DE102019135657A1 - Elektrischer Antriebsstrang mit Anfahrunterstützung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsstrang und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs.Der erfindungsgemäße elektrische Antriebsstrang (1) für ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug umfassta) einen Elektromotor (2) mit einer Motorwelle (4) undb) eine Anfahrunterstützungseinheit (3), die mit der Motorwelle (4) mechanisch verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment der Motorwelle (4) in eine Abtriebsdrehzahl und ein Abtriebsdrehmoment umzuwandeln, wobei die Abtriebsdrehzahl geringer ist als die Motordrehzahl und/oder das Abtriebsdrehmoment höher ist als das Motordrehmoment.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsstrang und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs.
  • Aus der US 2019/0092157 A1 ist ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor, einem Drehmomentwandler, der koaxial zu einer Abtriebswelle des Elektromotors angeordnet ist, und einem Automatikgetriebe, das auf einem Kraftübertragungsweg zwischen dem Elektromotor und den Antriebsrädern angeordnet ist, bekannt.
  • Der erfindungsgemäße elektrische Antriebsstrang für ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug umfasst
    1. a) einen Elektromotor mit einer Motorwelle und
    2. b) eine Anfahrunterstützungseinheit, die mit der Motorwelle mechanisch verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment der Motorwelle in eine Abtriebsdrehzahl und ein Abtriebsdrehmoment umzuwandeln, wobei die Abtriebsdrehzahl geringer ist als die Motordrehzahl und/oder das Abtriebsdrehmoment höher ist als das Motordrehmoment.
  • Im Folgenden werden unter Effizienzen Energieeffizienzen verstanden.
  • Bei Anfahrprozessen von rein elektrischen Fahrzeugen werden Elektromotoren typischerweise in ersten Leistungsbereichen betrieben, die durch niedrige Motordrehzahlen und geringe Motoreffizienzen gekennzeichnet sind. Dies kann zu hohen thermischen Belastungen von Elektromotorpolen und/oder Wechselrichterschaltelementen führen.
  • Dadurch, dass der erfindungsgemäße elektrische Antriebsstrang eine Anfahrunterstützungseinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment der Motorwelle in eine Abtriebsdrehzahl und ein Abtriebsdrehmoment umzuwandeln, kann ein Elektromotor während eines Anfahrprozesses in einem zweiten Leistungsbereich, welcher gegenüber dem ersten Leistungsbereich eine höhere Effizienz aufweist, betreiben werden. Im zweiten Leistungsbereich erzeugt der Elektromotor ein Anfahrmotordrehmoment und eine Anfahrmotordrehzahl, welche durch die Anfahrunterstützungseinheit umgewandelt werden in ein Anfahrabtriebsdrehmoment und eine Anfahrabtriebsddrehzahl.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs bei einem Anfahrprozess umfasst die Schritte:
    1. a) Erhöhen einer Anfahrmotordrehzahl und eines Anfahrmotordrehmoments einer Elektromotorwelle eines Elektromotors;
    2. b) Umwandeln der Anfahrmotordrehzahl und des Anfahrmotordrehmoments in eine Anfahrabtriebsdrehzahl und ein Anfahrabtriebsdrehmoment mittels einer Anfahrunterstützungseinheit, wobei die Anfahrabtriebsdrehzahl geringer ist als die Anfahrmotordrehzahl und/oder das Anfahrabtriebsdrehmoment höher ist als das Anfahrmotordrehmoment;
    3. c) Schließen einer Überbrückungskupplung der Anfahrunterstützungseinheit.
  • Durch das Schließen der Überbrückungskupplung wird eine Drehmoment- und/oder Drehzahlwandlung durch die Anfahrunterstützungseinheit beendet. Dadurch können wandlungsbedingte Energieverluste der Anfahrunterstützungseinheit vermieden werden.
  • Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
    • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrangs,
    • 2 ein Ausführungsbeispiel eines Betriebsparameterdiagramms eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsstrangs und
    • 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebsstrangs 1 ist in 1 dargestellt. Der elektrische Antriebsstrang 1 umfasst einen Elektromotor 2, der als Permanentmagnet-Synchronmotor 2 mit einer Motorwelle 4, einem Läufer 26 und einem Stator 27 ausgebildet ist.
