DE102011118097B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine (VKM), einem Compound-Split-Getriebe und einer Batterie, wobei das Compound-Split-Getriebe eine erste elektrische Maschine (EM1), eine zweite elektrische Maschine (EM2), ein erstes Planetengetriebe und ein zweites Planetengetriebe umfasst, wobei die Verbrennungskraftmaschine (VKM), die erste elektrische Maschine (EM1) und die zweite elektrische Maschine (EM2) über das erste und das zweite Planetengetriebe mit den Rädern einer ersten Achse des Fahrzeuges antriebsverbunden sind, wobei eine weitere Achse des Fahrzeuges mit einer dritten elektrischen Maschine (EM3) oder mehreren elektrischen Maschinen antriebsverbunden ist, wobei mittels einer ersten Kupplung die erste Achse des Fahrzeuges von dem ersten und dem zweiten Planetengetriebe getrennt werden kann, so dass mittels der dritten elektrischen Maschine (EM3) oder den mehreren elektrischen Maschinen die weitere Achse des Fahrzeuges angetrieben werden kann, die nicht mit dem Compound-Split-Getriebe in Antriebsverbindung steht, so dass der Anfahrbereich abgedeckt wird, wobei die erste Achse, die mit dem Compound-Split-Getriebe in Antriebsverbindung steht, während des Anfahrbereiches nicht das Fahrzeug antreibt und der Antrieb des Fahrzeuges erst dann von der ersten Achse übernommen werden kann, wenn das Compound-Split-Getriebe mit einem günstigen Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Beispielsweise aus dem Fachbuch „Hybridfahrzeuge: Ein alternatives Antriebskonzept für die Zukunft”, Peter Hofmann, 2010 Springer-Verlag, Wien, ist als effizienter Antrieb eines Fahrzeuges ein so genannter „leistungsverzweigter Hybrid” vorbekannt. Hierbei wird durch eine Zusammenschaltung von einer Verbrennungskraftmaschine, zwei Planetengetrieben und zwei elektrischen Maschinen, die als Generator oder Motor arbeiten können und die mit einem elektrischen Speicher verbunden sind, ein so genanntes „Compound-Split-Getriebe” gebildet. Mittels eines solchen Getriebes kann gegenüber einem „leistungsverzweigten Hybrid” mit nur einem Planetengetriebe der Anteil an Energie vermindert werden, der vom mechanischen über den elektrischen Pfad im Getriebe nutzlos zirkuliert. Dennoch besteht auch bei einem „Compound-Split-Getriebe” der Nachteil, dass es nicht möglich ist, die Leistungsaufteilung über den gesamten Übersetzungsbereich günstig zu gestalten, so dass noch immer nicht der gewünschte Getriebewirkungsgrad erreicht wird. Insbesondere kann der Anfahrbereich nicht sinnvoll durch ein „Compound-Split-Getriebe” dargestellt werden, da hier eine sehr hohe Getriebeübersetzung erforderlich ist. Um eine derart hohe Getriebeübersetzung zu erreichen, könnten die elektrischen Maschinen derart ausgelegt werden, dass ihnen eine sehr große Menge an elektrischer Leistung zugeführt werden kann bzw. stellt der elektrische Speicher ein Problem dar, da die gesamte Leistung für das Betreiben der elektrischen Maschinen auch zur Verfügung gestellt werden muss. Anders gesagt müssen die elektrischen Maschinen und der elektrische Speicher nur zur Abdeckung des Anfahrbereiches sehr üppig dimensioniert werden, was natürlich unerwünscht höhere Kosten und Mehrgewicht zur Folge hat. Um diesem Nachteil eines „Compound-Split-Getriebes” zu begegnen, ist es weiterhin aus dem genannten Fachbuch vorbekannt, das „Compound-Split-Getriebe” um Schaltelemente zu erweitern, so dass ein „Dual-Mode-Getriebe” gebildet wird. Insbesondere wird dabei der Anfahrbereich mittels einer zusätzlichen Übersetzungsstufe abgebildet. Jedenfalls wird durch den Einsatz eines „Dual-Mode-Getriebes” das gesamte Getriebe komplexer und schwerer, was einerseits die Fertigung verteuert und in gewissen Grenzen die Gewichtsverteilung des Fahrzeuges negativ beeinflusst. Gemäß der DE 10 2005 021 575 A1 ist weiterhin eine Hybridantriebseinheit für Fahrzeuge Stand der Technik, in der eine Leistungsaufteilungsvorrichtung in einer Leistungsübertragungsstrecke zwischen einem Motor und einem Rad angeordnet ist, in der die Leistungsaufteilungsvorrichtung ein erstes bis viertes Drehelement umfasst, die in der Lage sind, sich in unterschiedlicher Weise relativ zueinander zu drehen, in der ein erster Motorgenerator mit dem zweiten Drehelement verbunden ist und das Rad mit dem vierten Drehelement verbunden ist, und die