestellt ist und wenn ein Ladungsgehalt der Batterie 4 kleiner als ein Ladungsgehaltschwellwert ist. Mit der Einwirkung des ersten Aktors 13a ist wie oben schon beschrieben zum Beispiel ein Positionswechsel eines Hydraulischen oder pneumatischen Kolbens oder eines Stellmotors des ersten Aktors 13a gemeint. Der Geschwindigkeitsschwellwert kann vorteilhaft in einem Bereich von 100 km/h liegen. Der Ladungsgehaltschwellwert kann vorteilhaft in einem Bereich von 90 % bezogen auf eine Gesamt-Ladekapazität der Batterie 4 liegen.
Bezugszeichenliste
1 Kraftfahrzeug
2, 2a Vorderachse
3 Hinterachse
4 Batterie
5 Erste Elektrische Maschine
6 Erster Rotor
7 Erstes Hinterrad
8 Dritte elektrische Maschine
9 Dritter Rotor
10 Zweites Hinterrad
11 Erste Planetenübersetzungsstufe
12 Zweite Planetenübersetzungsstufe
13 Erste schaltbare Freilaufkupplung
13a Erster Aktor
14 Zweite schaltbare Freilaufkupplung
14a Zweiter Aktor
15 Leistungselektronik
16 Axialer Bereich
17 Zweite elektrische Maschine
18 Zweiter Rotor
20 Erstes Vorderrad
21 Zweites Vorderrad
22 Dritte Planetenübersetzungsstufe
23 Vierte Planetenübersetzungsstufe
24 Leistungselektronik
25 Erste Eingangswelle
26 Zweite Eingangswelle
27 Erstes Sonnenrad
28 Zweites Sonnenrad
29 Erstes Hohlrad
30 zweites Hohlrad
31 Gehäuse Erste Ausgangswelle
Zweite Ausgangswelle
Erste Planetenräder
Zweite Planetenräder
Erste Rotorwelle
Zweite Rotorwelle
Hülse
Lagervorrichtung
Alternative Lagervorrichtung
Überlagerungsgetriebe
Erste Antriebswelle
Zweite Antriebswelle
Erste Abtriebswelle
Zweite Abtriebswelle
Dritte Eingangswelle
Vierte Eingangswelle
Dritte Planentenübersetzungsstufe
Vierte Planetenübersetzungsstufe
Drittes Sonnenrad
Viertes Sonnenrad
Drittes Hohlrad
Viertes Hohlrad
Weiteres Gehäuse
Dritte Ausgangswelle
Vierte Ausgangswelle
Weitere Planetenübersetzungsstufe
Fünftes Sonnenrad
Fünftes Hohlrad
Planetenradträger
Fünfte Planetenräder
Sechstes Hohlrad
Doppelplanetenträger
Sechstes Sonnenrad
Parksperre
Erstes Achsgetriebe 67, 67a Zweites Achsgetriebe
100, 100a Elektrisches Antriebssystem

Claims

Patentansprüche Elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug (1), mit einer elektrisch angetriebenen Vorderachse (2) und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse (3), wobei die elektrisch angetriebene Hinterachse (3) eine erste elektrische Maschine (5) aufweist, die einen ersten Rotor (6) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Hinterrad (7) und/oder ein zweites Hinterrad (10) der elektrische angetriebenen Hinterachse (3) anzutreiben, wobei die elektrisch angetriebene Vorderachse (2) eine zweite elektrische Maschine (17) aufweist, welche einen zweiten Rotor (18) aufweist, der dazu ausgebildet ist, über ein zweites Achsgetriebe (67, 67a) Vorderräder (20, 21) der elektrisch angetriebenen Vorderachse (2) anzutreiben, wobei der zweite Rotor (18) über das zweite Achsgetriebe (67, 67a) permanent mit einem ersten Vorderrad (20) sowie permanent mit einem zweiten Vorderrad (21) drehmomentübertragend gekoppelt ist, wobei eine erste schaltbare Freilaufkupplung (13) dazu ausgebildet ist, den ersten Rotor (6) drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad (7) und/oder mit dem zweiten Hinterrad (10) zu koppeln, wobei die erste schaltbare Freilaufkupplung (13) einen ersten Aktor (13a) aufweist, wobei mittels der ersten schaltbaren Freilaufkupplung (13) in einem Vorwärts- Zugbetrieb der ersten elektrischen Maschine (5) die drehmomentübertragende Kopplung des ersten Rotors (6) mit dem ersten Hinterrad (7) und/oder dem zweiten Hinterrad (10) ohne