DE102017202160A1

DE102017202160A1 - Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102017202160A1
Application number: DE102017202160.8A
Authority: DE
Inventors: Norbert Scholz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend- eine Eingangswelle (1), die mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist,- eine Ausgangswelle (2, 2'), die mit einer angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs koppelbar ist,- eine erste und eine zweite elektrische Maschine (10, 20) und- einen ersten und einen zweiten Planetensatz (100, 200)wobei- der erste Rotor (12) mit der ersten Sonne (110) verbunden und mittels einer ersten Kupplung (31) schaltbar mit der zweiten Sonne (210) gekoppelt ist,- der erste Steg (130) fest mit der Eingangswelle (1) verbunden ist,- eines der beiden zweiten Planetensatz-Elemente aus der Gruppe von zweitem Hohlrad (220) und zweitem Steg (230) fest mit der Eingangswelle (1) verbunden ist und das andere der der beiden zweiten Planetensatz-Elemente aus der Gruppe von zweitem Hohlrad (220) und zweitem Steg (230) mittels einer ersten Bremse (41) am Gehäuse festlegbar ist,- das erste Hohlrad (120) und der zweite Rotor (22) mit der Ausgangswelle (2, 2') gekoppelt sind und- die zweite Sonne (210) mittels einer zweiten Bremse (42) am Gehäuse festlegbar ist.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass keines der zweiten Planetensatz-Elemente (210; 220; 230) über eine Kupplung an einem der jeweils beiden anderen zweiten Planetensatz-Elemente (220, 230; 210, 230; 210, 220) festlegbar ist.Die Erfindung bezieht sich zudem auf ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeug mit einer derartigen Antriebsanordnung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend

- eine drehbar in einem Gehäuse gelagerte Eingangswelle, die mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist,
- eine drehbar in dem Gehäuse gelagerte Ausgangswelle, die mit einer angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs koppelbar ist,
- eine erste elektrische Maschine mit einem gehäusefesten ersten Stator und einem drehbar dazu gelagerten ersten Rotor,
- eine zweite elektrische Maschine mit einem gehäusefesten zweiten Stator und einem drehbar dazu gelagerten zweiten Rotor,
- einen ersten Planetensatz mit drei ersten Planetensatz-Elementen, nämlich einer ersten Sonne, einem ersten Hohlrad und einem ersten Steg, auf welch letzterem ein Satz erster Planetenräder, die einerseits mit der ersten Sonne und andererseits mit dem ersten Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind, und
- einen zweiten Planetensatz mit drei zweiten Planetensatz-Elementen, nämlich einer zweiten Sonne, einem zweiten Hohlrad und einem zweiten Steg, auf welche letzterem ein Satz zweiter Planetenräder, die einerseits mit der zweiten Sonne und andererseits mit dem zweiten Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind, wobei
- der erste Rotor mit der ersten Sonne verbunden und mittels einer ersten Kupplung schaltbar mit der zweiten Sonne gekoppelt ist,
- der erste Steg fest mit der Eingangswelle verbunden ist,
- eines der beiden zweiten Planetensatz-Elemente aus der Gruppe von zweitem Hohlrad und zweitem Steg fest mit der Eingangswelle verbunden ist und das andere der der beiden zweiten Planetensatz-Elemente aus der Gruppe von zweitem Hohlrad und zweitem Steg mittels einer ersten Bremse am Gehäuse festlegbar ist,
- das erste Hohlrad und der zweite Rotor mit der Ausgangswelle gekoppelt sind und
- die zweite Sonne mittels einer zweiten Bremse am Gehäuse festlegbar ist.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit einer derartigen Antriebsanordnung.
Die zum Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung noch unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2016 220 013.5 beschreibt eine gattungsgemäße Antriebsanordnung, bei der speziell der Steg des als einfacher Planetensatz ausgeführten, zweiten Planetensatzes, d.h. der zweite Steg, mittels der ersten Bremse mit dem Gehäuse gekoppelt und das zweite Hohlrad fest mit der Eingangswelle verbunden ist, sowie verschiedene Verfahren zum Betrieb eines mit einer solchen Antriebsanordnung ausgestatteten Hybridfahrzeugs.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff „verbunden“ im Sinne einer drehzahlkonstanten Verbindung, beispielsweise über eine Festverbindung oder eine unveränderliche Übersetzungsstufe, benutzt. Im Gegensatz dazu umfasst der Begriff „gekoppelt“ sowohl derartige, drehzahlkonstante, als auch schalt- oder variierbare Verbindungen. Ist konkret der letztere Fall gemeint, wird in der Regel das entsprechende Schaltelement, insbesondere eine Bremse oder eine Kupplung, explizit angegeben. Ist hingegen konkret der erstere Fall gemeint, wird in der Regel auf die Verwendung des Begriffs „gekoppelt“ zugunsten des konkreten Begriffs „verbunden“ verzichtet. Die Verwendung des Begriffs „gekoppelt“ ohne Angabe eines konkreten Schaltelementes deutet somit in der Regel auf den beabsichtigten Einschluss beider Fälle hin. Diese Unterscheidung erfolgt allein zugunsten der besseren Verständlichkeit und insbesondere zur Verdeutlichung, wo das Vorsehen einer schalt- oder variierbaren Verbindung anstelle einer in der Regel leichter realisierbaren, drehzahlkonstanten Verbindung zwingend erforderlich ist. Die obige Definition des Begriffs „verbunden“ ist daher keinesfalls so eng auszulegen, dass willkürlich zu Umgehungszwecken eingefügte Schaltelemente aus seinem Wortsinn ausführen.
Als „Bremse“ werden allgemein Schalelemente bezeichnet, mit denen ein drehbares Element wenigstens unidirektional am Gehäuse festlegbar ist. Mit „Kupplung“ werden hingegen Schaltelemente bezeichnet, mittels derer zwei relativ zum Gehäuse drehbare Wellen in schaltbarer Weise verbindbar sind.
Mit der Antriebsanordnung der o.g. gattungsbildenden Patentanmeldung sollte u.a. ein rein elektrischer Betriebsmodus, in dem beide elektrische Maschinen zum Antrieb bzw. zur Rekuperation beitragen konnten, realisierbar sein. Hierbei war es zur Momentenabstützung notwendig, den ersten Steg festzuhalten. Dies erfolgte indirekt über eine Blockierung des zweiten Planetensatzes. Daher umfasste die gattungsgemäße Antriebsanordnung außer den oben explizit genannten Schaltelementen auch eine zweite Kupplung, mittels derer zwei Planetensatz-Elemente des zweiten Planetensatzes miteinander gekoppelt waren. Zur Blockierung des zweiten Planetensatzes wurden zwei seiner Wellen durch Schließen der zweiten Kupplung miteinander drehfest verbunden. Dies entsprach einer sog. Verblockung des zweiten Planetensatzes, der in der Folge nur noch ohne innere Relativrotationen als Block umlaufen konnte. Eine zusätzliche Festlegung seines zweiten Stegs am Gehäuse mittels der zweiten Bremse erzeugte dann die angestrebte Blockierung des zweiten Planetensatzes als Ganzes.
Die bei der gattungsgemäßen Antriebsanordnung bereits realisierte zweite Bremse war in diesem Kontext nicht erforderlich; ihr war eine ganz andere Aufgabe zugedacht. Als optionales Merkmal einer besonderen Ausführungsform diente sie der Schaffung eines zusätzlichen Festgangs, zu dessen Aktivierung im Rahmen eines entsprechenden Betriebsverfahrens sie ausschließlich genutzt, d.h. geschlossen wurde. An der Realisierung des rein elektrischen Betriebsmodus mit zwei aktiven elektrischen Maschinen war sie nicht beteiligt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Einsparung eines Schaltelements eine im Hinblick auf die Ansteuerung der beteiligten Schaltelemente vorteilhafte Alternative zur Verfügung zu stellen, um die zum rein elektrischen Betrieb mit zwei aktiven elektrischen Maschinen erforderliche Blockierung des zweiten Planetensatzes zu realisieren.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass keines der zweiten Planetensatz-Elemente über eine Kupplung an einem der jeweils beiden anderen zweiten Planetensatz-Elemente festlegbar ist.
Eine ebenfalls erfindungsgemäße Nutzung einer solchen Antriebsanordnung besteht im Betrieb eines Hybridfahrzeugs gemäß einem Verfahren nach Anspruch 9, d.h. einem Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, deren Eingangswelle mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist und deren Ausgangswelle mit einer angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs gekoppelt ist, wobei der zweite Planetensatz mittels der geschlossenen ersten und zweiten Bremsen blockiert gehalten wird, während bei geöffneter erster Kupplung (positives oder negatives) Drehmoment von jeder der beiden elektrischen Maschinen an die Ausgangswelle geliefert wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Kerngedanke der Erfindung ist es, auf die in der o.g. Patentanmeldung als erfindungszentral angesehene zweite Kupplung zu verzichten und die von dieser in Zusammenwirkung mit der ersten Bremse ermöglichte Blockierung des zweiten Planetensatzes nun durch Zusammenwirkung der ersten und der zweiten Bremse zu ermöglichen.
Wie eingangs erläutert wurden zur Blockierung des zweiten Planetensatzes bislang zwei seiner Wellen durch Schließen der zweiten Kupplung miteinander drehfest verbunden. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt jedoch keine solche Verblockung des zweiten Planetensatzes. Vielmehr werden hier zwei seiner zweiten Planetensatz-Elemente, nämlich die zweite Sonne und der zweite Steg, mittels der ersten und der zweiten Bremse unabhängig voneinander am Gehäuse festgelegt. Durch diese Festlegung zweier seiner Elemente wird der zweite Planetensatz im Ergebnis ebenfalls als Ganzes blockiert, sodass sich insgesamt ein im Wesentlichen identischer Betriebsmodus ergibt, in dem das Hybridfahrzeug rein elektrisch betrieben wird, wobei beide elektrischen Maschinen Drehmoment zu seinem Antrieb beisteuern. Der Fachmann wird erkennen, dass analoges auch im Rekuperationsfall zutrifft, in dem eine oder beide elektrischen Maschinen generatorisch betrieben werden.
Durch die Erfindung wird gegenüber einer Anordnung mit zwei Bremsen und zwei Kupplungen ein Schaltelement, nämlich die zweite Kupplung eingespart. Gegenüber einer Anordnung mit nur einer Bremse und zwei Kupplungen, gegenüber welcher also eine Kupplung durch eine Bremse „ersetzt“ wird, ergibt sich ein Vorteil im Hinblick auf die Ansteuerung der Schaltelemente, da das Öffnen und Schließen einer Bremse unter regelungstechnischen Aspekten typischerweise deutlich einfacher ist als das einer Kupplung.
Der zweite Planetensatz kann dabei als einfacher Planetensatz (Minus-Getriebe) oder als Doppelplanetensatz (Plus-Getriebe) ausgebildet sein. Beim einfachen Planetensatz ist nur ein Satz von zweiten Planetenräder auf dem zweiten Steg gelagert, die jeweils sowohl mit der zweiten Sonne als auch mit dem zweiten Hohlrad kämmen. Beim Doppelplanetensatz sind auf dem zweiten Steg zwei Sätze von zweiten Planetenrädern gelagert, von denen ein erster mit dem ersten Hohlrad und dem zweiten Satz zweiter Planetenräder kämmt, während der zweite Satz zweiter Planetenräder mit der zweiten Sonne sowie dem ersten Satz zweiter Planetenräder kämmt. Bei der Ausführungsform mit einfachem Planetensatz ist das zweite Hohlrad fest mit der Eingangswelle verbunden, während der zweite Steg mittels der ersten Bremse am Gehäuse festlegbar ist. Bei der Ausführungsform mit Doppelplanetensatz ist der zweite Steg fest mit der Eingangswelle verbunden, während das zweite Hohlrad mittels der ersten Bremse am Gehäuse festlegbar ist. Hinsichtlich der erzielbaren Betriebsmodi und deren Ansteuerung unterscheiden sich beide Varianten nicht. Mit einem Wechsel zwischen der Einfach- und der Doppelplaneten-Variante lassen sich jedoch im Einzelfall konstruktive Auslegungs- und Abstimmungsbeschränkungen umgehen.
In der Basisausführung der Erfindung verfügt die Antriebsanordnung nur über die drei in Anspruch 1 explizit genannten Schaltelemente, nämlich die erste Kupplung, die den ersten Rotor mit der zweiten Sonne koppelt, die erste Bremse, die den zweiten Steg mit dem Gehäuse koppelt und die zweite Bremse, die die zweite Sonne mit dem Gehäuse koppelt.
Die nachfolgende Schalttabelle (Tabelle 1) gibt einen Überblick über die realisierbaren Betriebsmodi. Tabelle 1