in der Lage ist, ein Drehzahlverhältnis zwischen dem ersten Drehelement und dem vierten Drehelement der Leistungsaufteilungsvorrichtung stufenlos zu regeln, welche umfasst: einen zweiten Motorgenerator, der mit dem dritten Drehelement der Leistungsversorgungseinheit verbunden ist, einen dritten Motorgenerator, der mit dem Rad in einer zur Übertragung von Energie geeigneten Weise verbunden ist und eine elektrische Schaltung, die den Austausch elektrischer Energie zwischen den einzelnen Motorgeneratoren ermöglicht. Gemäß der DE 10 2008 022 797 A1 ist weiterhin ein Antriebsstrang mit einer Eingangskupplung Stand der Technik, die ausgerückt werden kann, um zu ermöglichen, dass sich ein Getriebeantriebselement unabhängig von der Maschinendrehzahl gemäß der Leistung eines Motors dreht und eine alternative Art der Leistungsversorgung von Fahrzeugzusatzgeräten bereitstellt, die ansonsten durch das Motordrehmoment angetrieben werden, während weiter ermöglicht wird, dass der Motor die Maschine startet. Gemäß der DE 10 2007 056 407 A1 ist es Stand der Technik, dass ein Fahrzeugantriebsstrang für ein Hybridfahrzeug ein elektronisch variables Getriebe mit einem Eingangselement enthält, um mechanische Drehleistung von der Antriebsmaschine zu empfangen, einem Ausgangselement, um mechanische Drehleistung an einen Antriebsstrang des Fahrzeugs zu liefern, um das Fahrzeug anzutreiben, und einem Getriebezug, der dafür ausgelegt ist, das Eingangselement mit dem Ausgangselement selektiv und wirkfähig zu koppeln. Gemäß der DE 10 2010 027 519 A1 sind verschiedene Ausführungsformen elektrisch verstellbarer Getriebe Stand der Technik, die einen ersten und einen zweiten Motor-Generator, einen ersten und einen zweiten Planetenradsatz und zwei Drehmomentübertragungsmechanismen aufweisen, die eine Kupplung vom rotierenden Typ und eine Kupplung vom feststehenden Typ umfassen. Ein Eingangselement ist zur gemeinsamen Rotation mit einem Hohlrad des ersten Planetenradsatzes verbunden. Die Träger beider Planetenradsätze sind zur gemeinsamen Rotation miteinander und mit einem Ausgangselement verbunden. Der erste Motor/Generator ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenrad des ersten Planetenradsatzes verbunden. Der zweite Motor/Generator ist zur gemeinsamen Rotation mit dem Sonnenrad des zweiten Planetenradsatzes verbunden. Gemäß der JP 2008-030 708 A ist ein Antriebssystem mit einer Vielzahl von Motorgeneratoren und einem Planetengetriebe Stand der Technik, wobei eine plötzliche Änderung der Antriebskraft beim Wechsel eines Übersetzungsverhältnisses verhindert werden kann. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zu finden, den Anfahrbereich bei einem „Compound-Split-Getriebe” auch ohne Mehrkosten und -gewicht sowie ohne weitere Schaltstufen bzw. höhere Komplexität des Getriebes darzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine, einer ersten elektrischen Maschine, einer zweiten elektrischen Maschine, einem ersten Planetengetriebe, einem zweiten Planetengetriebe und einer Batterie gelöst, wobei die Verbrennungskraftmaschine, die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine über das erste und das zweite Planetengetriebe mit den Rädern einer ersten Achse des Fahrzeuges antriebsverbunden sind, wobei eine weitere Achse des Fahrzeuges mit einer dritten elektrischen Maschine antriebsverbunden ist, wobei mittels einer ersten Kupplung die erste Achse des Fahrzeuges von dem ersten und dem zweiten Planetengetriebe getrennt werden kann, wobei mittels einer zweiten Kupplung die beiden Planetengetriebe derart blockiert werden können, dass diese als feste Übersetzung zwischen der Verbrennungskraftmaschine, der ersten und der zweiten elektrischen Maschine wirken. Erfindungsgemäß können so die elektrischen Maschinen, die innerhalb des „Compound-Split-Getriebes” mit den Planetengetrieben verbunden sind sowie der elektrische Speicher, leistungsklein und somit kostengünstig und leicht ausgelegt werden. Außerdem bleibt die mechanische einfache Struktur des „Compound-Split-Getriebes” erhalten und somit sind die Freiheitsgrade dieses Getriebes im Vergleich zu einem „Dual-Mode-Getriebe” relativ einfach, was sich positiv auf den Entwicklungsaufwand in Konstruktion und Steuerung/Regelung widerspiegelt. Mittels der dritten elektrischen Maschine oder mehreren