WO2024251647A1 - Antriebsstrang für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2024251647A1
WO2024251647A1 PCT/EP2024/065166 EP2024065166W WO2024251647A1 WO 2024251647 A1 WO2024251647 A1 WO 2024251647A1 EP 2024065166 W EP2024065166 W EP 2024065166W WO 2024251647 A1 WO2024251647 A1 WO 2024251647A1
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drive
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output
motor vehicle
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Arnim-Sebastian ROTTACH
Matthias WESA
Philipp NEIDHARDT
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ZF Friedrichshafen AG
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    • B60L2260/20—Drive modes; Transition between modes
    • B60L2260/28—Four wheel or all wheel drive

Definitions

  • the invention relates to a drive train for a motor vehicle, comprising a main drive device which is designed to output a main portion of a torque for driving the motor vehicle and a secondary drive device having at least one electric machine which is designed to output a secondary portion of the torque, which is at least temporarily lower than the main portion, for driving the motor vehicle by means of the at least one electric machine.
  • Such drive trains for motor vehicles which have a main drive device and a secondary drive device, are generally known from the prior art.
  • the main drive device is used to output or generate the main portion of the torque required to drive the motor vehicle, for example to represent regular operating states or primary cycles or continuous operation.
  • the secondary drive device is used to provide a secondary portion of the torque, which secondary portion is at least temporarily smaller than the main portion.
  • the secondary drive device is only used in certain driving states or driving situations, in particular to increase the total torque for the drive, namely to supplement the main portion with the secondary portion.
  • a total torque can thus optionally consist of the main portion or be output as a combination of the main portion and the secondary portion.
  • the secondary portion can, as described, be at least temporarily smaller than the main portion.
  • the term “secondary portion” can therefore be replaced throughout with the term “temporary secondary portion” and the description can be transferred accordingly.
  • the invention is based on the object of specifying an improved drive train for a motor vehicle, which is less complex, in particular while at least maintaining the same efficiency.
  • the invention relates to a drive train for a motor vehicle, which comprises a main drive device and a secondary drive device.
  • the main drive device is designed to output a main portion of a torque for driving the motor vehicle.
  • the secondary drive device has at least one electric machine and is designed to output a secondary portion of the torque for driving the motor vehicle, which is lower than the main portion.
  • the output of the main portion and the secondary portion is possible both simultaneously and independently of one another.
  • the main portion of the torque can be output in a primary operating cycle of the drive train, for example in order to realize regular driving of the motor vehicle.
  • a total torque can thus optionally consist of the main portion or, in particular in an assist state, be output as a combination of the main portion and the secondary portion.
  • the operation of the secondary drive device can be shorter in terms of both time and amount compared to the operation of the main drive device, so that over the operating time of the drive train, the secondary part is output both for a shorter time and in terms of amount than the main part of the torque.
  • the secondary component can be understood, for example, as an assist torque in order to increase the total torque for driving the motor vehicle, especially for a short time, in addition to the main component realized.
  • Different types of output are also possible, for example the main component on a first axle and the secondary component on a second axle.
  • the invention is based on the finding that the at least one electric machine of the secondary drive device has machine windings made of aluminum, wherein the at least one electric machine of the secondary drive device is coupled to an output of the drive train by means of a single-stage transmission device.
  • the secondary drive device which, as described, only outputs a secondary portion of the torque for driving the motor vehicle, the use of machine windings made of aluminum has a smaller effect on the overall efficiency of the drive train than the main portion of the torque.
  • the use of aluminum offers advantages in terms of effort and the weight or mass of the drive train, since aluminum, for example compared to copper, is significantly less complex in terms of manufacturing the secondary drive device and is also more advantageous in terms of the mass of the secondary drive device. Advantages are therefore achieved in terms of emissions and the mass of the drive train.
  • the combination means that the secondary drive device of the proposed drive train can work more efficiently than conventionally used secondary drive devices. Since the secondary portion of the torque for driving the motor vehicle is significantly lower than the main portion of the torque, the use of machine windings made of aluminum also has a smaller impact on efficiency, in particular less than the advantages that by reducing the mass and by using a single-stage transmission device, so that the overall efficiency of the drive train can be increased. In other words, the proposed combination of a secondary drive device with machine windings made of aluminum and a single-stage transmission device for coupling the electrical machine of the secondary drive device to the output provides a drive train that can be operated more efficiently.
  • machine windings made of aluminum is understood to mean in particular a design of electrical machines whose windings, for example in the stator and/or rotor, are made of aluminum, contain aluminum or contain certain aluminum compounds or aluminum alloys.
  • the machine windings can be made of pure aluminum or of any compounds or alloys or can contain aluminum.
  • the machine windings made of aluminum can be designed in such a way that they have aluminum as their main component.
  • the electrical machine of the secondary drive device is coupled to the drive train output via a single-stage transmission device.
  • a fixed gear stage can be implemented between the electrical machine and the drive train output.
  • the electrical machine is coupled to a wheel of the differential, for example a ring gear of the differential, by means of a wheel on the rotor shaft or connected to the rotor shaft.
  • no further pre-transmissions or further gear stages are provided between the electrical machine of the drive device and the drive train output, apart from the elements of the differential.
  • the coupling of the secondary drive device, in particular its electric machine, to the output is carried out via the single-stage transmission device.
  • the coupling of the secondary drive device to the output is designed without a separating clutch.
  • PDU power disconnect units
  • the efficient design of the transmission device as a single-stage transmission device means that there is no need for selective coupling and uncoupling of the secondary drive device, thus further simplifying the drive train with regard to coupling the secondary drive device.
  • the overall efficiency of the secondary drive device is increased, in particular compared to a drive device with copper windings and a multi-stage transmission device.