Modus B1 B2 K1

ELVA1 O O X

ELVA1* O X O

ELVA1** X O O

PAR 1 O X X

PAR 2 X O X

2MM 1 X X O

1MS 1 O O X

1MS 2 O X O

1MS 3 X O O
Dabei bedeuten B1 erste Bremse, B2 zweite Bremse, K1 erste Kupplung, O Schaltelement offen, X Schaltelement geschlossen, ELVA einfache Leistungsverzweigung mit ausgangsgekoppelter elektrischer Maschine, PAR parallel hybrider Modus, 1MS elektrischer Modus mit einer aktiven und einer geschleppten elektrischen Maschine und 2MM elektrischer Modus mit zwei (potentiell) aktiven elektrischen Maschinen (Momentenaddition). Zur detaillierten Erläuterung der einzelnen Betriebsmodi wird auf den speziellen Teil der Beschreibung verwiesen, wo insbesondere der jeweilige Momentenfluss unter rein beispielhafter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen diskutiert wird. Die mit „*“ bzw. „**“ gekennzeichneten Modi sind im Hinblick auf die Übersetzung den gleich bezeichneten Modi ohne „*“ gleichwertig. Unterschiede im Einzelnen sollen ebenfalls weiter unten im Kontext der speziellen Ausführungsbeispiele erläutert werden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Hohlrad über eine zweite Kupplung schaltbar mit der Ausgangswelle gekoppelt ist. Dadurch kann der abtriebseitige Teil der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit der zweiten elektrischen Maschine mechanisch vollständig vom eingangsseitigen Teil mit der ersten elektrischen Maschine und den beiden Planetensätzen abgetrennt werden. Es ergeben sich zwei seriellhybride Betriebsmodi, die insbesondere für die Rückwärtsfahrt vorteilhaft sind. Einerseits werden die Vorteile des elektrischen Rückwärtsfahrens, nämlich das fehlende Erfordernis einer Richtungsumkehrstufe, genutzt; andererseits erschöpft das Rückwärtsfahren die elektrischen Energiespeicher nicht bzw. bleibt auch bei leeren Elektrischen Energiespeichern möglich. Die nachfolgende Schalttabelle (Tabelle 2) gibt einen Überblick über die realisierbaren Betriebsmodi. Tabelle 2

Modus	B1	B2	K1	K2
ELVA1	O	O	X	X
ELVA1*	O	X	O	X
ELVA1**	X	O	O	X
PAR 1	O	X	X	X
PAR 2	X	O	X	X
SER 1	X	O	X	O
2MM 1	X	X	O	X
1MS 1	O	O	X	X
1MS 2	O	X	O	X
1MS 3	X	O	O	X
1M1	X	O	X	O