elektrischen Maschinen, die nicht unmittelbar mit den elektrischen Maschinen des „Compound-Split-Getriebes” in Verbindung stehen, kann erfindungsgemäß die Achse eines Fahrzeuges angetrieben werden, die nicht mit dem „Compound-Split-Getriebe” in Antriebsverbindung steht, so dass insbesondere der Anfahrbereich abgedeckt wird, wobei die Achse, die mit dem „Compound-Split-Getriebe” in Antriebsverbindung steht, während des Anfahrbereiches nicht das Fahrzeug antreibt. Der Antrieb des Fahrzeuges wird erfindungsgemäß erst dann von der Achse übernommen, welche mit dem „Compound-Split-Getriebe” in Antriebsverbindung steht, wenn das „Compound-Split-Getriebe” mit einem günstigen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Erfindungsgemäß kann positiv auf die Gewichtsverteilung des Fahrzeuges Einfluss genommen werden, da das verwendete „Compound-Split-Getriebe” nicht größer und schwerer wird, da keine zusätzliche Übersetzung für den Anfahrbereich vorgesehen werden muss, sondern vielmehr dadurch eine bessere Gewichtsverteilung in dem Fahrzeug erreicht wird, dass eine dritte elektrische Maschine auf der dem „Compound-Split-Getriebe” gegenüberliegenden Achse angeordnet wird. Ferner ist erfindungsgemäß auf denkbar einfache Art und Weise ein Allradantrieb eines Fahrzeuges realisierbar bzw. können erfindungsgemäß auch zwei elektrische Maschinen auf der dem „Compound-Split-Getriebe” gegenüberliegenden weiteren Achse angeordnet werden, um z. B. Torque-Vectoring als fahrdynamische Massnahme darzustellen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den unabhängigen Patentansprüchen und dem folgenden Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
  • Hierbei zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Fahrzeuges mit einer mittels eines „Compound-Split-Getriebes” angetriebenen Achse,
  • 2: eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Fahrzeuges mit einer mittels eines „Compound-Split-Getriebes” sowie einer zusätzlich dazu angetriebenen Achse,
  • 3: eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Fahrzeuges mit einer mittels eines „Compound-Split-Getriebes” angetriebenen Achse sowie einer zusätzlich dazu angetriebenen Achse für einen elektrischen Betriebsmodus,
  • 4: eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Fahrzeuges mit einer mittels eines „Compound-Split-Getriebes” angetriebenen Achse sowie einer zusätzlich dazu angetriebenen Achse für einen seriellen Betriebsmodus,
  • 5: eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Fahrzeuges mit einer mittels eines „Compound-Split-Getriebes” angetriebenen Achse sowie einer zusätzlich dazu angetriebenen Achse für einen leistungsverzweigten Betriebsmodus,
  • 6: eine schematische Darstellung einer Steuerung der verschiedenen Betriebsmodi der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges.
  • Wie in 1 dargestellt, kann ein Fahrzeug zum Antrieb eine Verbrennungskraftmaschine VKM sowie ein „Compound-Split-Getriebe” umfassen. Das „Compound-Split-Getriebe” umfasst eine erste elektrische Maschine EM1 und eine zweite elektrische Maschine EM2, die über zwei Planetengetriebe mit der Verbrennungskraftmaschine VKM und über eine Antriebswelle mit der angetriebenen Achse des Fahrzeuges verbunden sind. Die erste elektrische Maschine EM1 und die zweite elektrische Maschine EM2 sind mit einer Leistungselektronik verbunden. Die Leistungselektronik ist mit einer Batterie und mit einer Steuerung verbunden. Die Verbrennungskraftmaschine VKM ist insbesondere mit dem Hohlrad H des ersten Planetengetriebes des „Compound-Split-Getriebes” antriebsverbunden. Die erste elektrische Maschine EM1 ist mit dem Sonnenrad S des ersten Planetengetriebes antriebsverbunden. Der Steg St des ersten Planetengetriebes ist mit dem Steg St des zweiten Planetengetriebes antriebsverbunden, wie durch den Punkt in 1 dargestellt bzw. kann der Steg St einteilig aufgebaut sein und in beide Planetengetriebe eingreifen. Die zweite elektrische Maschine EM2 ist mit dem Sonnenrad S des zweiten Planetengetriebes antriebsverbunden. Das Hohlrad des zweiten Planetengetriebes ist mit dem Sonnenrad S des ersten Planetengetriebes antriebsverbunden, wie durch den Punkt in 1 dargestellt bzw. können das Sonnenrad S des ersten Planetengetriebes und das Hohlrad des zweiten Planetengetriebes einteilig ausgeführt sein. Wie