DE10057096B4 - Starter-Generator-Vorrichtung - Google Patents
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Abstract
Starter-Generator-Vorrichtung
für Kraftfahrzeuge,
mit einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor,
die im Kraftfluss zwischen einer Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine
und der Antriebswelle eines Geschwindigkeits-Wechselgetriebes angeordnet
ist, wobei der Rotor mit einem Planetengetriebe zusammenwirkt und
eine Kupplung zum Deaktivieren des Planetengetriebes vorgesehen
ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei benachbarte und separat ansteuerbare Statoren (20, 22) und Rotoren (24, 26) als elektrische Maschinen (16, 18) vorgesehen sind,
dass der erste Rotor (24) über das Außenrad (30) des Planetengetriebes (28) mit der Abtriebswelle (10) der Brennkraftmaschine verbunden ist,
dass der zweite Rotor (26) mit dem Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) verbunden ist,
dass die Antriebswelle (12) mit dem Sonnenrad (32) des Planetengetriebes (28) verbunden ist,
und dass über die Kupplung (38) das Sonnenrad (32) und der Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) überbrückbar sind.
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei benachbarte und separat ansteuerbare Statoren (20, 22) und Rotoren (24, 26) als elektrische Maschinen (16, 18) vorgesehen sind,
dass der erste Rotor (24) über das Außenrad (30) des Planetengetriebes (28) mit der Abtriebswelle (10) der Brennkraftmaschine verbunden ist,
dass der zweite Rotor (26) mit dem Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) verbunden ist,
dass die Antriebswelle (12) mit dem Sonnenrad (32) des Planetengetriebes (28) verbunden ist,
und dass über die Kupplung (38) das Sonnenrad (32) und der Planetenradträger (34) des Planetengetriebes (28) überbrückbar sind.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Starter-Generator-Vorrichtung für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Starter-Generator-Vorrichtung.
- Eine gattungsgemäße Starter-Generator-Vorrichtung beschreibt beispielsweise die
DE 41 12 215 C1 . Die im Kraftfluss der Brennkraftmaschine und einem anschließenden Geschwindigkeits-Wechselgetriebe angeordnete elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor kann unter Zwischenschaltung eines Planetengetriebes mit einem Sonnenrad, mit an einem Planetenradträger gelagerten Planetenrädern und einem kuppelbaren Außenrad beim Startvorgang die Brennkraftmaschine antreiben oder über eine zweite fliehkraftgesteuerte Kupplung (Freilauf) als Generator geschaltet werden. - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Starter-Generator-Vorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die durch Nutzung eines Planetengetriebes zur Synchronisation eines Schaltgetriebes bei baulich günstiger Anordnung vermehrt getriebetechnische Freiheitsgrade ermöglicht. Ferner wird ein hinsichtlich des Wirkungsgrads vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der Starter-Generator-Vorrichtung vorgeschlagen.
- Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Starter-Generator-Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist den Merkmalen des Patentanspruchs 7 entnehmbar, demzufolge die beiden elektrischen Maschinen und die Kupplung mittels eines elektronischen Steuergeräts abhängig von Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs und von Drehzahl- und Gangsignalen separat und mit unterschiedlichen Stromstärken beaufschlagbar sind.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
- Durch die vorgeschlagene Ausbildung der Starter-Generator-Vorrichtung mit zwei elektrischen Maschinen, wobei die beiden Statoren als eine Baueinheit mit zwei separaten Feldwicklungen ausgeführt sein können, und die getriebetechnische Anbindung des Planetengetriebes (mit einem einfachen Planetennadsatz) können folgende Freiheitsgrade bzw. Antriebszustände dargestellt werden:
- – Durch Bestromen beider elektrischer Maschinen bei geschlossener Überbrückungskupplung kann die Brennkraftmaschine gestartet werden, die Antriebswelle des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes dreht dabei mit;
- – bei antreibender Brennkraftmaschine können beide elektrischen Maschinen als Generatoren geschaltet werden;
- – bei antreibender Brennkraftmaschine kann die eine elektrische Maschine als Generator geschaltet werden, die zweite elektrische Maschine läuft leer bzw. ist nur gering bestromt, so dass sich an dem angeschlossenen Planetenradträger des Planetengetriebes eine Differenzdrehzahl einstellt, die einem Stillstand des Sonnenrads des Planetengetriebes bzw. einem Auskuppeln der mit dem Sonnenrad verbundenen Getriebe-Antriebswelle entspricht;
- – durch stärkeres Bestromen dieser zweiten elektrischen Maschine wird der zweite Rotor und der Planetenradträger des Planetenradgetriebes beschleunigt, bis die Antriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine und die Drehzahl der Getriebe-Antriebswelle synchron sind – dies entspricht bei eingelegtem Getriebegang einem gezielten Anfahren des Kraftfahrzeugs;
- – beim Erreichen der Synchrondrehzahl (diese kann auch bei weiteren Schaltvorgängen entsprechend eingeregelt werden) kann die Überbrückungskupplung geschlossen werden und das Planetengetriebe wirkt als in sich starres Übertragungsmittel.
- Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels entnehmbar.
- Die schematische Zeichnung dazu zeigt die Abtriebswelle einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, die Antriebswelle eines nachgeschalteten Geschwindigkeits-Wechselgetriebes, und dazwischenliegend eine Starter-Generator-Vorrichtung mit zwei elektrischen Maschinen und einem Planetengetriebe mit einer Überbrückungskupplung.
- Als Abtriebswelle
10 ist schematisch die Kurbelwelle einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug dargestellt, die die Antriebswelle12 eines nicht dargestellten Geschwindigkeits-Wechselgetriebes, bsp. eines automatisierten Schaltgetriebes, antreibt. - Dazwischen geschaltet ist eine Starter-Generator-Vorrichtung
14 mit folgenden Bauteilen: - – zwei elektrischen Maschinen
16 ,18 , mit je einem Stator20 ,22 und je einem Rotor24 ,26 ; - – ein
Planetengetriebe
28 als einfacher Planetenradsatz mit einem innenverzahnten Außenrad30 als erstem Getriebeelement, einem außenverzahnten Sonnenrad32 als zweitem Getriebeelement und einem Planetenradträger34 mit mehreren an diesem drehbar gelagerten Planetenrädern36 als drittem Getriebeelement; - – einer Überbrückungskupplung
38 , die als formschlüssig wirkende Klauenkupplung mit einem außenverzahnten Kupplungskörper40 und einer innenverzahnten Schiebemuffe42 ausgebildet ist. - Die beiden elektrischen Maschinen
16 ,18 können bekannter Bauart sein, bsp. Drehstrommaschinen, die in bekannter Weise als Antriebsmaschinen zum elektrischen Antrieb (Starten) der Brennkraftmaschine und/oder zum Antrieb des Kraftfahrzeuges dienen und die zur Stromerzeugung und Energierückgewinnung beim Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs als Generatoren geschaltet werden können. - Die elektrischen Maschinen
16 ,18 sind dabei über ein elektronisches Steuergerät44 nach Maßgabe fahrzeugspezifischer Parameter (bsp. Lastzustand α der Brennkraftmaschine, Gangsignale i des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes, Kupplungssignale k bei Gangwechseln) und durch Auswertung von Drehzahlsignalen n-1, n-2 von entsprechenden Drehzahlsensoren46 ,48 an der Kurbelwelle10 und an der Antriebswelle12 separat zur Steuerung der Antriebs- oder Generatorleistung (= Bremsleistung) ansteuerbar. - Die beiden Statoren
20 ,22 der elektrischen Maschinen16 ,18 können in baulich günstiger Weise wie schematisch dargestellt als eine Baueinheit ringförmig um die beiden Rotoren24 ,26 herum ausgeführt sein. Die separate Ansteuerung der beiden Statoren20 ,22 bzw. der Rotoren24 ,26 muss jedoch gewährleistet sein. - Der ringförmige Rotor
24 der ersten elektrischen Maschine16 sitzt ringförmig auf einer Schwungscheibe50 , die mit der Kurbelwelle10 fest verbunden ist. Die Schwungscheibe50 trägt ferner das Außenrad30 des Planetengetriebes28 , wobei es mit den Planetenrädern36 kämmend im Eingriff ist. - Der ringförmige Rotor
26 der zweiten elektrischen Maschine18 ist mit dem Planetenradträger34 des Planetengetriebes18 fest verbunden. Zudem ist an dem Planetenradträger34 ein außenverzahnter Kupplungsring52 ausgebildet, der mit der Schiebemuffe42 und dem Kupplungskörper40 die Überbrückungskupplung38 bildet. - Das ebenfalls mit den Planetenrädern
36 kämmende Sonnenrad32 schließlich sitzt fest auf der Antriebswelle12 des nicht dargestellten Geschwindigkeits-Wechselgetriebes, auf dem unter Zwischenschaltung eines Drehschwingungsdämpfers54 auch der Kupplungskörper40 aufgenommen ist. - Der nur schematisch angedeutete Drehschwingungsdämpfer
54 kann wie bei Zweimassenschwungrädern an Brennkraftmaschinen bekannt ausgeführt sein. Er ist wirksam, wenn die Überbrückungskupplung38 geschlossen ist, wobei dann im wesentlichen die Bauteile50 ,24 und30 als Primärmasse und die Bauteile40 ,42 ,34 und26 als Sekundärmasse zueinander begrenzt drehschwingungsentkoppelt wirken. - Wie ersichtlich ist, sind die beiden elektrischen Maschinen