  • Weiterhin umfasst der elektrische Antriebsstrang 1 eine Anfahrunterstützungseinheit 3. Im Ausführungsbeispiel ist die Anfahrunterstützungseinheit 3 ein hydrodynamischer Drehmomentwandler. Der Drehmomentwandler 3 umfasst ein öldichtes Gehäuse 5, welches mit einem Öl gefüllt ist, eine Antriebswelle 6, die mit der Motorwelle 4 mechanisch verbunden ist, und ein Pumpenrad 7, das mit der Antriebswelle 6 verbunden ist. Weiterhin umfasst der Drehmomentwandler 3 ein Turbinenrad 8, welches mit einer Abtriebswelle 9 verbunden ist und ein Leitrad 10, welches mit dem Gehäuse 5 verbunden ist. Das Pumpenrad 7 wandelt mechanische Energie der Antriebswelle 6 in eine Strömungsenergie des Öls um. Das Leitrad 10 bewirkt einen Ölrückstau, welcher zu einer Momenterhöhung am Turbinenrad 8 führt. Das Turbinenrad 8 wandelt die Strömungsenergie des Öls in eine mechanische Energie der Abtriebswelle 9 in Form einer Abtriebsdrehzahl und eines Abtriebsdrehmoments um.
  • Des Weiteren umfasst der elektrische Antriebsstrang 1 eine zentrifugale Ölkühlung mit einem Kühler 28. Eine Zuleitung 29 verbindet den Kühler 28 hydraulisch mit dem hydrodynamischen Drehmomentwandler 3. Die Motorwelle 4 des Elektromotors 2 umfasst in ihrem inneren einen Kühlkanal 11, welcher mit dem Kühler 28 ableitungsseitig hydraulisch verbunden ist (siehe 1). In einem Bereich, in dem die Motorwelle 4 vom Läufer umschlossen wird, stellen Motorwellenbohrungen 30 eine hydraulische Verbindung zwischen dem Kühlkanal 11 und einer Läuferaußenfläche her. Im Betrieb wird Öl aus dem hydrodynamischen Drehmomentwandler 3 über die Zuleitung 29, den Kühler 28 und den Kühlkanal 11 in den Läufer gefördert. Durch eine Zentrifugalkraft wird das Öl aus dem Läufer 26 heraus auf Pole 12 des Stators 27 geschleudert, wodurch diese gekühlt werden. Anschließend fließt das Öl über einen Rücklaufkanal 13 in den hydrodynamischen Drehmomentwandler 3 zurück. In 1 sind Ölflussrichtungen anhand von schwarz gefüllten Pfeilen gekennzeichnet.
  • Weiterhin umfasst der elektrische Antriebsstrang 1 ein Getriebe 14 mit einer festen Drehmoment- und Drehzahlübersetzung, welches mit der Abtriebswelle 9 des hydrodynamischen Drehmomentwandlers 3 verbunden ist. Der hydrodynamische Drehmomentwandler 3 ist stufenlos. Im Ausführungsbeispiel umfasst der Antriebsstrang 1 keine weiteren Drehmoment- und/oder Drehzahlwandler. Somit weisen alle Drehmoment- und/oder Drehzahlwandler des Antriebsstrangs 1 feste oder stufenlose Drehmoment- und/oder Drehzahlübersetzungen auf.
  • Der elektrische Antriebsstrang 1 ist im Ausführungsbeispiel Teil eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) und wird bei einem Anfahrprozess betreiben. Im Ausführungsbeispiel ist der Anfahrprozess dadurch gekennzeichnet, dass eine Anfahrmotordrehzahl der Motorwelle 4 kleiner ist als 15 % einer maximalen Motordrehzahl 15. Im Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Motordrehzahl 15000 rmp. Die maximale Motordrehzahl 15 und ein 15 %-Wert 16 der maximalen Motordrehzahl sind in einem Betriebsparameterdiagramm 17 in 2 dargestellt. Das Betriebsparameterdiagramm 17 zeigt eine zweidimensionale Auftragung von Motordrehmomenten des Elektromotors 2 auf einer Y-Achse 18 und Motordrehzahlen des Elektromotors 2 auf einer X-Achse 19 bei verschiedenen Betriebspunkten. Ebenfalls in 2 dargestellt sind Niveaulinien 20. Eine Niveaulinie 20 kennzeichnet Betriebspunkte des Elektromotors 2 mit gleicher Motoreffizienz.