  • the efficiency in the operation of the electrical machine is initially reduced compared to the use of copper windings.
  • such an electrical machine is usually coupled to the output by means of a multi-stage transmission device, so that the efficiency of the secondary drive device of the drive train described here is lower compared to such drive concepts.
  • the combination of the machine windings made of aluminum with the single-stage transmission device is used in the operation of the secondary drive device, which is reduced compared to the main drive, in order to improve the overall efficiency of the drive train.
  • this can ensure that a reduced efficiency of the secondary drive device due to the machine windings, in particular compared to copper windings, is at least compensated for by an increased efficiency by means of the gear device, in particular compared to a multi-stage gear device.
  • the disadvantages introduced by the design of the machine windings from aluminum in relation to the efficiency of the secondary drive device in operation are significantly less significant compared to commonly used main drives, since the secondary drive device only drives a secondary part of the entire torque is provided.
  • the disadvantages affecting the overall efficiency are less pronounced compared to the ever-reducing advantages of the single-stage gear device, the reduction in mass and the reduction in expenditure compared to copper windings, so that the advantages outweigh the disadvantages and the overall efficiency can be increased.
  • the single-stage transmission device has a first transmission element coupled to a rotor shaft of the electric machine of the secondary drive device and a second transmission element coupled to a differential, in particular a wheel of the differential.
  • the electric machine of the secondary drive device is coupled to the output via the single-stage transmission device without pre-transmission, for example the first transmission element, for example a wheel on the rotor shaft of the electric machine, is coupled directly to the transmission element of the differential, for example the wheel of the differential.
  • the single-stage transmission device can implement a direct coupling, for example to a side shaft, so that a coupling to a differential can be omitted.
  • the secondary drive device of the drive train can also be designed to output the secondary portion of the torque in an assist state, in particular in an all-wheel drive state and/or a boost state and/or a starting state and/or a hill-climbing state and/or a trailer state.
  • the secondary portion of the torque is only output temporarily, in particular when required, and is therefore shorter and/or lower in amount than the main portion of the torque.
  • the torque for driving the motor vehicle can be covered by the main portion in regular operating states, for example a primary cycle or continuous operation.
  • a support state can be assumed in which the secondary portion of the torque is output, in particular in addition to the main portion of the torque. Such a support state occurs specifically only temporarily and/or when required.
  • such an assistance state can be triggered when, in an all-wheel drive state, the secondary drive device provides torque for the implementation of all-wheel drive operation.
  • the assistance state can be assumed in a boost state in which the secondary drive device outputs additional torque by outputting the secondary portion.
  • Another assistance state can be a starting state in which the total torque is increased by the secondary drive device by outputting the secondary portion of the torque in order to start driving.
  • the secondary portion of the torque can also be output in addition to the main portion in order to operate the motor vehicle on a hill.
  • trailer states in which an increased torque is required by the motor vehicle due to the trailer being towed.
  • the torque required in addition to the main portion can, in particular temporarily, be provided by the secondary portion of the torque and thus by the secondary drive device.
  • a power electronics device is arranged in the axial direction on the transmission device or in the radial direction on the electric machine.
  • the power electronics device can be arranged in any radial direction, for example outside the stator of the electric machine or outside on a stator base body of the stator of the electric machine. It is also possible to arrange the power electronics device in the axial direction adjacent to the electric machine, for example on a side surface of the transmission device.
  • the invention in addition to the drive train, relates to a secondary drive device for a previously described drive train, wherein the at least one electric machine of the secondary drive device has machine windings made of aluminum, wherein the at least one electric machine can be or is coupled to an output of the drive train by means of a single-stage transmission device.
  • the invention further relates to an electric axle drive having such a secondary drive device.
  • the invention relates to a motor vehicle having a previously described electric axle drive and/or a previously described secondary drive device and/or a previously described drive train.
  • Fig. 1 shows a section of a drive train for a motor vehicle according to a first embodiment
  • Fig. 2 shows a section of a drive train for a motor vehicle according to a second embodiment.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a drive train 1 for a motor vehicle (not shown in detail).
  • the drive train 1 has a main drive device 2, which is assigned, for example, to a front axle 3 and is designed to output a majority of a torque for driving the motor vehicle or the drive train 1.
  • the main drive device 2 can also be assigned to a rear axle.
  • the main drive device 2 can have an electric machine.
  • the main drive device 2 can have an internal combustion engine.
  • Combinations are also possible in which the main drive device 2 is designed as a hybrid and thus has an internal combustion engine and at least one electric machine.
  • the assignment of the main drive device 2 to the front axle 3 is to be understood as an example only.
  • the drive train 1 also has a secondary drive device 5 with an electric machine 6.
  • the secondary drive device 5 is designed to generate a secondary portion of the torque by means of the electric machine 6 and to output it to an output 7 of the drive train 1.
  • the secondary drive device 5 is assigned to the rear axle 4 only schematically, although, as already described above, any other assignment of the main drive device 2 and the secondary drive device 5 is possible.
  • the secondary drive device 5 can also be designed as an electric drive axle or electric axle drive.
  • the secondary drive device 5 can also be assigned directly to an output element, for example a side shaft.
  • the secondary portion output by the secondary drive device 5 is smaller than the main portion of the torque output by the main drive device 2.
  • the secondary portion is output for a shorter time than the main portion, namely for a limited period of time, specifically only when required.
  • the secondary portion can also be smaller in terms of amount than the main portion of the torque.
  • the electric machine 6 of the secondary drive device 5 has machine windings that are made of aluminum or have aluminum.