Dabei bedeutet 1M elektrischer Modus mit einer aktiven und einer stehenden elektrischen Maschine.
Wie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Ausgangswelle als eine Vorgelegewelle mit ein oder zwei Eingangsrädern ausgebildet ist, die mit dem außenverzahnten ersten Hohlrad und einem mit dem zweiten Rotor verbundenen Koppelrad kämmen. Im o.g. Fall einer zweiten Kupplung tritt an die Stelle des außenverzahnten ersten Hohlrades ein über die zweite Kupplung mit dem ersten Hohlrad gekoppelten Zwischenrad. Das Ausgangsrad der Vorgelegewelle kämmt mit einem Rad des weiteren Antriebs, insbesondere mit der Außenverzahnung eines Differenzialkorbs. Die Variante, bei der die Vorgelegewelle nur ein Eingangsrad aufweist ist bauraum- und gewichtsgünstiger; die Variante mit zwei Eingangsrädern der Vorgelegewelle (je eines in Zahneingriff mit dem außenverzahnten ersten Hohlrad und dem Koppelrad) ermöglicht eine variablere Übersetzungsabstimmung. Die Ausgestaltung der Ausgangswelle als Vorgelegewelle ist für Antriebsanordnungen besonders günstig, die für den Quereinbau im Kraftfahrzeug vorgesehen sind.
Alternativ kann auch eine insbesondere für einen Hinterradantrieb vorgesehene Variante realisiert werden, bei der der zweite Rotor über einen dritten Planetensatz mit der direkt mit dem ersten Hohlrad verbundenen Ausgangswelle verbunden ist. Das bedeutet, dass ein dritter Planetensatz mit drei dritten Planetensatz-Elementen, nämlich einer dritten Sonne, einem dritten Hohlrad und einem dritten Steg, auf welche letzterem ein Satz dritter Planetenräder, die einerseits mit der dritten Sonne und andererseits mit dem dritten Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind, vorhanden ist, wobei die dritte Sonne mit dem zweiten Rotor verbunden und das dritte Hohlrad mit dem Gehäuse und der dritte Steg mit der Ausgangswelle gekoppelt ist.
Diese Ausführungsform ist, insbesondere für Fahrzeuge, die eine Spitzengeschwindigkeit von über 200 km/h erreichen sollen, noch um ein Zweigang-Getriebe für die zweite elektrische Maschine erweiterbar. Hierzu ist vorgesehen, dass ein vierter Planetensatz mit drei vierten Planetensatz-Elementen, nämlich einer vierten Sonne, einem vierten Hohlrad und einem vierten Steg, auf welche letzterem ein Satz vierten Planetenräder, die einerseits mit der vierten Sonne und andererseits mit dem vierten Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind, vorhanden ist, wobei das dritte Hohlrad über eine dritte Bremse am Gehäuse festlegbar ist und die vierten Sonne mit dem zweiten Rotor verbunden, das vierten Hohlrad über eine vierte Bremse am Gehäuse festlegbar, der vierten Steg mit der Ausgangswelle verbunden ist und der dritte Steg mit dem vierten Hohlrad verbunden ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:

1: die Grundform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit zweitem Planetensatz als einfachem Planetensatz,
2: eine erste Erweiterung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
3: eine alternative Ausgestaltung des Ausgangsbereichs der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
4: die erfindungsgemäße Antriebsanordnung in Hinterradantriebs-Konfiguration entsprechend der Grundform von 1,
5: eine Variante der Konfiguration von 4,
6: eine Erweiterung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung gemäß 4,
7: eine Erweiterung der Ausführungsform gemäß 5 und
8: die Grundform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung mit zweitem Planetensatz als Doppelplanetensatz.