in 1 dargestellt, kann das beschriebene Antriebssystem derart betrieben werden, dass die Verbrennungskraftmaschine ein Drehmoment M bei einer bestimmten Drehzahl ωVKM abgibt und über das erste Planetengetriebe die erste elektrische Maschine EM1 antreibt, die generatorisch arbeitet und bei einer bestimmten Drehzahl ωEM1 ein Drehmoment M aufnimmt und über die Leistungselektronik elektrische Energie zu der Batterie und/oder der motorisch arbeitenden zweiten elektrischen Maschine EM2 liefert. Die zweite elektrische Maschine EM2 arbeitet motorisch und bezieht dazu von der Leistungselektronik elektrische Energie, sei es aus der Batterie oder von der generatorisch arbeitenden ersten elektrischen Maschine EM1. Die zweite elektrische Maschine EM2 gibt ein Drehmoment M bei einer bestimmten Drehzahl ωEM2 an das Sonnenrad S des zweiten Planetengetriebes ab. Das Hohlrad H des zweiten Planetengetriebes stützt sich über die vorgenannte Kopplung auf dem Sonnenrad S des ersten Planetengetriebes ab. Über den Steg St des ersten Planetengetriebes und den Steg St des zweiten Planetengetriebes, die wie beschrieben miteinander drehverbunden sind, wird ein Drehmoment M bei einer bestimmten Drehzahl ωAntrieb auf eine Antriebswelle übertragen, so dass das Fahrzeug, wie allgemein bekannt, mittels den an der angetriebenen Achse angeordneten Rädern angetrieben wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst nun zusätzlich zu den vorgenannten Merkmalen, wie in 2 gezeigt, eine weitere angetriebene Achse. Natürlich kann ein Fahrzeug mehr als zwei Achsen umfassen. Von Bedeutung ist es jedoch erfindungsgemäß nur, dass mindestens eine weitere angetriebene Achse vorgesehen ist. Die weitere angetriebene Achse gemäß 2 wird erfindungsgemäß von einer dritten elektrischen Maschine EM3 angetrieben oder kann im Sinne eines rekuperativen Betriebs das Fahrzeug abbremsen. Auch die dritte elektrische Maschine EM3 ist mit der Leistungselektronik verbunden, wobei, wie bei der ersten elektrischen Maschine EM1 und der zweiten elektrischen Maschine EM2 ebenfalls möglich, elektrische Energie im generatorischen Betrieb der jeweiligen elektrischen Maschine EM1, EM2 oder EM3 zu der Leistungselektronik geleitet werden kann. Die dritte elektrische Maschine EM3 ist, wie die anderen beiden elektrischen Maschinen EM1 und EM2 auch, so mit der Leistungselektronik verbunden, dass über die Leistungselektronik elektrische Energie von der Batterie bezogen werden kann. Die dritte elektrische Maschine EM3 kann auch über ein Übersetzungsgetriebe mit der weiteren angetriebenen Achse bzw. den daran angeordneten Antriebsrädern verbunden sein. Wie in 2 weiterhin gezeigt, kann erfindungsgemäß mittels einer ersten Kupplung die über das „Compound-Split-Getriebe” angetriebene Antriebsachse von den gekoppelten Stegen St des „Compound-Split-Getriebes” getrennt werden. Wie weiterhin in 2 gezeigt, können mittels einer zweiten Kupplung die beiden gekoppelten Stege St der beiden Planetengetriebe des „Compound-Split-Getriebes” fest mit dem Gehäuse des „Compound-Split-Getriebes” verbunden werden, so dass diese keine Drehbewegung mehr ausführen können. Ist die erste Kupplung geöffnet und ist somit die über das „Compound-Split-Getriebe” angetriebene Antriebsachse von den gekoppelten Stegen St des „Compound-Split-Getriebes” getrennt und die zweite Kupplung geschlossen und somit die beiden gekoppelten Stege St der beiden Planetengetriebe des „Compound-Split-Getriebes” fest mit dem Gehäuse des „Compound-Split-Getriebes” verbunden, dann kann ein so genannter serieller Betriebsmodus des Fahrzeuges dadurch durchgeführt werden, dass die erste elektrische Maschine EM1 und die zweite elektrische Maschine EM2, jeweils generatorisch, über die beiden Planetengetriebe angetrieben werden, wobei die beiden Planetengetriebe, angetrieben von der Verbrennungskraftmaschine VKM, dann lediglich als feste Übersetzung funktionieren, wobei die beiden elektrischen Maschinen EM1, EM2 elektrische Energie zu der Leistungselektronik liefern und weiterhin mittels der dritten elektrischen Maschine EM3 das Fahrzeug angetrieben wird, wobei die dritte elektrische Maschine EM3 die dafür benötigte elektrische Energie über die Leistungselektronik aus der Batterie und/oder einer oder beiden generatorisch arbeitenden elektrischen Maschinen EM1, EM2 bezieht.