  • machine windings made of aluminum is understood to mean any combination in which the machine windings have aluminum, in particular as the main component, in particular pure aluminum, aluminum alloys or aluminum compounds.
  • the secondary drive device 5 is connected to the output 7 via a single-stage gear device 8.
  • a first gear element 9 is arranged on the rotor shaft 10 of the electric machine 6, which meshes with a second gear element 11 of a differential, for example the wheel of the differential.
  • the coupling of the secondary drive device 5, in particular the electric machine 6, to the output 7 is designed without a separating clutch, i.e. the electric machine 6 remains constantly connected to the output 7.
  • Mass of the electrical machine 6 by designing the machine windings from Aluminum increases the overall efficiency of the secondary drive device 5 and thus of the entire drive train 1.
  • the reduction in electrical efficiency through the use of aluminum is at least compensated for or exceeded by the increase in overall efficiency described above.
  • the mass is reduced and the combination with the single-stage transmission device 8 increases the overall efficiency compared to the use of multi-stage transmission devices.
  • the secondary drive device 5 Since the secondary drive device 5 is used to output the secondary portion, which is output in a smaller amount and in a smaller time relative to the main portion, the effects of the machine windings made of aluminum on the electrical efficiency are less significant.
  • the secondary drive device 5 can only be used in assist states, for example in an all-wheel drive state and/or a boost state and/or a starting state and/or a hill climbing state and/or a trailer state.
  • a power electronics device 12 is designed, which is designed in particular to control the electric machine 6.
  • the power electronics device 12 is arranged in the radial direction on the electric machine 6 of the secondary drive device 5.
  • Fig. 2 shows a different embodiment, whereby basically the same reference numerals are used for the same components. The functionality and all other advantages, details and features that were described in relation to the drive train 1 of Fig. 1 are completely transferable to the drive train 1 in Fig. 2.
  • the main drive device 2 is hidden.
  • the power electronics device 12 is arranged in the axial direction on the transmission device 8.
  • the single-stage design of the transmission device 8 means that it can be arranged in any radial direction on the electrical machine 6, as shown in Fig. 1, or in the axial direction on the transmission device 8, as shown in Fig. 2.
  • the drive train 1 is in particular a component of a motor vehicle (not shown in detail).
  • a motor vehicle can have the drive train 1.
  • the secondary drive device 5 for such a drive train 1 can, as also described, also be a component of an electric axle drive. All advantages, details and features that were described with regard to the drive train 1 are fully transferable to the motor vehicle, the secondary drive device 5 and the electric axle drive.

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Abstract

Antriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hauptantriebseinrichtung (2), die dazu ausgebildet ist, einen Hauptanteil eines Drehmoments für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs auszugeben und eine wenigstens eine elektrische Maschine (6) aufweisende Sekundärantriebseinrichtung (5), die dazu ausgebildet ist, einen gegenüber dem Hauptanteil zumindest temporär geringeren Sekundäranteil des Drehmoments für den Antrieb des Kraftfahrzeugs mittels der wenigstens einen elektrischen Maschine (6) auszugeben, wobei die wenigstens eine elektrische Maschine (6) der Sekundärantriebseinrichtung (5) Maschinenwicklungen aus Aluminium aufweist, wobei die wenigstens eine elektrische Maschine (6) mittels einer einstufigen Getriebeeinrichtung (8) mit einem Abtrieb (7) des Antriebsstrangs (1) gekoppelt ist.

Description

Antriebsstranq für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hauptantriebseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Hauptanteil eines Drehmoments für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs auszugeben und eine wenigstens eine elektrische Maschine aufweisende Sekundärantriebseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen gegenüber dem Hauptanteil zumindest temporär geringeren Sekundäranteil des Drehmoments für den Antrieb des Kraftfahrzeugs mittels der wenigstens einen elektrischen Maschine auszugeben.
Derartige Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge, die eine Hauptantriebseinrichtung und eine Sekundärantriebseinrichtung aufweisen, sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Die Hauptantriebseinrichtung wird dazu verwendet, den Hauptanteil des Drehmoments, das für den Antrieb des Kraftfahrzeugs benötigt wird, auszugeben bzw. zu erzeugen, beispielsweise reguläre Betriebszustände bzw. Primärzyklen oder Dauerbetriebe abzubilden. Die Sekundärantriebseinrichtung wird demgegenüber zur Bereitstellung eines Sekundäranteils des Drehmoments verwendet, welcher Sekundäranteil zumindest temporär gegenüber dem Hauptanteil geringer ist. Beispielsweise wird die Sekundärantriebseinrichtung nur in bestimmten Fahrzuständen oder Fahrsituationen verwendet, insbesondere um das gesamte Drehmoment für den Antrieb zu erhöhen, nämlich den Hauptanteil um den Sekundäranteil zu ergänzen. Somit kann ein Gesamtdrehmoment wahlweise aus dem Hauptanteil bestehen oder als Kombination aus dem Hauptanteil und dem Sekundäranteil ausgegeben werden. Der Sekundäranteil kann, wie beschrieben, zumindest temporär geringer sein als der Hauptanteil. Im Nachfolgenden kann der Begriff „Sekundäranteil“ daher durchweg mit dem Begriff „temporärer Sekundäranteil“ ersetzt und die Beschreibung entsprechend übertragen werden.
Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass elektrische Maschinen für Antriebseinrichtungen Maschinenwicklungen aus verschiedenen Materialien aufweisen können, wobei aus Gründen der Effizienz üblicherweise Kupferwicklungen verwendet werden. Zwar ist es grundsätzlich bekannt, dass neben Kupferwicklungen auch andere Metalle für die Ausführung von Wicklungen verwendet werden können, wobei durch ein fortwährendes Bestreben nach immer effizienteren elektrischen Antrieben, derartige Ausführungen üblicherweise nicht realisiert werden, um einen möglichst effizienten Antriebsstrang ausbilden zu können. Die Herstellung bzw. Bereitstellung von elektrischen Maschinen mit Kupferwicklungen besitzt jedoch Nachteile in Bezug auf die Nachfrage von Kupfer als Werkstoff sowie den damit zusammenhängenden Aufwand sowie der gegenüber anderen Werkstoffen erhöhten Dichte bzw. Masse.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug anzugeben, der insbesondere bei zumindest gleichbleibender Effizienz weniger aufwendig ist.
Die Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wie beschrieben, betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, der eine Hauptantriebseinrichtung und eine Sekundärantriebseinrichtung umfasst. Die Hauptantriebseinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Hauptanteil eines Drehmoments für den Antrieb des Kraftfahrzeugs auszugeben. Die Sekundärantriebseinrichtung verfügt über wenigstens eine elektrische Maschine und ist dazu ausgebildet, einen Sekundäranteil des Drehmoments für den Antrieb des Kraftfahrzeugs auszugeben, der gegenüber dem Hauptanteil geringer ist. Im Rahmen dieser Anmeldung ist die Ausgabe des Hauptanteils und des Sekundäranteil sowohl gleichzeitig als auch unabhängig voneinander möglich. Insbesondere kann der Hauptanteil des Drehmoments in einem primären Betriebszyklus des Antriebsstrangs ausgegeben werden, beispielsweise um einen regulären Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs zu realisieren. Somit kann ein Gesamtdrehmoment wahlweise aus dem Hauptanteil bestehen oder, insbesondere in einem Unterstützungszustand, als Kombination aus dem Hauptanteil und dem Sekundäranteil ausgegeben werden.
Der Betrieb der Sekundärantriebseinrichtung kann gegenüber dem Betrieb der Hauptantriebseinrichtung sowohl zeitlich als auch betragsmäßig geringer ausfallen, sodass über die Betriebsdauer des Antriebsstrangs betrachtet, der Sekundäranteil sowohl zeitlich kürzer als auch betragsmäßig geringer ausgegeben wird als der Hauptanteil des Drehmoments. Hierbei sind, insbesondere in Abhängigkeit von vorliegenden Betriebszuständen, Fahrtzuständen oder Fahrsituationen unterschiedliche Verteilungen von Hauptanteil und Sekundäranteil möglich. Der Sekundäranteil kann beispielsweise als Unterstützungsdrehmoment verstanden werden, um zusätzlich zu dem realisierten Hauptanteil das gesamte Drehmoment für den Antrieb des Kraftfahrzeugs, insbesondere kurzzeitig, zu erhöhen. Ebenso sind verschiedene Ausgabearten möglich, zum Beispiel den Hauptanteil auf einer erste Achse und den Sekundäranteil auf eine zweite Achse.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die wenigstens eine elektrische Maschine der Sekundärantriebseinrichtung Maschinenwicklungen aus Aluminium aufweist, wobei die wenigstens eine elektrische Maschine der Sekundärantriebseinrichtung mittels einer einstufigen Getriebeeinrichtung mit einem Abtrieb des Antriebsstrangs gekoppelt ist. Im Wege der Erfindung wurde somit erkannt, dass für die Sekundärantriebseinrichtung, die, wie beschrieben, lediglich einen Sekundäranteil des Drehmoments für den Antrieb des Kraftfahrzeugs ausgibt, die Verwendung von Maschinenwicklungen aus Aluminium eine gegenüber dem Hauptanteil des Drehmoments geringere Auswirkungen auf die Gesamteffizienz des Antriebsstrangs besitzt. Demgegenüber werden bei der Verwendung von Aluminium Vorteile bezüglich des Aufwands und des Gewichts bzw. der Masse des Antriebsstrangs realisiert, da Aluminium, beispielsweise im Vergleich zu Kupfer, deutlich weniger aufwendig bezüglich der Herstellung der Sekundärantriebseinrichtung als auch vorteilhafter bezüglich der Masse der Sekundärantriebseinrichtung ist. Es werden daher Vorteile bzgl. der Emissionen sowie der Masse des Antriebsstrangs erzielt.
Weiterhin wurde erkannt, dass durch die Kombination der elektrischen Maschine der Sekundärantriebseinrichtung mit Maschinenwicklungen aus Aluminium und der Kopplung der elektrischen Maschine an den Abtrieb des Antriebsstrangs durch eine einstufige Getriebeeinrichtung eine Erhöhung der Effizienz der Sekundärantriebseinrichtung und somit des gesamten Antriebsstrangs erreicht werden kann. Im Speziellen bewirkt die Kombination, dass die Sekundärantriebseinrichtung des vorgeschlagenen Antriebsstrangs gegenüber üblicherweise verwendeten Sekundärantriebseinrichtung effizienter arbeiten kann. Da der Sekundäranteil des Drehmoments für den Antrieb des Kraftfahrzeugs deutlich geringer ausfällt als der Hauptanteil des Drehmoments, bewirkt die Verwendung von Maschinenwicklungen aus Aluminium auch geringere Auswirkungen auf die Effizienz, insbesondere geringer als die Vorteile, die durch die Reduzierung der Masse und durch Verwendung einer einstufigen Getriebeeinrichtung, erzielt werden, sodass die Gesamteffizienz des Antriebsstrangs erhöht werden kann. Mit anderen Worten wird durch die vorgeschlagene Kombination einer Sekundärantriebseinrichtung mit Maschinenwicklungen aus Aluminium und einer einstufigen Getriebeeinrichtung für die Kopplung der elektrischen Maschine der Sekundärantriebseinrichtung an den Abtrieb ein Antriebsstrang bereitgestellt, der effizienter betrieben werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Formulierung „Maschinenwicklungen aus Aluminium“ insbesondere eine Ausführung von elektrischen Maschinen verstanden, deren Wicklungen, beispielsweise im Stator und/oder Rotor, aus Aluminium bestehen, Aluminium aufweisen oder bestimmte Aluminiumverbindungen oder Aluminiumlegierungen aufweisen. Mit anderen Worten können die Maschinenwicklungen aus reinem Aluminium oder aus beliebigen Verbindungen oder Legierungen bestehen oder solche aufweisen, die Aluminium enthalten. Im Speziellen können die Maschinenwicklungen aus Aluminium derart ausgestaltet sein, dass diese Aluminium als Hauptbestandteil aufweisen.