eine Einwirkung des ersten Aktors (13a) hergestellt werden kann und in einem Vorwärts-Schubbetrieb oder einem Rückwärts- Zugbetrieb der ersten elektrischen Maschine (5) die drehmomentübertragende Kopplung des ersten Rotors (6) mit dem ersten Hinterrad (7) und/oder dem zweiten Hinterrad (10) mit der Einwirkung des ersten Aktors (13a) hergestellt werden kann, wobei die elektrisch angetriebene Hinterachse (3) eine dritte elektrische Maschine (8) mit einem dritten Rotor (9) aufweist, der dazu ausgebildet ist, das zweite Hinterrad (10) und/oder das erste Hinterrad (7) der elektrisch angetriebenen Hinterachse (3) anzutreiben, wobei eine zweite schaltbare Freilaufkupplung (14) vorgesehen ist, welche einen zweiten Aktor (14a) aufweist und welche dazu ausgebildet ist, den dritten Rotor (9) drehmomentübertragend mit dem zweiten Hinterrad (10) zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (5) und die dritte elektrische Maschine (8) als Axialflussmaschinen ausgebildet und in einem gemeinsamen Gehäuse (31) mit einem gemeinsamen Ölraum angeordnet sind, wobei die erste Planetenübersetzungsstufe (11), die zweite Planetenübersetzungsstufe (12), die erste schaltbare Freilaufkupplung (13) und die zweite schaltbare Freilaufkupplung (14) in dem gemeinsamen Gehäuse (31) und in dem gemeinsamen Ölraum angeordnet sind. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Planetenübersetzungsstufe (11), welche hinsichtlich eines von dem ersten Rotor (6) ausgehenden Drehmomentenflusses zwischen dem ersten Rotor (6) und dem ersten Hinterrad (7) angeordnet ist, wobei der erste Rotor (6) und die erste Planetenübersetzungsstufe (11) koaxial zueinander angeordnet sind. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste schaltbare Freilaufkupplung (13) dazu ausgebildet ist, eine erste Ausgangswelle (32) der ersten Planetenübersetzungsstufe (11) drehfest mit dem ersten Hinterrad (7) zu koppeln. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste schaltbare Freilaufkupplung (13) dazu ausgebildet ist, ein Element (29) der ersten Planetenübersetzungsstufe (11) drehtest mit einem Gehäuse (31) zu verbinden. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen dem ersten Rotor (6) und dem dritten Rotor (9) ein Überlagerungsgetriebe (41) mit einer ersten Antriebswelle (42), einer zweiten Antriebswelle (43), einer ersten Abtriebswelle (44) und einer zweiten Abtriebswelle (45) angeordnet ist, wobei der erste Rotor (6) drehtest mit der ersten Antriebswelle (42) verbunden ist, der dritte Rotor (9) drehfest mit der zweiten Antriebswelle (43) verbunden ist, die erste Abtriebswelle (44) drehfest mit einer ersten Eingangswelle (25) der ersten Planetenübersetzungsstufe (11) verbunden ist und die zweite Abtriebswelle (45) drehtest mit einer zweiten Eingangswelle (26) der zweiten Planetenübersetzungsstufe (12) verbunden ist. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen dem ersten Rotor (6) und dem dritten Rotor (9) eine erste Rotorwelle (36) des ersten Rotors (6) gegen eine dritte Rotorwelle (37) des dritten Rotors (9) gelagert ist. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinsichtlich eines von der zweiten elektrischen Maschine (17) ausgehenden Drehmomentenflusses die zweite elektrische Maschine (17), das zweite Achsgetriebe (67), eine dritte Planetenübersetzungsstufe (48) und das erste Vorderrad (20) in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet sind, und dass hinsichtlich des von der zweiten elektrischen Maschine (17) ausgehenden Drehmomentenflusses die zweite elektrische Maschine (17), das zweite Achsgetriebe (67), eine vierte Planetenübersetzungsstufe (49) und das zweite Vorderrad (21) in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet sind. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass hinsichtlich eines von der zweiten elektrischen Maschine (17) ausgehenden Drehmomentenflusses die zweite elektrische Maschine (17), eine weitere Planetenübersetzungsstufe (57), das zweite Achsgetriebe (67a) und das erste Vorderrad (20) ausgehend von dem zweiten Achsgetriebe (67a) einerseits sowie das zweite Vorderrad (21) ausgehend von dem zweiten Achsgetriebe (67a) andererseits jeweils in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet sind. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass hinsichtlich des Drehmomentenflusses zwischen der weiteren Planetenübersetzungsstufe (57) und dem Achsgetriebe (67a) eine Parksperre (65) angebunden ist. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem elektrischen Antriebssystem (100, 100a) sowie mit einer Batterie (4), wobei das elektrische Antriebssystem (100, 100a) eine elektrisch angetriebene Vorderachse (2) und eine elektrisch angetriebenen Hinterachse (3) aufweist, wobei die elektrisch angetriebene Hinterachse (3) eine erste elektrische Maschine (5) aufweist, die einen ersten Rotor (6) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Hinterrad (7) und/oder ein zweites Hinterrad (10) der elektrische angetriebenen Hinterachse (3) anzutreiben, wobei die elektrisch angetriebene Vorderachse (2) eine zweite elektrische Maschine (17) aufweist, welche einen zweiten Rotor (18) aufweist, der dazu ausgebildet ist, über ein zweites Achsgetriebe (67, 67a) Vorderräder (20, 21) der elektrisch angetriebenen Vorderachse (2) anzutreiben, wobei der zweite Rotor (18) über das zweite Achsgetriebe (67, 67a) permanent mit einem ersten Vorderrad (20) sowie permanent mit einem zweiten Vorderrad (21) drehmomentübertragend gekoppelt ist, wobei eine erste schaltbare Freilaufkupplung (13) dazu ausgebildet ist, den ersten Rotor (6) drehmomentübertragend mit dem ersten Hinterrad (7) und/oder mit dem zweiten Hinterrad (10) zu koppeln, wobei die erste schaltbare Freilaufkupplung (13) einen ersten Aktor (13a) aufweist, wobei mittels der ersten schaltbaren Freilaufkupplung (13) in einem Vorwärts- Zugbetrieb der ersten elektrischen Maschine (5) die drehmomentübertragende Kopplung des ersten Rotors (6) mit dem ersten Hinterrad (7) und/oder dem zweiten Hinterrad (10) ohne eine Einwirkung des ersten Aktors (13a) hergestellt werden kann und in einem Vorwärts-Schubbetrieb oder einem Rückwärts- Zugbetrieb der ersten elektrischen Maschine (5) die drehmomentübertragende Kopplung des ersten Rotors (6) mit dem ersten Hinterrad (7) und/oder dem zweiten Hinterrad (10) mit der Einwirkung des ersten Aktors (13a) hergestellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel von einem Vorwärts-Zugbetrieb zu einem Vorwärts- Schubbetrieb der ersten elektrischen Maschine (5) die drehmomentübertragende Kopplung des ersten Rotors (6) mit dem ersten Hinterrad (7) und/oder dem zweiten Hinterrad (10) mittels der Einwirkung des ersten Aktors (13a) hergestellt wird, wenn unmittelbar vor dem genannten Wechsel eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges größer als ein Geschwindigkeitsschwellwert ist und wenn keine von einem Fahrer des Kraftfahrzeuges wählbare sportliche Betriebsweise des Kraftfahrzeuges eingestellt ist und wenn ein Ladungsgehalt der Batterie (4) kleiner als ein Ladungsgehaltschwellwert ist.
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