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt eine Grundform einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in stark schematisierter Darstellung. In einem nicht näher dargestellten Gehäuse sind eine Eingangswelle 1 und eine Ausgangswelle 2 drehbar gelagert. Die Eingangswelle 1 ist mit einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine eines Hybridfahrzeugs koppelbar. Die Ausgangswelle 2 ist mit einem weiteren Abtrieb des Hybridfahrzeugs koppelbar. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt dies über ein Ausgangsrad 3 der Ausgangswelle 2, welches mit der Außenverzahnung eines Differenzialkorbs eines nachgeschalteten Differenzials 4 kämmt.
Zentrale Elemente der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung sind eine erste elektrische Maschine 10 und eine zweite elektrische Maschine 20. Die erste elektrische Maschine 10 umfasst einen gehäusefesten Stator 11 und einen drehbar dazu gelagerten Rotor 12. Die zweite elektrische Maschine 20 umfasst einen gehäusefesten Stator 21 und einen drehbar dazu gelagerten Rotor 22.
Weiter weist die erfindungsgemäße Antriebsanordnung zwei Planetensätze auf, nämlich einen ersten Planetensatz 100 und einen zweiten Planetensatz 200. Der erste Planetensatz 100 umfasst eine erste Sonne 110, ein erstes Hohlrad 120 und einen ersten Steg 130, auf dem Planetenräder 131 drehbar gelagert sind. Der zweite Planetensatz 200 umfasst eine zweite Sonne 210, ein zweites Hohlrad 220 und einen zweiten Steg 230, auf dem Planetenräder 231 drehbar gelagert sind.
Die Planetensätze 100, 200 sind koaxial zur Eingangswelle 1 angeordnet. Axial zwischen beiden Planetensätzen 100, 200 ist die erste elektrische Maschine 10, ebenfalls in koaxialer Orientierung, angeordnet. Die erste Sonne 110 ist fest mit dem Rotor 12 der ersten elektrischen Maschine 10 verbunden. Der erste Steg 130 ist fest mit der Eingangswelle 1 verbunden. Das erste Hohlrad 120 ist zusätzlich außenverzahnt und kämmt mit seiner Außenverzahnung mit einem ersten Eingangsrad 5 der als Vorgelegewelle ausgebildeten Ausgangswelle 2. Ein zweites Eingangsrad 6 der Vorgelegewelle 2 kämmt mit der Verzahnung eines Koppelrades 7 auf der Welle des zweiten Rotors 22.
Der zweite Steg 230 ist über eine erste Bremse 41 am Gehäuse festlegbar. Die zweite Sonne 210 ist über eine erste Kupplung 31 schaltbar mit dem Rotor 12 der ersten elektrischen Maschine 10 gekoppelt. Sie ist zudem über eine zweite Bremse 42 am Gehäuse festlegbar. Durch Schließen der beiden Bremsen 41, 42 lässt sich somit der zweite Planetensatz 200 komplett blockieren.
In einem einfach leistungsverzweigten Betriebsmodus (ELVA in Tabelle 1) sind die erste Bremse 41 und die zweite Bremse 42 geöffnet, während die erste Kupplung 31 geschlossen ist. Über die Eingangswelle 1 eingeleitete mechanische Leistung verzweigt sich dabei im ersten Planetensatz 100. Das Eingangsdrehmoment wird über den ersten Steg 130 eingeleitet. Teilweise wird es über das erste Hohlrad 120 und das erste Eingangsrad 5 der Vorgelegewelle 2 in rein mechanischer Form an den Ausgang geliefert. Teilweise wird es über die erste Sonne 110 zum generatorischen Antrieb der ersten elektrischen Maschine 10 genutzt. Die dabei erzeugte elektrische Leistung wird über eine nicht dargestellte Leistungselektronik, an welche ein ebenfalls nicht dargestellter elektrischer Energiespeicher angeschlossen ist, an die zweite elektrische Maschine 20 übergeleitet. Deren Drehmoment wird über das Koppelrad 7 und an die Ausgangswelle 2 geliefert. Der zweite Planetensatz 200 dreht dabei lastfrei und übersetzungstechnisch wirkungslos mit.
Ein funktional gleichwertiger einfach leistungsverzweigter Modus (ELVA 1* in Tabelle 1) lässt sich mit geöffneter erster Bremse 41, geöffneter erster Kupplung 31 und geschlossener zweiter Bremse 42 darstellen. In diesem Fall steht die zweite Sonne 210. Im Übrigen kann aber vollumfänglich auf das oben zum Modus ELVA gesagte verwiesen werden.
Ein weiterer funktional gleichwertiger einfach leistungsverzweigter Modus (ELVA 1** in Tabelle 1) lässt sich auch mit geschlossener erster Bremse 41, geöffneter zweiter Bremse und geöffneter erster Kupplungen 31 darstellen. In diesem Fall ist der zweite Steg 230 am Gehäuse festgelegt. Im Übrigen kann aber vollumfänglich auf das oben zum Modus ELVA gesagte verwiesen werden.
In einem ersten parallelhybriden Betriebsmodus (PAR 1 in Tabelle 1) ist die erste Bremse 41 geöffnet und die zweite Bremse 42 sowie die erste Kupplung 31 sind geschlossen. Es handelt sich hierbei um einen Festgang, bei dem das Eingangsmoment im ersten Planetensatz 100, dessen erste Sonne 110 am Gehäuse festgelegt ist, übersetzt wird und von zusätzlichem Moment aus der zweiten elektrischen Maschine 20 unterstützt werden kann. Der zweite Planetensatz 200 verhält sich wie im oben beschriebenen Modus ELVA*.
