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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Getriebeanordnung, eine Antriebsvorrichtung sowie ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
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Aus der
DE 10 2015 002 405 A1 geht ein Fahrzeug mit zumindest zwei Elektromotoren und einer Steuereinrichtung hervor, wobei die Elektromotoren zumindest eine Welle antreiben. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, eine an der zumindest einen Welle bereitzustellende Leistung auf die zumindest zwei Elektromotoren in Abhängigkeit von der bereitzustellenden Leistung zu verteilen. Der jeweilige Elektromotor ist beispielsweise mit einem Getriebe verbunden, wobei die Elektromotoren und die Getriebe zu einem Antriebsstrang zusammengefasst sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Antrieb eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs sowie eine Getriebeanordnung und eine Antriebsvorrichtung vorzuschlagen, mit denen der Antrieb des zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs effizienter gestaltet wird. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Antrieb eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer Getriebeanordnung mit mindestens einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine, wobei die beiden elektrischen Maschinen zumindest mittelbar gemeinsam mit wenigstens einer Abtriebswelle antriebswirksam verbunden sind, werden die beiden elektrischen Maschinen von einer Leistungselektronik gesteuert, wobei wenigstens eine der elektrischen Maschinen in Abhängigkeit eines Gesamtwirkungsgrades und/oder einer Gesamtleistung der elektrischen Maschinen derart von der Leistungselektronik geregelt wird, dass weder ein Bremsmoment noch ein Antriebsmoment auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen wird. Mit anderen Worten ist die Getriebeanordnung als Multimotortopologie ausgebildet, bei der zwar alle elektrischen Maschinen mit der jeweiligen Abtriebswelle mechanisch verbunden sind, wobei jedoch wenigstens eine elektrische Maschine je nach Betriebssituation und/oder Betriebsstrategie des Fahrzeugs durch eine elektromagnetische Betätigung inaktiv geschaltet wird, um den Gesamtwirkungsgrad der Getriebeanordnung als Gesamtsystem zu verbessern.
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Unter einer Inaktivschaltung einer elektrischen Maschine ist zu verstehen, dass die jeweilige elektrische Maschine nullmomentgeregelt wird. Die Nullmomentregelung kommt in einem Freilaufbetrieb bzw. in einem Nullmomentbetrieb zum Einsatz, bei dem weder ein positives Drehmoment noch ein negatives Drehmoment auf den Abtrieb bzw. auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen wird. Mithin ist der Antriebsstrang geschlossen, es wird jedoch kein Bremsmoment oder ein Antriebsmoment von dem Elektromotor auf die angetriebenen Räder übertragen.
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Bei der Nullmomentregelung wird der jeweiligen elektrischen Maschine typischerweise etwa so viel elektrische Energie zugeführt, dass im Wesentlichen weder ein bremsendes noch ein beschleunigendes Drehmoment bei der aktuellen Drehzahl an den Antriebsstrang abgegeben wird. Die zugeführte Energie wird ausschließlich zum Ausgleich der inneren drehzahlabhängigen Verluste der jeweiligen elektrischen Maschine verwendet. Solche Verluste treten beispielsweise in der Leistungselektronik auf und sind beispielsweise Schaltverluste, die durch das Nachführen induzierter Spannung durch einen Inverter der Leistungselektronik auftreten können. Zudem können Verluste durch Feldschwächströme und Ummagnetisierungsverluste entstehen. Den Verlustleistungen wird durch entsprechende Regelung der elektrischen Stromzufuhr an die jeweilige elektrische Maschine entgegengewirkt, sodass unter dynamischer Anpassung der Stromzufuhr die jeweilige inaktiv zu schaltende elektrische Maschine im Wesentlichen lastfrei betrieben wird. Mithin dreht die Rotorwelle der jeweiligen inaktiven elektrischen Maschine mit der aktuellen Betriebsdrehzahl im Wesentlichen verlustfrei mit.