Die Kopplung der elektrischen Maschine der Sekundärantriebseinrichtung an den Abtrieb des Antriebsstrangs erfolgt, wie beschrieben, über eine einstufige Getriebeeinrichtung. Dabei kann insbesondere eine feste Gangstufe zwischen der elektrischen Maschine und dem Abtrieb des Antriebsstrangs realisiert sein. Beispielsweise ist die elektrische Maschine mit einem auf der Rotorwelle oder mit der Rotorwelle verbundenen Rad mit einem Rad des Differenzials gekoppelt, zum Beispiel einem Tellerrad des Differenzials. Im Speziellen werden keine weiteren Vorübersetzungen oder weitere Getriebestufen zwischen der elektrischen Maschine der Antriebseinrichtung und dem Abtrieb des Antriebsstrangs, abgesehen von den Elementen des Differenzials, vorgesehen.
Wie beschrieben, erfolgt die Kopplung der Sekundärantriebseinrichtung, insbesondere deren elektrischer Maschine, an den Abtrieb, über die einstufige Getriebeeinrichtung. In einer Ausgestaltung des Antriebsstrangs kann vorgesehen sein, dass die Kopplung der Sekundärantriebseinrichtung an den Abtrieb trennkupplungsfrei ausgebildet ist. In der Ausgestaltung wird insbesondere vorgeschlagen, dass üblicherweise im Stand der Technik verwendete Trennkupplungen, sogenannte „power disconnect units“ (PDU) entfallen können. Durch die effiziente Ausführung der Getriebeeinrichtung als einstufige Getriebeeinrichtung kann auf ein wahlweises Ankoppeln und Abkoppeln der Sekundärantriebseinrichtung verzichtet werden und somit der Antriebsstrang bezüglich der Ankopplung der Sekundärantriebseinrichtung weiter vereinfacht werden. Durch den Verzicht auf eine Trennkupplung wird ferner die Masse, die Bereitstellung und die Montage sowie die Steuerung des Betriebs des Antriebsstrangs, insbesondere hinsichtlich der Betriebszustände der Sekundärantriebseinrichtung, weiter vereinfacht.
In einer Weiterbildung des Antriebsstrangs kann vorgesehen sein, dass eine Gesamteffizienz der Sekundärantriebseinrichtung, insbesondere gegenüber einer Antriebseinrichtung mit Kupferwicklungen und mehrstufiger Getriebeeinrichtung, erhöht ist. Wie eingangs beschrieben, wird aufgrund der Verwendung der Maschinenwicklungen aus Aluminium die Effizienz im Betrieb der elektrischen Maschine gegenüber einer Verwendung von Kupferwicklungen zunächst reduziert. Im Stand der Technik wird jedoch eine solche elektrische Maschine üblicherweise mittels einer mehrstufigen Getriebeeinrichtung an den Abtrieb angekoppelt, sodass die Effizienz der Sekundärantriebseinrichtung des hierin beschriebenen Antriebsstrangs gegenüber solchen Antriebskonzepten geringer ist. Wie bereits beschrieben, wird insbesondere die Kombination der Maschinenwicklungen aus Aluminium mit der einstufigen Getriebeeinrichtung im Betrieb der Sekundärantriebseinrichtung, der gegenüber dem Hauptantrieb reduziert ist, ausgenutzt, um die Gesamteffizienz des Antriebsstrangs zu verbessern.
Im Speziellen kann dadurch erreicht werden, dass eine aufgrund der Maschinenwicklungen, insbesondere gegenüber Kupferwicklungen, reduzierte Effizienz der Sekundärantriebseinrichtung durch eine mittels der Getriebeeinrichtung, insbesondere gegenüber einer mehrstufigen Getriebeeinrichtung, erhöhte Effizienz zumindest ausgeglichen ist. In der beschriebenen Ausgestaltung wurde erkannt, dass die durch die Ausführung der Maschinenwicklungen aus Aluminium eingebrachten Nachteile in Bezug auf die Effizienz der Sekundärantriebseinrichtung im Betrieb gegenüber üblicherweise verwendeten Hauptantrieben deutlich weniger ins Gewicht fallen, da durch die Sekundärantriebseinrichtung lediglich ein Sekundäranteil des gesamten Drehmoments bereitgestellt wird. Somit sind die auf die Gesamteffizienz wirkenden Nachteile gegenüber den stets reduzierten Vorteilen bezüglich der einstufigen Getriebeeinrichtung, der Massereduzierung und der Reduzierung des Aufwands gegenüber Kupferwicklungen weniger ausgeprägt, sodass die Vorteile überwiegen und die Gesamteffizienz erhöht werden kann.