  • Wie in 3 gezeigt, kann das Fahrzeug insbesondere zum Anfahren, also in dem Anfahrbereich, in dem das „Compound-Split-Getriebe” nicht wirtschaftlich arbeitet, allein mittels der dritten elektrischen Maschine EM3 in einem so genannten elektrischen Betriebsmodus angetrieben werden. Hierzu ist die erste Kupplung geöffnet bzw. die von dem „Compound-Split-Getriebe” angetriebene Antriebsachse ist von den gekoppelten Stegen St des „Compound-Split-Getriebes” getrennt. Die zweite Kupplung ist bevorzugt geöffnet bzw. können die gekoppelten Stege St der beiden Planetengetriebe umlaufen, wobei die zweite Kupplung auch geschlossen sein kann, da weder die Verbrennungskraftmaschine VKM, noch die erste elektrische Maschine EM1 und zweite elektrische Maschine EM2 aktiv sind. Dieser Betriebsmodus dient bevorzugt nur zum Anfahren des Fahrzeuges bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit, ab der dann ein wirtschaftlicher Antrieb des Fahrzeuges mittels des „Compound-Split-Getriebes”, d. h. mittels der Verbrennungskraftmaschine VKM, der ersten elektrischen Maschine EM1 und/oder der zweiten elektrischen Maschine EM2 erfolgen kann. Dieser Betriebsmodus kann aber auch als zuschaltbarer Allradantrieb zur Steigerung der Fahrtraktion dienen, was besonders interessant für Fahrzeuge im Premiumsektor ist, insofern die erste Kupplung und die zweite Kupplung geschlossen sind und die erste elektrische Maschine EM1 generatorisch und/oder die zweite elektrische Maschine EM2 neben der dritten elektrischen Maschine EM3 motorisch betrieben werden. Liegt der Ladezustand der Batterie unterhalb eines bestimmten Wertes, kann das Fahrzeug auch mit einem so genannten seriellen Betriebsmodus betrieben werden, der im weiteren Verlauf genauer beschrieben wird. Der elektrische Betriebsmodus ist im wesentlichen für kurze Strecken gedacht. D. h. der elektrische Betriebsmodus ist bevorzugt dazu gedacht, eine Geschwindigkeit des Fahrzeuges zu erreichen, bei der das Fahrzeug mittels des „Compound-Split-Getriebes” möglichst wirtschaftlich betrieben werden kann. Da ein serieller Betriebsmodus mit dieser Antriebstopologie einfach zu realisieren ist, ist ein Plug-In Hybrid auch sehr leicht denkbar, was zu einer deutlich Steigerung der elektrischen Reichweite führt, d. h. das Fahrzeug startet im rein elektrischen Betriebsmodus (depleting-mode) und der elektrische Speicher wird bei Bedarf im seriellen Betriebsmodus während der Fahrt nachgeladen (charging-mode).
  • In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung gemäß 4 kann im seriellen Betriebsmodus über ein festes, durch das erste Planetengetriebe mit stillstehendem Steg St vorgegebenes Übersetzungsverhältnis von der ersten elektrischen Maschine EM1 ein Drehmoment M von der Verbrennungskraftmaschine VKM bei einer Drehzahl ωEM1 abgenommen werden, um den verbrauchsineffizienten Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine VKM zu vermeiden und den elektrischen Speicher zu laden, d. h. um eine Vorgabe für dessen Ladezustand einzuhalten, d. h. die Abnahme des Momentes M von der Verbrennungskraftmaschine VKM zum generatorischen Betrieb der ersten elektrischen Maschine EM1 kann erfindungsgemäß in Abhängigkeit des Ladezustandes der Batterie erfolgen. Mittels der zweiten elektrischen Maschine EM2 kann bei ebenfalls stillstehendem Steg St des zweiten Planetengetriebes zur Drehzahleinstellung der Verbrennungskraftmaschine VKM ein zusätzliches Moment M von der VKM bei einer Drehzahl ωEM2 abgenommen bzw. aufgebracht werden werden. Für den seriellen Betriebsmodus ist, wie in 4 dargestellt, eine zweite Kupplung vorgesehen, mit der die beiden gekoppelten Stege St der beiden Planetengetriebe des „Compound-Split-Getriebes” fest mit dem Gehäuse des „Compound-Split-Getriebes” für den seriellen Betriebsmodus verbunden werden, so dass diese keine Drehbewegung mehr ausführen können. D. h. es erfolgt ein Verlust eines Freiheitsgrades durch das Bremsen der Stege St, sonst wäre die Steuerung/Regelung nicht möglich. Ferner ist im seriellen Betriebsmodus die erste Kupplung geöffnet, so dass kein Antrieb der sonst mittels des „Compound-Split-Getriebes” angetriebenen Achse bzw. der damit verbundenen Antriebsräder erfolgt. In dem seriellen Betriebsmodus werden also die beiden elektrischen Maschinen EM1 und EM2 von der Verbrennungskraftmaschine VKM angetrieben, so dass elektrische Energie zur Ladung der Batterie und/oder zum motorischen Betrieb der dritten elektrischen Maschine EM3 zum Antrieb der weiteren Achse des Fahrzeuges und somit dem Antrieb des Fahrzeuges zur Verfügung steht. Der serielle Betriebsmodus wird bevorzugt immer dann benötigt, wenn das Fahrzeug aus dem elektrischen Betriebsmodus gemäß 3 nicht innerhalb einer bestimmten Zeit auf eine bestimmte Umschaltgeschwindigkeit, also eine Geschwindigkeit beschleunigt wurde, bei der das Fahrzeug wieder mittels des „Compound-Split-Getriebes” wirtschaftlich angetrieben werden kann oder wird zum Aufladen des elektrischen Speichers im Plug-In Betrieb genutzt.