  • Im Ausführungsbeispiel steigt bei einem Anfahrprozess ein Anfahrmotordrehmoment mit einer Anfahrmotordrehzahl progressiv an. Der Anstieg des Anfahrmotordrehmoments ist in einer ersten Kennlinie 21 in 2 dargestellt. Das Anfahrmotordrehmoment und die Anfahrmotordrehzahl werden mittels des hydrodynamischen Drehmomentwandlers 3 in ein Anfahrabtriebsdrehmoment und eine Anfahrabtriebsdrehzahl umgewandelt. Das Anfahrabtriebsdrehmoment ist 2,5-mal so groß wie ein Anfahrmotordrehmoment. Es steigt mit der Anfahrabtriebsdrehzahl ebenfalls progressiv an. Der progressive Anstieg des Anfahrabtriebsdrehmoments ist in einer zweiten Kennlinie 22 in 2 dargestellt.
  • Im Ausführungsbeispiel ermöglicht die Drehomomentwandlung beim Anfahrprozess einen Betrieb des Elektromotors 2 in einem Anfahrleistungsbereich, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine durchschnittliche Elektromotoranfahreffizienz mehr als 80 % beträgt. Durch die hohe durchschnittliche Elektromotoranfahreffizienz ist eine verlustleistungsbedingte durchschnittliche thermische Belastung eines Elektromotorpols und eines Wechselrichterschalters beim Anfahrprozess um nicht mehr als einen Faktor von 1,2 höher als in einem kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich 23 des Elektromotors 2. Im Ausführungsbeispiel wird unter thermischer Belastung eine Elektromotorpoltemperatur oder Wechselrichterschaltertemperatur in °C verstanden. Der kontinuierliche Betriebsleistungsbereich 23 ist im Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, dass das Motordrehmoment zwischen 75 % und 85 % eines maximalen Motordrehmoments 24 beträgt. Der kontinuierliche Betrieb des Elektromotors 2 bei derart hohen Motordrehmomenten wird im Ausführungsbeispiel durch eine hohe Kühlleistung der zentrifugalen Ölkühlung ermöglicht. Der kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich 23 sowie das maximalen Motordrehmoment 24 sind in 2 gekennzeichnet.
  • Weiterhin ermöglicht der hydrodynamische Drehmomentwandler 3 beim Anfahrprozess einen Betrieb des Elektromotors 2 mit einem reproduzierbaren, drehzahlabhängigen Elektromotoranfahrwiderstand. Daher kann im beschriebenen elektrischen Antriebsstrang 1 auf einen Einsatz eines Drehgebers, wie er typischerweise bei drehzahlvariablen Synchronmotoren Anwendung findet, verzichtet werden.
  • Im Ausführungsbeispiel umfasst der hydrodynamische Drehmomentwandler 3 eine Überbrückungskupplung 25. Die Überbrückungskupplung 25 ist eine wiederholbar herstellbare und wiederholbar lösbare drehstarre mechanische Verbindung zwischen der Antriebswelle 6 und der Abtriebswelle 9 des hydrodynamischen Drehmomentwandlers 3.
  • Der elektrische Antriebsstrang 1 wird bei einem Anfahrprozess mit folgendem Verfahren betrieben (siehe 3): Zu Beginn des Verfahrens ist die Überbrückungskupplung 25 des hydrodynamischen Drehmomentwandlers 3 geöffnet und der Elektromotor 2 steht still. In einem ersten Schritt S1 werden die Anfahrmotordrehzahl und das Anfahrmotordrehmoment der Motorwelle 4 erhöht. Das Anfahrmotordrehmoment steigt dabei mit der Anfahrmotordrehzahl progressiv an.
    In einem zweiten Schritt S2, der parallel zum ersten Schritt S1 abläuft, werden die Anfahrmotordrehzahl und das Anfahrmotordrehmoment mittels des hydrodynamischen Drehmomentwandlers 3 in eine Anfahrabtriebsdrehzahl und ein Anfahrabtriebsdrehmoment umgewandelt. Das Anfahrabtriebsdrehmoment ist 2,5-mal so hoch wie das Anfahrmotordrehmoment. Es ist dazu geeignet, das Fahrzeug beim Anfahrprozess zu beschleunigen.