In einer Ausgestaltung des Antriebsstrangs kann vorgesehen sein, dass die einstufige Getriebeeinrichtung ein mit einer Rotorwelle der elektrischen Maschine der Sekundärantriebseinrichtung gekoppeltes erstes Getriebeelement und ein mit einem Differenzial gekoppeltes zweites Getriebeelement, insbesondere ein Rad des Differenzials, aufweist. Wie beschrieben, wird die elektrische Maschine der Sekundärantriebseinrichtung über die einstufige Getriebeeinrichtung ohne Vorübersetzung mit dem Abtrieb gekoppelt, beispielsweise wird das erste Getriebeelement, zum Beispiel ein Rad auf der Rotorwelle der elektrischen Maschine, direkt mit dem Getriebeelement des Differenzials, zum Beispiel dem Rad des Differenzials, gekoppelt. Alternativ kann die einstufige Getriebeeinrichtung eine direkte Ankopplung, zum Beispiel an eine Seitenwelle, realisieren, sodass eine Ankopplung an ein Differenzial entfallen kann.
Die Sekundärantriebseinrichtung des Antriebsstrangs kann ferner dazu ausgebildet sein, den Sekundäranteil des Drehmoments in einem Unterstützungszustand auszugeben, insbesondere in einem Allradzustand und/oder einem Boost-Zustand und/oder einem Anfahrzustand und/oder einem Bergfahrzustand und/oder einem Anhängerzustand. Wie beschrieben, wird der Sekundäranteil des Drehmoments nur zeitweise, insbesondere bedarfsweise, somit kürzer und/oder betragsmäßig geringer als der Hauptanteil des Drehmoments ausgegeben. Im Speziellen kann das Drehmoment für den Antrieb des Kraftfahrzeugs durch den Hauptanteil in regulären Betriebszuständen, zum Beispiel einem Primärzyklus oder Dauerbetrieb, abgedeckt werden. In Speziellen Betriebszuständen oder Fahrsituation kann ein Unterstützungszustand eingenommen werden, in dem, insbesondere zusätzlich zu dem Hauptanteil des Drehmoments, der Sekundäranteil des Drehmoments ausgegeben wird. Ein solcher Unterstützungszustand tritt im Speziellen nur zeitweise und/oder bedarfsweise auf. Beispielsweise kann ein solcher Unterstützungszustand ausgelöst werden, wenn in einem Allradzustand die Sekundärantriebseinrichtung Drehmoment für die Realisierung eines Allradbetriebs bereitstellt. Weiterhin kann der Unterstützungszustand in einem Boost-Zustand eingenommen werden, in dem die Sekundärantriebseinrichtung zusätzliches Drehmoment durch Ausgeben des Sekundäranteils ausgibt. Ein weiterer Unterstützungszustand kann ein Anfahrzustand darstellen, in dem mittels der Sekundärantriebseinrichtung das gesamte Drehmoment durch Ausgabe des Sekundäranteils des Drehmoments erhöht wird, um anzufahren. Weiterhin kann in einem Bergfahrzustand, beispielsweise in Abhängigkeit der Fahrbahnsteigung, zusätzlich zu dem Hauptanteil auch der Sekundäranteil des Drehmoments ausgegeben werden, um das Kraftfahrzeug am Berg zu betreiben. Eine weitere Möglichkeit stellen Anhängerzustände dar, bei dem aufgrund des gezogenen Anhängers durch das Kraftfahrzeug ein erhöhtes Drehmoment gefordert wird. Das zusätzlich zu dem Hauptanteil geforderte Drehmoment kann, insbesondere zeitweise, durch den Sekundäranteil des Drehmoments und somit durch die Sekundärantriebseinrichtung bereitgestellt werden.
Nach einer Weiterbildung des Antriebsstrangs kann vorgesehen sein, dass eine Leistungselektronikeinrichtung in Axialrichtung an der Getriebeeinrichtung oder in Radialrichtung an der elektrischen Maschine angeordnet ist. Insbesondere aufgrund der Ausführung der Getriebeeinrichtung als einstufige Getriebeeinrichtung kann die Anordnung der Leistungselektronikeinrichtung beliebig in Radialrichtung erfolgen, beispielsweise außerhalb des Stators der elektrischen Maschine bzw. außen an einem Statorgrundkörper des Stators der elektrischen Maschine. Ebenso ist es möglich, die Leistungselektronikeinrichtung in Axialrichtung benachbart zu der elektrischen Maschine anzuordnen, zum Beispiel an einer Seitenfläche der Getriebeeinrichtung.
Neben dem Antriebsstrang betrifft die Erfindung eine Sekundärantriebseinrichtung für einen zuvor beschriebenen Antriebsstrang, wobei die wenigstens eine elektrische Maschine der Sekundärantriebseinrichtung Maschinenwicklungen aus Aluminium aufweist, wobei die wenigstens eine elektrische Maschine mittels einer einstufigen Getriebeeinrichtung mit einem Abtrieb des Antriebsstrangs koppelbar oder gekoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb, der eine solche Sekundärantriebseinrichtung aufweist. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das einen zuvor beschriebenen elektrischen Achsantrieb und/oder eine zuvor beschriebene Sekundärantriebseinrichtung und/oder einen zuvor beschriebenen Antriebsstrang aufweist.