  • Wie in 5 dargestellt, kann das Fahrzeug natürlich auch in einem so genannten leistungsverzweigten Betriebsmodus betrieben werden. Dieser Betriebsmodus deckt bevorzugt den Geschwindigkeitsbereich oberhalb der Umschaltgeschwindigkeit ab, ab der erfindungsgemäß der elektrische Betriebsmodus gemäß 3, bei dem das Fahrzeug allein mittels der dritten elektrischen Maschine EM3 angetrieben wird, nicht mehr am wirtschaftlichsten ist. D. h. dadurch, dass der ungünstige Anfahrbereich durch den elektrischen Betriebsmodus bzw. den seriellen Betriebsmodus abgedeckt ist, kann eine Leistungsverzweigung mittels des „Compound-Split-Getriebes” gering gehalten werden, was sich günstig auf die Dimensionierung der benötigten beiden elektrischen Maschinen EM1 und EM2 auswirkt. Für den leistungsverzweigten Betriebsmodus gemäß 5 ist die erste Kupplung geschlossen und die zweite Kupplung geöffnet, so dass die Stege St der beiden Planetengetriebe des „Compound-Split-Getriebes” mit der Antriebsachse zum Antrieb des Fahrzeuges verbunden sind. Die Verbrennungskraftmaschine VKM gibt dabei ein Drehmoment M bei einer bestimmten Drehzahl ωVKM an das erste Planetengetriebe ab, wobei die erste elektrische Maschine EM1 ein Drehmoment M bei einer bestimmten Drehzahl ωEM1 aufnimmt und im generatorischen Betrieb elektrische Energie zu der Leistungselektronik liefert, wobei diese elektrische Energie zum Antrieb der zweiten elektrischen Maschine EM2 mit einem bestimmten Drehmoment M bei einer bestimmten Drehzahl ωEM2 dieser zugeführt wird und/oder der Batterie zur Ladung und/oder zum zusätzlichen Antrieb des Fahrzeuges mittels der weiteren Achse im Sinne eines Allradantriebes des Fahrzeuges der dritten elektrischen Maschine EM3 zugeführt wird.
  • Natürlich kann die dritte elektrische Maschine auch zur Rekuperation, verwendet werden, d. h. beispielsweise im Schubbetrieb des Fahrzeuges bzw. beim Abbremsen des Fahrzeuges wird dazu die dritte elektrische Maschine EM3 in Abhängigkeit der Betätigung des Bremspedals des Fahrzeuges generatorisch betrieben, so dass elektrische Energie von der dritten elektrischen Maschine EM3 zu der Leistungselektronik und von dort zur Batterie geliefert werden kann. Eine Rekuperation im leistungsverzweigten Betriebsmodus kann systembedingt nicht möglich sein, so dass beim Rekuperieren entweder in den rein elektrischen oder seriellen Betriebsmodus gewechselt werden muss.
  • Erfindungsgemäß kann im leistungsverzweigten Betriebsmodus für eine Traktionsunterstützung ein bedarfsgerechtes Allradmanagement erfolgen, wobei die Verbrennungskraftmaschine VKM motorisch, die erste elektrischen Maschine EM1 generatorisch, die zweite elektrische Maschine EM2 generatorisch oder motorisch und die dritte elektrische Maschine EM3 motorisch betrieben wird.