In einem zweiten parallelhybriden Betriebsmodus (PAR 2 in Tabelle 1) sind die erste Bremse 41 und die erste Kupplung 31 geschlossen, während die zweite Bremse 42 geöffnet ist. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird mechanisch aufgeteilt an den ersten Steg 130 und das zweite Hohlrad 220 geliefert. Der zweite Planetensatz 200 wirkt aufgrund seines mittels der geschlossenen ersten Bremse 41 festgelegten Stegs als reine Übersetzungsstufe. Die als sein Ausgangselement wirkende zweite Sonne 210 ist aufgrund der geschlossenen ersten Kupplung 31 mit der ersten Sonne 110 verbunden, sodass am ersten Hohlrad 120 des im Drei-Wellen-Betrieb arbeitenden ersten Planetensatzes 100 eine fest übersetzte Drehzahl anliegt. Das verbrennungsmotorische Moment kann von der ersten und/oder zweiten elektrischen Maschine 10, 20, die im motorischen oder im generatorischen Betrieb betreibbar sind, unterstützt werden.
Ein seriell hybrider Betriebsmodus ist mit der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung nicht darstellbar. Wohl aber mehrere rein elektrische Modi.
Schließen von erster Bremse 41 und zweiter Bremse 42 sowie Öffnen der ersten Kupplung 31. führt bei ausgeschalteter Verbrennungskraftmaschine zu einem elektrischen Modus, bei dem sich die Momente beider elektrischer Maschinen 10, 20 addieren (2MM 1 in Tabelle 1). Der zweite Planetensatz 200 steht wegen der geschlossenen Bremsen 41, 42, die seine Sonne 210 und seinen Steg 220 unabhängig voneinander am Gehäuse festlegen, still. Damit werden auch die Eingangswelle 1 und der mit ihr verbundene erste Steg 130 festgehalten. Die offene erste Kupplung 31 gestattet jedoch eine Rotation im wegen seines festgehaltenen Stegs 130 als reine Übersetzungsstufe wirkenden ersten Planetensatzes 100, der das Moment der ersten elektrischen Maschine 10 von seiner Sonne 110 zu seinem Hohlrad 120 übersetzt. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite elektrische Maschine 20 Moment beitragen.
Ein zweiter rein elektrischer Betriebsmodus (1MS1 in Tabelle 1), der dem oben erläuterten Modus ELVA, jedoch mit ausgeschalteter Verbrennungskraftmaschine entspricht, ist mit geöffneter erste und zweiter Bremse 41, 42 bei geschlossener erster Kupplung 31 darstellbar. In diesem Modus kann die erste elektrische Maschine 10 kein Antriebsmoment liefern, da wegen der geöffneten ersten Bremse 41 keine Abstützung des Moments im zweiten Planetensatz 200 und damit auch nicht am ersten Steg 130 erfolgen kann. Das Antriebsmoment wird lediglich von der zweiten elektrischen Maschine 20 geliefert. Die erste elektrische Maschine 10 wird jedoch über den wegen seines mit der stillstehenden Eingangswelle 1 selbst stillstehenden Stegs 130 als reine Übersetzungsstufe wirkenden ersten Planetensatz 100 mitgeschleppt.
Ein dritter rein elektrischer Betriebsmodus (1MS1 in Tabelle 1), der dem oben erläuterten Modus ELVA*, jedoch mit ausgeschalteter Verbrennungskraftmaschine entspricht, ist mit geöffneter erste Bremse 41 und erster Kupplung 31 bei geschlossener zweiter Bremse 42 darstellbar. In diesem Modus kann die erste elektrische Maschine 10 kein Antriebsmoment liefern, da wegen der geöffneten ersten Bremse 41 keine Abstützung des Moments im zweiten Planetensatz 200 und damit auch nicht am ersten Steg 130 erfolgen kann. Das Antriebsmoment wird lediglich von der zweiten elektrischen Maschine 20 geliefert. Die erste elektrische Maschine 10 wird jedoch über den wegen seines mit der stillstehenden Eingangswelle 1 selbst stillstehenden Stegs 130 als reine Übersetzungsstufe wirkenden ersten Planetensatz 100 mitgeschleppt.
Ein vierter rein elektrischer Betriebsmodus (1MS3 in Tabelle 1), der dem oben erläuterten Modus ELVA 1**, jedoch mit ausgeschalteter Verbrennungskraftmaschine entspricht, lässt sich mit geschlossener erster Bremse 41 und geöffneter zweiter Bremse 42 sowie geöffneter erster Kupplung 31 darstellen. In diesem Modus kann die erste elektrische Maschine 10 kein Antriebsmoment liefern, da wegen der geöffneten zweiten Bremse 42 keine Abstützung des Moments im zweiten Planetensatz 200 und auch nicht am ersten Steg 130 erfolgen kann. Das Antriebsmoment wird lediglich von der zweiten elektrischen Maschine 20 geliefert. Die erste elektrische Maschine 10 wird jedoch über den wegen seines mit der stillstehenden Eingangswelle 1 selbst stillstehenden Stegs 130 als reine Übersetzungsstufe wirkenden ersten Planetensatz 100 mitgeschleppt.
2 zeigt eine Erweiterung der Ausführungsform von 1 um eine zweite Kupplung 32, mittels derer das erste Hohlrad 120 von seiner Übersetzungsstufe mit dem ersten Eingangsrad 5 der Ausgangswelle 2 trennbar ist. Diese Erweiterung ist ohne Weiteres mit sämtlichen anderen hier Varianten der Erfindung kombinierbar. Es ergibt sich hieraus ein zusätzlicher seriell hybrider bzw. - bei abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine - rein elektrischer Betriebsmodus.