Sämtliche Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf den Antriebsstrang beschrieben wurden, sind vollständig auf die Sekundärantriebseinrichtung, den elektrischen Achsantrieb und das Kraftfahrzeug übertragbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Fig. erläutert. Die Fig. sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug nach einem ersten Ausführungsbeispiel; und
Fig. 2 einen Ausschnitt eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Antriebsstrangs 1 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang 1 weist eine Hauptantriebseinrichtung 2 auf, die beispielsweise einer Vorderachse 3 zugeordnet ist und dazu ausgebildet ist, einen Hauptanteil eines Drehmoments für den Antrieb des Kraftfahrzeugs bzw. des Antriebsstrangs 1 auszugeben. Anstelle der Vorderachse 3 kann die Hauptantriebseinrichtung 2 auch einer Hinterachse zugeordnet sein. Die Hauptantriebseinrichtung 2 kann eine elektrische Maschine aufweisen. Alternativ kann die Hauptantriebseinrichtung 2 einen Verbrennungsmotor aufweisen. Ebenso sind Kombinationen möglich, bei denen die Hauptantriebseinrichtung 2 als Hybrid ausgebildet ist und somit einen Verbrennungsmotor und wenigstens eine elektrische Maschine aufweist. Die Zuordnungen der Hauptantriebseinrichtung 2 zu der Vorderachse 3 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Diese kann auch der Hinterachse 4 oder in Kombination sowohl der Hinterachse 4 als auch der Vorderachse 3 zugeordnet sein und ausgebildet sein, den Hauptanteil des Drehmoments entsprechend auszugeben. Ferner weist der Antriebsstrang 1 eine Sekundärantriebseinrichtung 5 mit einer elektrischen Maschine 6 auf. Die Sekundärantriebseinrichtung 5 ist dazu ausgebildet, einen Sekundäranteil des Drehmoments mittels der elektrischen Maschine 6 zu erzeugen und auf einen Abtrieb 7 des Antriebsstrangs 1 auszugeben. Lediglich schematisch ist die Sekundärantriebseinrichtung 5 der Hinterachse 4 zugeordnet, wobei, wie bereits zuvor beschrieben, eine beliebige anderweitige Zuordnung von Hauptantriebseinrichtung 2 und Sekundärantriebseinrichtung 5 möglich ist. Die Sekundärantriebseinrichtung 5 kann auch als elektrische Antriebsachse bzw. elektrischer Achsantrieb ausgeführt werden. Die Sekundärantriebseinrichtung 5 kann auch direkt einem Abtriebselement zugeordnet werden, beispielsweise einer Seitenwelle.
Der von der Sekundärantriebseinrichtung 5 ausgegebene Sekundäranteil ist gegenüber dem Hauptanteil des Drehmoments, das von Hauptantriebseinrichtung 2 ausgegeben wird, geringer. Insbesondere wird der Sekundäranteil kürzer ausgegeben als der Hauptanteil, nämlich zeitweise begrenzt, im Speziellen nur bedarfsweise. Auch betragsmäßig kann der Sekundäranteil geringer sein als der Hauptanteil des Drehmoments.
Die elektrische Maschine 6 der Sekundärantriebseinrichtung 5 weist Maschinenwicklungen auf, die aus Aluminium hergestellt sind bzw. Aluminium aufweisen. Wie beschrieben, wird unter der Formulierung „Maschinenwicklungen aus Aluminium“ jedwede Kombination verstanden, in der die Maschinenwicklungen Aluminium, insbesondere als Hauptbestandteil, aufweisen, insbesondere reines Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Aluminiumverbindungen. Weiterhin ist ersichtlich, dass die Sekundärantriebseinrichtung 5 über eine einstufige Getriebeeinrichtung 8 mit dem Abtrieb 7 verbunden ist. Beispielsweise ist ein erstes Getriebeelement 9 auf der Rotorwelle 10 der elektrischen Maschine 6 angeordnet, das mit einem zweiten Getriebeelement 1 1 eines Differenzials kämmt, beispielsweise dem dem Rad des Differenzials. Die Kopplung der Sekundärantriebseinrichtung 5, insbesondere der elektrischen Maschine 6, an den Abtrieb 7 ist trennkupplungsfrei ausgeführt, d. h., dass die elektrische Maschine 6 stetig mit dem Abtrieb 7 verbunden bleibt.
Vorteilhafterweise wird durch die einstufige Ausführung sowie die Reduzierung der
Masse der elektrischen Maschine 6 durch Ausführung der Maschinenwicklungen aus Aluminium eine Erhöhung der Gesamteffizienz der Sekundärantriebseinrichtung 5 und somit des gesamten Antriebsstrangs 1 erreicht. Die Reduzierung der elektrischen Effizienz durch Verwendung von Aluminium wird insbesondere durch die zuvor beschriebene Erhöhung der Gesamteffizienz zumindest ausgeglichen oder überschritten. Gegenüber üblicherweise verwendeten elektrische Maschinen mit Kupferwicklungen wird somit zum einen die Masse reduziert und durch die Kombination mit der einstufigen Getriebeeinrichtung 8 die Gesamteffizienz gegenüber einer Verwendung mehrstufiger Getriebeeinrichtung erhöht.
Da die Sekundärantriebseinrichtung 5 dazu verwendet wird, den Sekundäranteil auszugeben, der bezüglich des Hauptanteil betragsmäßig und zeitmäßig geringer ausgegeben wird, fallen die Auswirkungen der Maschinenwicklungen aus Aluminium bezüglich der elektrischen Effizienz weniger stark ins Gewicht. Insbesondere kann die Sekundärantriebseinrichtung 5 lediglich in Unterstützungszuständen verwendet werden, beispielsweise in einem Allradzustand und/oder einem Boost-Zustand und/oder einem Anfahrzustand und/oder einem Bergfahrzustand und/oder einem Anhängerzustand.
Vorteilhafterweise ergibt sich daraus, dass eine weniger aufwändige Ausführung der Maschinenwicklungen aus Aluminium in der elektrischen Maschine 6 der Sekundärantriebseinrichtung 5 umgesetzt werden kann, die durch die Kombination mit der einstufigen Getriebeeinrichtung 8 aufgrund der Betriebsweise der Sekundärantriebseinrichtung 5 zu einer Verbesserung der Gesamteffizienz des Antriebsstrangs 1 beiträgt und ferner eine aufwändige Ausführung der Maschinenwicklungen aus Kupfer verzichtbar macht.