  • Gemäß 6 ist der Ablauf einer möglichen Steuerung der verschiedenen Betriebsmodi eines Fahrzeuges mit den Merkmalen gemäß den oben beschriebenen 3 bis 5 gezeigt. Zur Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug,Antrieb wird einem Block 1 die z. B. mittels eines induktiven Sensors gemessene Drehzahl ωAntrieb der Antriebswelle, die zwischen dem „Compound-Split-Getriebe” und der durch das „Compound-Split-Getriebe” angetriebenen Achse angeordnet ist, zugeführt. Weiterhin wird z. B. mittels eines induktiven Sensors eine gemessene Raddrehzahl bzw. eine daraus abgeleitete tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug in einem Block 2 mit einer minimalen Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug,min verglichen. Oberhalb dieser minimalen Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug,min ist ein Antrieb des Fahrzeuges mittels des „Compound-Split-Getriebes” günstig. Weiterhin wird der aktuelle Ladezustand der Batterie SOC in einem Block 3 mit einem Minimalwert SOCmin verglichen, wobei, wenn der Minimalwert SOCmin unterschritten wird, ein Laden der Batterie erforderlich ist. Durch die genannten Verknüpfungen kann nun in Verbindung mit einer in Block 4 gezeigten bistabilen Kippstufe eine Bestimmung und Speicherung verschiedener Zustände 1 bis 3 erfolgen. Ist beispielsweise die tatsächliche gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug gemäß dem Vergleich in Block 2 größer als die minimale Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug,min erfolgt eine Gegenüberstellung der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug mit der in Abhängigkeit der gemessenen Drehzahl ωAntrieb der Antriebswelle berechneten Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug,Antrieb gemäß Block 1. Sind diese beiden Geschwindigkeiten gleich groß, dann erfolgt mittels der bistabilen Kippstufe in Block 4 ein Setzen eines Zustandes 1. Dieser Zustand 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein leistungsverzweigter Betrieb des Fahrzeuges, wie in 5 beschrieben, erfolgt, wobei die dritte elektrische Maschine EM3 prinzipiell ausgeschaltet ist, aber bei erhöhtem Fahrleistungsbedarf ein Teil der Bedarfsleistung übernehmen kann, sowie die erste Kupplung geschlossen ist, die zweite Kupplung geöffnet ist und Hauptantrieb eingeschaltet ist, wobei „Hauptantrieb” bedeutet, dass die Verbrennungskraftmaschine VKM, die erste elektrische Maschine EM1 und die zweite elektrische Maschine EM2 aktiv sind, d. h. das Fahrzeug wird mittels des „Compound-Split-Getriebes” angetrieben, welches in diesem Bereich wirtschaftlich arbeitet. Ist jedoch die tatsächliche gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug gemäß dem Vergleich in Block 2 kleiner als die minimale Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug,min erfolgt ein Rücksetzen des Zustandes 1, da der Eingang R der bistabilen Kippstufe eine Negation aufweist. Vielmehr wird nun der Zustand 2 gesetzt, da an einem Negator die (negative) Information anliegt, dass die tatsächliche gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug gemäß dem Vergleich in Block 2 kleiner als die minimale Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug,min ist bzw. an einer NICHT-UND-Verknüpfung sowohl diese (negative) Information als auch die (negative) Information als Ausgang einer UND-Verknüpfung zwischen dem Ergebnis des Vergleichs aus Block 2 und Block 3 anliegt, nämlich dass der aktuelle Ladezustand der Batterie SOC gemäß Block 3 oberhalb des Minimalwertes SOCmin liegt und folglich kein Laden der Batterie erforderlich ist. Der Zustand 2 ist nun dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptantrieb ausgeschaltet wird, d. h. die Verbrennungskraftmaschine VKM und die beiden elektrischen Maschinen EM1, EM2 werden deaktiviert und dass die dritte elektrische Maschine eingeschaltet wird sowie die erste Kupplung geöffnet wird. Infolgedessen ist somit der elektrische Betriebsmodus des Fahrzeuges gemäß 3 aktiv. Liegt dem hingegen der aktuelle Ladezustand der Batterie SOC gemäß Block 3 unterhalb des Minimalwertes SOCmin und ist folglich ein Laden der Batterie erforderlich und ist weiterhin die tatsächlich gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug gemäß dem Vergleich in Block 2 kleiner als die minimale Fahrzeuggeschwindigkeit vFahrzeug,min, wird gemäß der somit erfüllten (positiven) UND-Verknüpfung der Zustand 3 gesetzt. Zustand 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kupplung geschlossen wird, die erste Kupplung geöffnet bleibt und der Hauptantrieb, d. h. die Verbrennungskraftmaschine VKM und die elektrischen Maschinen EM1, EM2 und EM3 werden aktiviert, so dass der serielle Betriebsmodus gemäß 4 aktiv ist.
  • Zu 6 ist anzumerken, dass die beschriebene Start-/Stopp-Logik für die Bestimmung des hybridischen (seriell und leistungsverzweigt) und des elektrischen Fahrbetriebs vom Fahrpedal entkoppelt ist, weil das Fahrpedal und somit das Fahrerwunschmoment sich systembedingt nicht direkt auswirken kann. Umgeschaltet wird beim Erreichen einer Geschwindigkeitsschwelle. Daraus resultiert, dass die Start-/Stopp-Logik im Vergleich zum Parallelhybrid sehr vereinfacht ist. Es entsteht systembedingt kein Start-/Stopp-Toggeln infolge von schnellen Fahrerwunschänderungen. Das Fahrverhalten wird harmonischer aber unsportlicher. Ferner ist nur das Anfahr-Beschleunigungsvermögen im unteren Geschwindigkeitsbereich von der Dimensionierung der Elektrischen Maschine EM3 abhängig. Ausserdem ist bei einer Kickdown-Beschleunigung systembedingt ein Zuschalten des Verbrennungsmotors VM erst ab der Umschaltgeschwindigkeit möglich.