    In einem dritten Schritt S3, welcher nach dem ersten und zweiten Schritt S1, S2 erfolgt, wird die Überbrückungskupplung 25 des hydrodynamischen Drehmomentwandlers 3 geschlossen. Dadurch wird eine Verlustleistung des hydrodynamischen Drehmomentwandlers 3 reduziert.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebsstrangs (nicht gezeigt) umfasst einen Elektromotor und einen Wechselrichter, welcher mit dem Elektromotor verbunden ist. Sowohl der Elektromotor als auch der Wechselrichter sind kleiner dimensioniert als bei konventionellen elektrischen Antriebssträngen mit gleicher Leistung. Die kleinere Dimensionierung ist möglich, da der Elektromotor im Antriebsstrang in einem höheren kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich betreibbar ist, als dies in konventionellen elektrischen Antriebssträngen der Fall ist.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) umfasst ein elektrischer Antriebsstrang eine zentrifugale Ölkühlung mit einem Kühler und einer Kühlkreislaufpumpe. Die Kühlkreislaufpumpe ist unmittelbar vor dem Kühler angebracht. Im Betrieb erzeugt die Kühlkreislaufpumpe eine Zwangsumwälzung eines Kühlmediums.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines elektrischen Antriebsstrangs (nicht gezeigt) ist die Anfahrunterstützungseinheit eine Magnetpulverkupplung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2019/0092157 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Elektrischer Antriebsstrang (1) für ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug, umfassend a) einen Elektromotor (2) mit einer Motorwelle (4) und b) eine Anfahrunterstützungseinheit (3), die mit der Motorwelle (4) mechanisch verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment der Motorwelle (4) in eine Abtriebsdrehzahl und ein Abtriebsdrehmoment umzuwandeln, wobei die Abtriebsdrehzahl geringer ist als die Motordrehzahl und/oder das Abtriebsdrehmoment höher ist als das Motordrehmoment.
  2. Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Anfahrunterstützungseinheit (3) ein hydrodynamischer Drehmomentwandler ist.
  3. Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dazu ausgebildet, bei einem Anfahrprozess, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Anfahrmotordrehzahl kleiner ist als 15 % einer maximalen Motordrehzahl (15), ein Anfahrabtriebsdrehmoment zu erzeugen, welches zumindest 1,5 mal so groß ist wie ein Anfah rmotordrehmoment.
  4. Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Drehmoment- und/oder Drehzahlwandler des Antriebsstrangs (1) feste und/oder stufenlose Drehmoment- und/oder Drehzahlübersetzungen aufweisen.
  5. Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (2) dazu ausgebildet ist, in einem kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich (23) betrieben zu werden, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Motordrehmoment mindestens 50 % und maximal 90 % eines maximalen Motordrehmoments (24) beträgt.
  6. Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anfahrunterstützungseinheit (3) dazu ausgebildet ist, den Elektromotor (2) beim Anfahrprozess mit einem reproduzierbaren, drehzahlabhängigen Elektromotoranfahrwiderstand zu beaufschlagen.
  7. Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anfahrunterstützungseinheit (3) dazu ausgebildet ist, den Elektromotor (2) bei einem Anfahrprozess mit einem gegebenen Anfahrabtriebsdrehmoment in einem Anfahrleistungsbereich zu betreiben, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine durchschnittliche Elektromotoranfahreffizienz größer ist als 80 % und/oder eine verlustleistungsbedingte durchschnittliche thermische Belastung eines Elektromotorpols (12) und/oder eines Wechselrichterbauteils um einen Faktor von weniger als 1,2 höher ist, als in einem kontinuierlichen Betriebsleistungsbereich (23).
  8. Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit Anspruch 2, wobei der Elektromotor (2) eine Flüssigkeitskühlung umfasst, welche hydraulisch mit dem hydrodynamischen Drehmomentwandler (3) verbunden ist.
  9. Elektrischer Antriebsstrang (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anfahrunterstützungseinheit (3) eine Überbrückungskupplung (25) umfasst.
  10. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs bei einem Anfahrprozess, umfassend die Schritte: a) Erhöhen (S1) einer Anfahrmotordrehzahl und eines Anfahrmotordrehmoments einer Motorwelle eines Elektromotors; b) Umwandeln (S2) der Anfahrmotordrehzahl und des Anfahrmotordrehmoments in eine Anfahrabtriebsdrehzahl und ein Anfahrabtriebsdrehmoment mittels einer Anfahrunterstützungseinheit, wobei die Anfahrabtriebsdrehzahl geringer ist als die Anfahrmotordrehzahl und/oder das Anfahrabtriebsdrehmoment höher ist als das Anfahrmotordrehmoment; c) Schließen (S3) einer Überbrückungskupplung der Anfahrunterstützungseinheit.
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