16 ,18 unmittelbar einander benachbart angeordnet, wobei das Planetengetriebe28 baulich günstig radial innerhalb der beiden ringförmigen Rotoren24 ,26 positioniert ist; die Überbrückungskupplung38 auf der Antriebswelle12 ist dem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe unmittelbar benachbart und kann ggf. von der Getriebehydraulik oder Getriebeelektrik (nicht dargestellt) gesteuert über das Steuergerät44 durch entsprechendes Verschieben der Schiebemuffe42 geöffnet oder geschlossen werden. - Die beschriebene Starter-Generator-Vorrichtung
14 kann vorteilhaft über das elektronische Steuergerät44 wie folgt betrieben werden: - – Starten der Brennkraftmaschine:
- Die Kupplung
38 ist geöffnet und dadurch der Drehschwingungsdämpfer54 vor Resonanzschwingungen beim Anlassen geschützt; beide elektrische Maschinen16 ,18 werden angesteuert und wirken gemeinsam als Antriebmaschine. Dabei wird die Antriebswelle12 des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes durch einen eingelegten Gang festgehalten. - Theoretisch wäre auch ein Startvorgang durchführbar, bei dem die Überbrückungskupplung
38 geschlossen ist und beide Rotoren24 ,26 mit gleicher Drehzahl drehen. Die Antriebswelle12 dreht dann frei mit, das Planetengetriebe28 ist ohne Funktion. - – Leerlauf der Brennkraftmaschine:
- Im Leerlauf der Brennkraftmaschine wird der erste Rotor
24 als Generator geschaltet und erzeugt Strom. - Der zweite Rotor
26 ist stromlos oder nur zum Ausgleich der Verlustleistung des Planetengetriebes28 gering bestromt und läuft mit einer über das Steuergerät44 eingeregelten Differenzdrehzahl um, die einen Stillstand des Sonnenrads32 bzw. der Antriebswelle12 bewirkt. Dadurch kann bsp. der Anfahrgang bei dem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe eingeschaltet werden. - – Anfahren des Kraftfahrzeugs:
- Ist im Geschwindigkeits-Wechselgetriebe bsp. der erste Gang eingelegt, so kann abhängig von bsp. der Leistungsanforderung bzw. vom Lastzustand α der Brennkraftmaschine das Anfahren gesteuert werden, in dem der zweite Rotor
26 durch entsprechende Strombeaufschlagung beschleunigt wird, bis zwischen der Abtriebswelle10 der Brennkraftmaschine und der Antriebswelle12 des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes Drehzahlgleichheit vorliegt. Dann wird über das Steuergerät44 die Kupplung38 geschlossen und anschließend kann bei Bedarf die zweite elektrische Maschine18 ebenfalls als Generator zur Stromerzeugung geschaltet werden. - – Übersetzungs- bzw. Gangwechsel im Geschwindigkeits-Wechselgetriebe:
- Bei einem Gangwechsel im Geschwindigkeits-Wechselgetriebe zur Änderung der Übersetzung kann ggf. durch Verzögern oder Beschleunigen des Planetenradträgers
34 als freies Getriebeelement mittels des zweiten Rotors26 eine Synchrondrehzahl der Antriebswelle12 gesteuert werden, so dass Synchronisierungsmittel inner halb des Schaltgetriebes entfallen können. Die Kupplung38 ist selbstverständlich beim Gangwechsel geöffnet. - – Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs:
- Im Schubbetrieb (bsp. Bergabfahrt) kann die Brennkraftmaschine abgestellt sein, die Kupplung
38 ist dann geöffnet. Die Bremsleistung und Energierückgewinnung erfolgt über die als Generator geschaltete zweite elektrische Maschine18 , während der Rotor24 der ersten elektrischen Maschine16 mit der Kurbelwelle10 der Brennkraftmaschine stillsteht. - Reicht die so eingesteuerte Bremsleistung nicht aus, so wird ggf. auch die Brennkraftmaschine mit angetrieben und es kann auch die erste elektrische Maschine
16 zusätzlich als Generator geschaltet werden. - Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So können die Eingangs- und Ausgangs-Getriebeelemente des Planetengetriebes
28 auch in einer anderen Anordnung mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine, der Antriebswelle des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes und mit den beiden Rotoren24 ,26 verbunden sein. Anstelle der formschlüssigen Kupplung38 kann auch eine reibschlüssige nass oder trocken laufende Kupplung verwendet sein. Sofern im Kraftfluss vor der Schwungscheibe50 eine weitere steuerbare Kupplung vorgesehen ist, können die elektrischen Maschinen16 ,18 auch das Kraftfahrzeug ohne die Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine (Boosten) antreiben.