In Fig. 1 ist eine Leistungselektronikeinrichtung 12 ausgebildet, die insbesondere zur Steuerung der elektrischen Maschine 6 ausgebildet ist. In Fig. 1 ist die Leistungselektronikeinrichtung 12 in Radialrichtung an der elektrischen Maschine 6 der Sekundärantriebseinrichtung 5 angeordnet. Fig. 2 zeigt hierzu ein abweichendes Ausführungsbeispiel, wobei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile verwendet werden. Die Funktionsweise und sämtliche anderen Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf den Antriebsstrang 1 von Fig. 1 beschrieben wurden, sind vollständig auf den Antriebsstrang 1 in Fig. 2 übertragbar. In Fig. 2 ist beispielhaft die Hauptantriebseinrichtung 2 ausgeblendet. In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist die Leistungselektronikeinrichtung 12 in Axialrichtung an der Getriebeeinrichtung 8 angeordnet. Ersichtlich kann durch die einstufige Ausführung der Getriebeeinrichtung 8 eine Anordnung beliebig in Radialrichtung an der elektrischen Maschine 6, wie in Fig. 1 gezeigt, oder in Axialrichtung an der Getriebeeinrichtung 8 erfolgen, wie in Fig. 2 gezeigt.
Wie eingangs beschrieben, stellt der Antriebsstrang 1 insbesondere einen Bestandteil eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs dar. Ein solches Kraftfahrzeug kann den Antriebsstrang 1 aufweisen. Die Sekundärantriebseinrichtung 5 für einen solchen Antriebsstrang 1 kann, wie ebenfalls beschrieben, auch Bestandteil eines elektrischen Achsantriebs sein. Sämtliche Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf den Antriebsstrang 1 beschrieben wurden, sind vollständig auf das Kraftfahrzeug, die Sekundärantriebseinrichtung 5 und den elektrischen Achsantrieb übertragbar.
Bezuqszeichen
Antriebsstrang
Hauptantriebseinrichtung
Vorderachse
Hinterachse
Sekundärantriebseinrichtung elektrische Maschine
Abtrieb
Getriebeeinrichtung erstes Getriebeelement
Rotorwelle zweites Getriebeelement
Leistungselektronikeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Antriebsstrang (1 ) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hauptantriebseinrichtung (2), die dazu ausgebildet ist, einen Hauptanteil eines Drehmoments für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs auszugeben und eine wenigstens eine elektrische Maschine (6) aufweisende Sekundärantriebseinrichtung (5), die dazu ausgebildet ist, einen gegenüber dem Hauptanteil zumindest temporär geringeren Sekundäranteil des Drehmoments für den Antrieb des Kraftfahrzeugs mittels der wenigstens einen elektrischen Maschine (6) auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrische Maschine (6) der Sekundärantriebseinrichtung (5) Maschinenwicklungen aus Aluminium aufweist, wobei die wenigstens eine elektrische Maschine (6) mittels einer einstufigen Getriebeeinrichtung (8) mit einem Abtrieb (7) des Antriebsstrangs (1 ) gekoppelt ist.
2. Antriebsstrang (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung der Sekundärantriebseinrichtung (5) an den Abtrieb (7) trennkupplungsfrei ausgebildet ist.
3. Antriebsstrang (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamteffizienz der Sekundärantriebseinrichtung (5), insbesondere gegenüber einer Antriebseinrichtung mit Kupferwicklungen und mehrstufiger Getriebeeinrichtung, erhöht ist.
4. Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aufgrund der Maschinenwicklungen, insbesondere gegenüber Kupferwicklungen, reduzierte Effizienz der Sekundärantriebseinrichtung (5) durch eine mittels der Getriebeeinrichtung (8), insbesondere gegenüber einer mehrstufigen Getriebeeinrichtung, erhöhte Effizienz zumindest ausgeglichen ist.
5. Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einstufige Getriebeeinrichtung (8) ein mit einer Rotorwelle (10) der elektrischen Maschine (6) der Sekundärantriebseinrichtung (5) gekoppeltes erstes Getriebeelement (9) und ein mit einem Differenzial gekoppeltes zweites Getriebeelement (1 1 ), insbesondere ein Rad des Differenzials, aufweist.
6. Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärantriebseinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, in Sekundäranteil des Drehmoments in einem Unterstützungszustand auszugeben, insbesondere in einem Allradzustand und/oder einem Boost-Zustand und/oder einem Anfahrzustand und/oder einem Bergfahrzustand und/oder einem Anhängerzustand.
7. Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungselektronikeinrichtung (12) in Axialrichtung an der Getriebeeinrichtung (8) oder in Radialrichtung an der elektrischen Maschine (6) angeordnet ist.
8. Sekundärantriebseinrichtung (5) für einen Antriebsstrang (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrische Maschine (6) der Sekundärantriebseinrichtung (5) Maschinenwicklungen aus Aluminium aufweist, wobei die wenigstens eine elektrische Maschine (6) mittels einer einstufigen Getriebeeinrichtung (8) mit einem Abtrieb (7) des Antriebsstrangs (1 ) koppelbar oder gekoppelt ist.
9. Elektrischer Achsantrieb, umfassend wenigstens eine Sekundärantriebseinrichtung (5) nach dem vorangehenden Anspruch.
10. Kraftfahrzeug, umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach dem vorangehenden Anspruch und/oder eine Sekundärantriebseinrichtung (5) nach Anspruch 8 und/oder einen Antriebsstrang (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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