Claims (3)

  1. Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine (VKM), einem Compound-Split-Getriebe und einer Batterie, wobei das Compound-Split-Getriebe eine erste elektrische Maschine (EM1), eine zweite elektrische Maschine (EM2), ein erstes Planetengetriebe und ein zweites Planetengetriebe umfasst, wobei die Verbrennungskraftmaschine (VKM), die erste elektrische Maschine (EM1) und die zweite elektrische Maschine (EM2) über das erste und das zweite Planetengetriebe mit den Rädern einer ersten Achse des Fahrzeuges antriebsverbunden sind, wobei eine weitere Achse des Fahrzeuges mit einer dritten elektrischen Maschine (EM3) oder mehreren elektrischen Maschinen antriebsverbunden ist, wobei mittels einer ersten Kupplung die erste Achse des Fahrzeuges von dem ersten und dem zweiten Planetengetriebe getrennt werden kann, so dass mittels der dritten elektrischen Maschine (EM3) oder den mehreren elektrischen Maschinen die weitere Achse des Fahrzeuges angetrieben werden kann, die nicht mit dem Compound-Split-Getriebe in Antriebsverbindung steht, so dass der Anfahrbereich abgedeckt wird, wobei die erste Achse, die mit dem Compound-Split-Getriebe in Antriebsverbindung steht, während des Anfahrbereiches nicht das Fahrzeug antreibt und der Antrieb des Fahrzeuges erst dann von der ersten Achse übernommen werden kann, wenn das Compound-Split-Getriebe mit einem günstigen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
  2. Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine (VKM), einer ersten elektrischen Maschine (EM1), einer zweiten elektrischen Maschine (EM2), einem ersten Planetengetriebe, einem zweiten Planetengetriebe und einer Batterie, wobei die Verbrennungskraftmaschine (VKM), die erste elektrische Maschine (EM1) und die zweite elektrische Maschine (EM2) über das erste und das zweite Planetengetriebe mit den Rädern einer ersten Achse des Fahrzeuges antriebsverbunden sind, wobei eine weitere Achse des Fahrzeuges mit einer dritten elektrischen Maschine (EM3) oder mehreren elektrischen Maschinen antriebsverbunden ist, wobei mittels einer ersten Kupplung die erste Achse des Fahrzeuges von dem ersten und dem zweiten Planetengetriebe getrennt werden kann, wobei mittels einer zweiten Kupplung die beiden Planetengetriebe derart blockiert werden können, dass diese als feste Übersetzung zwischen der Verbrennungskraftmaschine (VKM), der ersten und der zweiten elektrischen Maschine (EM1, EM2) wirken, wobei wenn der Ladezustand der Batterie unterhalb eines bestimmten Wertes ist, die erste Kupplung derart betätigt wird, dass das Fahrzeug allein mittels der dritten elektrischen Maschine (EM3) oder den mehreren elektrischen Maschinen angetrieben wird und die zweite Kupplung derart betätigt wird, dass die Verbrennungskraftmaschine (VKM) über die beiden Planetengetriebe die erste und die zweite elektrische Maschine (EM1, EM2) generatorisch antreibt, so dass elektrische Energie zum Antrieb der motorisch betriebenen dritten elektrischen Maschine (EM3) oder der mehreren elektrischen Maschinen und gegebenenfalls zusätzlich zum Aufladen der Batterie bereitsteht.
  3. Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine (VKM), einer ersten elektrischen Maschine (EM1), einer zweiten elektrischen Maschine (EM2), einem ersten Planetengetriebe, einem zweiten Planetengetriebe und einer Batterie, wobei die Verbrennungskraftmaschine (VKM), die erste elektrische Maschine (EM1) und die zweite elektrische Maschine (EM2) über das erste und das zweite Planetengetriebe mit den Rädern einer ersten Achse des Fahrzeuges antriebsverbunden sind, wobei eine weitere Achse des Fahrzeuges mit einer dritten elektrischen Maschine (EM3) oder mehreren elektrischen Maschinen antriebsverbunden ist, wobei mittels einer ersten Kupplung die erste Achse des Fahrzeuges von dem ersten und dem zweiten Planetengetriebe getrennt werden kann, wobei mittels einer zweiten Kupplung die beiden Planetengetriebe derart blockiert werden können, dass diese als feste Übersetzung zwischen der Verbrennungskraftmaschine (VKM), der ersten und der zweiten elektrischen Maschine (EM1, EM2) wirken, wobei die erste Kupplung oberhalb einer vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit derart betätigt wird, dass das Fahrzeug über die erste Achse angetrieben wird und die zweite Kupplung derart betätigt wird, dass die beiden Planetengetriebe nicht blockiert werden, so dass das Fahrzeug von der Verbrennungskraftmaschine (VKM) und der zweiten elektrischen Maschine (EM2) oder optional von der dritten elektrischen Maschine (EM3) oder den mehreren elektrischen Maschinen angetrieben wird und die erste elektrische Maschine (EM1) generatorisch betrieben werden kann.
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