Claims (10)
- Starter-Generator-Vorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor, die im Kraftfluss zwischen einer Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine und der Antriebswelle eines Geschwindigkeits-Wechselgetriebes angeordnet ist, wobei der Rotor mit einem Planetengetriebe zusammenwirkt und eine Kupplung zum Deaktivieren des Planetengetriebes vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte und separat ansteuerbare Statoren (
20 ,22 ) und Rotoren (24 ,26 ) als elektrische Maschinen (16 ,18 ) vorgesehen sind, dass der erste Rotor (24 ) über das Außenrad (30 ) des Planetengetriebes (28 ) mit der Abtriebswelle (10 ) der Brennkraftmaschine verbunden ist, dass der zweite Rotor (26 ) mit dem Planetenradträger (34 ) des Planetengetriebes (28 ) verbunden ist, dass die Antriebswelle (12 ) mit dem Sonnenrad (32 ) des Planetengetriebes (28 ) verbunden ist, und dass über die Kupplung (38 ) das Sonnenrad (32 ) und der Planetenradträger (34 ) des Planetengetriebes (28 ) überbrückbar sind. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rotoren (
24 ,26 ) axial nebeneinander angeordnet sind, und dass das Planetengetriebe (28 ) radial innerhalb der beiden Rotoren (24 ,26 ) positioniert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (
38 ) auf der dem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe zugewandten Seite angeordnet ist und im geschlossenen Zustand das Sonnenrad (32 ) des Planetengetriebes (28 ) mit dem Planetenradträger (34 ) des Planetengetriebes (28 ) kuppelt. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (
38 ) eine formschlüssige Klauenkupplung ist. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftfluss zwischen der Kupplung (
38 ) und der Antriebswelle (12 ) des Geschwindigkeits-Wechselgetriebes ein Drehschwingungsdämpfer (54 ) eingeschaltet ist. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Statoren (
20 ,22 ) als Baueinheit ausgeführt sind. - Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrischen Maschinen (
16 ,18 ) und die Kupplung (38 ) mittels eines elektronischen Steuergerätes (44 ) abhängig von Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs und von Drehzahl- und Gangsignalen separat ansteuerbar sind. - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten der Brennkraftmaschine beide Statoren (
20 ,22 ) mit Strom beaufschlagt werden. - Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anhalten des Kraftfahrzeugs und/oder zum Schalten eines Gangs und/oder zum Herstellen eines Synchronzustands im Geschwindigkeits-Wechselgetriebe bei geöffneter Kupplung (
38 ) der mit dem Planetenradträger (34 ) des Planetengetriebes (28 ) verbundene zweite Rotor (26 ) so drehzahlgesteuert wird, dass bei stehendem Kraftfahrzeug ein Stillstand der Antriebswelle (12 ) oder bei Schaltvorgängen eine definierte Synchrondrehzahl erreicht wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren des Kraftfahrzeugs aus dem Stillstand bei geöffneter Kupplung (
38 ) der zweite Rotor (26 ) bis zum Gleichlauf zwischen Abtriebswelle (10 ) und Antriebswelle (12 ) beschleunigt und danach die Kupplung (38 ) geschlossen wird.
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- 2000-11-17 DE DE2000157096 patent/DE10057096B4/de not_active Expired - Fee Related
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