Dieser seriell hybride (SER 1 in Tabelle 2) bzw. rein elektrische (1M 1 in Tabelle 2) Betriebsmodus ergibt sich bei geschlossener erster Bremse 41 und erster Kupplung 31 und geöffneter zweiter Bremse 42 und zweiter Kupplung 32. Durch die geöffnete zweite Kupplung 32 ist der Eingangsbereich des erfindungsgemäßen Antriebstrangs mit erster elektrischer Maschine 10 und den beiden Planetensätzen 100, 200 vom Ausgangsbereich mit zweiter elektrischer Maschine 20 und Ausgangswelle 2 getrennt. Verbrennungsmotorisches Moment kann nicht auf mechanischem Wege übertragen werden. Zugleich bewirkt die geöffnete zweite Kupplung 32, dass der erste Planetensatz 100 leer läuft. Das Moment der Verbrennungskraftmaschine wird also im zweiten Planetensatz 200, dessen Steg 230 über die geschlossene erste Bremse 41 fixiert ist, übersetzt und kann zum generatorischen Betrieb der ersten elektrischen Maschine 10 genutzt werden. Die zweite elektrische Maschine 20 wird motorisch betrieben und dient der Erzeugung des Antriebsmoments.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Ausgangsbereichs der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung. Anstelle einer Vorgelegewelle mit zwei Eingangsrädern 5, 6 und einem Ausgangsrad 3 wird hier lediglich eine Vorgelegewelle 2 mit einem Eingangsrad 5 und einem Ausgangsrad 3 verwendet. Sowohl der zweite Rotor 22 als auch die Außenverzahnung des nur gestrichelt angedeuteten ersten Hohlrades 120 (bzw. eines Zwischenrades im Fall von Ausgestaltungen mit zweiter Kupplung 32) greifen am selben (einzigen) Eingangsrad 5 der Vorgelegewelle 2 an. Diese Ausgestaltung ist ohne Weiteres mit sämtlichen anderen hier genannten Varianten der Erfindung kombinierbar.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorgenannten Ausführungsformen insbesondere für den Front-Quereinbau in einem Fahrzeug geeignet sind. 4 zeigt hingegen eine zum Längseinbau, insbesondere für Fahrzeuge mit Hinterradantrieb, geeignete Variante, die, abgesehen vom Ausgangsbereich, im Wesentlichen der Grundform von 1 entspricht, wobei der erste und zweite Planetensatz 100, 200 ihre axialen Positionen getauscht haben. Die zweite elektrische Maschine 20 ist dem ersten Planetensatz 100 axial benachbart und in koaxialer Orientierung angeordnet. Das erste Hohlrad 120 ist hierbei direkt mit der Ausgangswelle 2' verbunden. Die zweite elektrische Maschine 20 ist über einen dritten Planetensatz 300 an die Ausgangswelle 2' angeschlossen. Die dritte Sonne 310 des dritten Planetensatzes 300 ist dabei mit dem zweiten Rotor 22 verbunden. Das dritte Hohlrad 320 des dritten Planetensatzes 300 ist dauerhaft am Gehäuse festgelegt. Der dritte Steg 330 des dritten Planetensatzes 300, auf dem ein Satz dritter Planetenräder 331 drehbar gelagert ist, ist mit der Ausgangswelle 2' verbunden. Die Gestaltung des Ausgangsbereichs kann selbstverständlich mit allen anderen hier genannten Varianten der Erfindung kombiniert werden. Hinsichtlich der Funktionalitäten und Wirkungsweisen kann cum grano salis auf das zuvor gesagte verwiesen werden.
5 zeigt eine Abwandlung der Anordnung von 4 mit in ihrer axialen Position vertauschter erster elektrischer Maschine 10 und zweitem Planetensatz 200. Funktionale Änderungen ergeben sich hieraus nicht.
Die 6 und 7 zeigen jeweils dieselbe Erweiterung der Ausgestaltungen nach 4 bzw. 5. Hier schließt sich dem dritten Planetensatz 300 ein axial benachbarter und koaxial orientierter vierter Planetensatz 400 mit vierter Sonne 410, viertem Hohlrad 420 und viertem Steg 430, auf dem vierte Planetenräder 431 gelagert sind, an. Drittes und viertes Hohlrad 320, 420 sind hier jeweils mit einer zugeordneten dritten bzw. vierten Bremse 43, 44 am Gehäuse festlegbar. Dritte und vierte Sonne 310, 410 sowie der Rotor 22 der zweiten elektrischen Maschine 20, sind fest miteinander verbunden. Der dritte Steg 330 ist mit dem vierten Hohlrad 420 verbunden. Der vierte Steg 430 ist mit der Ausgangswelle 2' verbunden. Die schaltbaren Planentensätze 300, 400 stellen ein ausgangsseitiges Zweigang-Getriebe dar, das z.B. für den seriell hybriden oder rein elektrischen Betrieb von Fahrzeugen im Höchstgeschwindigkeitsbereich nützlich sein kann. Geöffnete dritte Bremse 43 und geschlossene vierte Bremse 44 liefern dabei einen ersten Gang. Geschlossene dritte Bremse 43 und geöffnete vierte Bremse 44 liefern einen zweiten Gang.
8 zeigt im Wesentlichen erneut die Grundform der Erfindung gemäß 1, jedoch mit einer Ausgestaltung des zweiten Planetensatzes 200 als Doppelplanetensatz, dessen zweite Planetenräder nun in einen ersten Satz zweiter Planetenräder 231a und einen zweiten Satz zweiter Planetenräder 231b aufgeteilt sind. Wegen der daraus resultierenden Drehrichtungsumkehr ist eine Vertauschung der Anbindungen des zweiten Hohlrades 220 und des zweiten Stegs 230 erforderlich. Hinsichtlich der Funktionalität kann mutatis mutandum auf das oben zu 1 gesagte verwiesen werden. Der Fachmann wird verstehen, dass sich die Ausgestaltung des zweiten Planetensatzes 200 als Doppelplanetensatz (samt zugehöriger Anbindungsvertauschung) auch mit allen anderen hier genannten Ausführungsformen der Erfindung kombinieren lässt.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
Bezugszeichenliste

1: Eingangswelle
2: Ausgangswelle, Vorgelegewelle
2': Ausgangswelle
3: Ausgangsrad von 2
4: Differenzial
5: erstes Eingangsrad von 2
6: zweites Eingangsrad von 2
10: erste elektrische Maschine
11: erster Stator
12: erster Rotor
20: zweite elektrische Maschine
21: zweiter Stator
22: zweiter Rotor
31: erste Kupplung
32: zweite Kupplung
41: erste Bremse
42: zweite Bremse
43: dritte Bremse
44: vierte Bremse
100: erster Planetensatz
110: erste Sonne
120: erstes Hohlrad
130: erster Steg
131: erste Planetenräder
200: zweiter Planetensatz
210: zweite Sonne
220: zweites Hohlrad
230: zweiter Steg
231, 231a, b: zweite Planetenräder
300: dritter Planetensatz
310: dritte Sonne
320: drittes Hohlrad
330: dritter Steg
331: dritte Planetenräder
400: vierter Planetensatz
410: vierter Sonne
420: vierter Hohlrad
430: vierter Steg
431: vierte Planetenräder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016220013 [0003]

Claims

Antriebsanordnung für ein Hybridfahrzeug, umfassend - eine drehbar in einem Gehäuse gelagerte Eingangswelle (1), die mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist, - eine drehbar in dem Gehäuse gelagerte Ausgangswelle (2, 2'), die mit einer angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs koppelbar ist, - eine erste elektrische Maschine (10) mit einem gehäusefesten ersten Stator (11) und einem drehbar dazu gelagerten ersten Rotor (12), - eine zweite elektrische Maschine (20) mit einem gehäusefesten zweiten Stator (21) und einem drehbar dazu gelagerten zweiten Rotor (22), - einen ersten Planetensatz (100) mit drei ersten Planetensatz-Elementen, nämlich einer ersten Sonne (110), einem ersten Hohlrad (120) und einem ersten Steg (130), auf welch letzterem ein Satz erster Planetenräder (131), die einerseits mit der ersten Sonne (110) und andererseits mit dem ersten Hohlrad (120) kämmen, drehbar gelagert sind, und - einen zweiten Planetensatz (200) mit drei zweiten Planetensatz-Elementen, nämlich einer zweiten Sonne (210), einem zweiten Hohlrad (220) und einem zweiten Steg (230), auf welche letzterem ein Satz zweiter Planetenräder (231), die einerseits mit der zweiten Sonne (210) und andererseits mit dem zweiten Hohlrad (220) kämmen, drehbar gelagert sind, wobei - der erste Rotor (12) mit der ersten Sonne (110) verbunden und mittels einer ersten Kupplung (31) schaltbar mit der zweiten Sonne (210) gekoppelt ist, - der erste Steg (130) fest mit der Eingangswelle (1) verbunden ist, - eines der beiden zweiten Planetensatz-Elemente aus der Gruppe von zweitem Hohlrad (220) und zweitem Steg (230) fest mit der Eingangswelle (1) verbunden ist und das andere der der beiden zweiten Planetensatz-Elemente aus der Gruppe von zweitem Hohlrad (220) und zweitem Steg (230) mittels einer ersten Bremse (41) am Gehäuse festlegbar ist, - das erste Hohlrad (120) und der zweite Rotor (22) mit der Ausgangswelle (2, 2') gekoppelt sind und - die zweite Sonne (210) mittels einer zweiten Bremse (42) am Gehäuse festlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass keines der zweiten Planetensatz-Elemente (210; 220; 230) über eine Kupplung an einem der jeweils beiden anderen zweiten Planetensatz-Elemente (220, 230; 210, 230; 210, 220) festlegbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Planetensatz (200) ein einfacher Planetensatz ist, wobei das zweite Hohlrad (220) fest mit der Eingangswelle (1) verbunden ist und der zweite Steg (230) mittels der ersten Bremse (41) am Gehäuse festlegbar ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Planetensatz (200) ein Doppelplanetensatz ist, wobei der zweite Steg (230) fest mit der Eingangswelle (1) verbunden ist und das zweite Hohlrad (220) mittels der ersten Bremse (41) am Gehäuse festlegbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Hohlrad (120) über eine zweiten Kupplung (32) schaltbar mit der Ausgangswelle (2) gekoppelt ist.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (2) als eine Vorgelegewelle mit ein oder zwei Eingangsrädern (5, 6) ausgebildet ist, die mit dem außenverzahnten ersten Hohlrad (120) und einem mit dem zweiten Rotor (22) verbundenen Koppelrad (7) kämmen.
Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (2) als eine Vorgelegewelle mit ein oder zwei Eingangsrädern (5, 6) ausgebildet ist, die mit einem mit dem zweiten Rotor (22) verbundenen Koppelrad (7) und einem über die zweite Kupplung (32) mit dem ersten Hohlrad (120) gekoppelten Zwischenrad (8) kämmen.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Planetensatz (300) mit drei dritten Planetensatz-Elementen, nämlich einer dritten Sonne (310), einem dritten Hohlrad (320) und einem dritten Steg (330), auf welche letzterem ein Satz dritter Planetenräder (331), die einerseits mit der dritten Sonne (310) und andererseits mit dem dritten Hohlrad (320) kämmen, drehbar gelagert sind, vorhanden ist, wobei die dritte Sonne (310) mit dem zweiten Rotor (22) verbunden und das dritte Hohlrad (320) mit dem Gehäuse und der dritte Steg (330) mit der Ausgangswelle (2') gekoppelt ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Planetensatz (400) mit drei vierten Planetensatz-Elementen, nämlich einer vierten Sonne (410), einem vierten Hohlrad (420) und einem vierten Steg (430), auf welche letzterem ein Satz vierten Planetenräder (431), die einerseits mit der vierten Sonne (410) und andererseits mit dem vierten Hohlrad (420) kämmen, drehbar gelagert sind, vorhanden ist, wobei das dritte Hohlrad (320) über eine dritte Bremse (43) am Gehäuse festlegbar ist und die vierten Sonne (410) mit dem zweiten Rotor (22) verbunden, das vierte Hohlrad (420) über eine vierte Bremse (44) am Gehäuse festlegbar, der vierte Steg (430) mit der Ausgangswelle (2') verbunden ist und der dritte Steg (330) mit dem vierten Hohlrad (420) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs mit einer Antriebsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, deren Eingangswelle (1) mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist und deren Ausgangswelle (2, 2') mit einer angetriebenen Achse des Hybridfahrzeugs gekoppelt ist, wobei der zweite Planetensatz (200) mittels der geschlossenen ersten und zweiten Bremsen (41, 42) blockiert gehalten wird, während bei geöffneter erster Kupplung (31) Drehmoment von jeder der beiden elektrischen Maschinen an die Ausgangswelle (2, 2') geliefert wird.