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Jede elektrische Maschine weist je nach Bauart ein separates Wirkungsgradkennfeld auf, wobei für jeden Betriebspunkt der jeweiligen elektrischen Maschine ein jeweiliger Wirkungsgrad vorliegt. Zudem wird wenigstens ein weiteres Wirkungsgradkennfeld bereitgestellt, dass einen jeweiligen Wirkungsgrad der Getriebeanordnung zu jedem beliebigen Betriebspunkt des Fahrzeugs angibt, also wenn mehrere oder alle elektrische Maschinen gemeinsam zum Antrieb des Fahrzeugs beitragen bzw. ein Drehmoment an den Abtrieb übertragen. Bei unterschiedlich ausgebildeten elektrischen Maschinen kann dies, je nach Kombination der elektrischen Maschinen miteinander, jeweils zu unterschiedlichen Wirkungsgradkennfeldern und entsprechenden Wirkungsgraden für den jeweiligen Betriebspunkt führen. Durch geeignete Schaltung bzw. Nullmomentregelung einer oder mehrerer elektrischer Maschinen kann so je nach Betriebspunkt ein wirkungsgradoptimaler Antrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden.
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Vorzugsweise wird die Regelung der jeweiligen elektrischen Maschine von einem Drehmomentregler der Leistungselektronik durchgeführt. Mit anderen Worten führt der Drehmomentregler die Nullmomentregelung der jeweiligen elektrischen Maschine durch. Dabei überwacht und steuert bzw. regelt der Drehmomentregler ein Drehmoment der jeweiligen elektrischen Maschine, wobei eine entsprechende elektrische Stromversorgung der jeweiligen elektrischen Maschine anhand dem Betriebspunkt und/oder der Betriebsstrategie des Fahrzeugs erfolgt.
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Insbesondere dann, wenn das Fahrzeug in einem Fahrzyklus bzw. in einem Betriebspunkt mit geringen Lastanforderungen angetrieben wird, kann es aufgrund des Wirkungsgradkennfelds der jeweiligen elektrischen Maschinen sein, dass bei mehreren aktuell auf den Abtrieb einwirkenden elektrischen Maschinen ein ungünstiger Gesamtwirkungsgrad am jeweiligen Betriebspunkt vorliegt. Es ist daher von Vorteil, wenigstens eine der elektrischen Maschinen in Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades inaktiv zu schalten, und zwar indem eine Nullmomentregelung der jeweiligen elektrischen Maschine durchgeführt wird. Somit erfolgt keine mechanische Entkopplung der jeweiligen elektrischen Maschine, sondern das Drehmoment der jeweiligen elektrischen Maschine wird auf null geregelt, wobei die übrige elektrische Maschine bzw. die übrigen elektrischen Maschinen weiterhin eine Antriebsleistung erzeugen und an den Abtrieb übertragen.
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Das Antriebsmoment wird infolgedessen mit mindestens einer elektrischen Maschine weniger auf den Abtrieb übertragen, wobei derart viele elektrische Maschinen nullmomentgeregelt werden bzw. derart viele elektrische Maschine noch ein Drehmoment für Abtrieb erzeugen, dass der Gesamtwirkungsgrad der Getriebeanordnung im Vergleich zum Antriebszustand vor der Inaktivierung der jeweiligen elektrischen Maschine verbessert wird. Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich aus dem Wirkungsgradkennfeld der aktiv auf den Abtrieb einwirkenden elektrischen Maschine bzw. Maschinen zum jeweiligen Betriebspunkt unter Berücksichtigung der zur Nullmomentregelung notwendigen Leistung. Mit anderen Worten wird an mindestens einer elektrischen Maschine an bestimmten Betriebspunkten eine Nullmomentregelung durchgeführt, sodass die jeweilige inaktive elektrische Maschine vergleichsweise geringe Verluste produziert.
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Wenn das Fahrzeug mit höheren Lastanforderungen angetrieben werden soll, zum Beispiel wenn der Fahrer eine Vollgasfahrt wünscht, kann es dazu kommen, dass der gewünschte Betriebspunkt der Antriebsvorrichtung außerhalb der Kennfeldgrenzen der jeweiligen auf den Abtrieb einwirkenden elektrischen Maschine bzw. Maschinen liegt. In diesem Fall kann die das Antriebsmoment erzeugende elektrische Maschine bzw. die das Antriebsmoment erzeugenden elektrischen Maschinen den gewünschten Betriebspunkt aufgrund der bauartabhängigen Leistungsgrenzen bzw. den Kennfeldgrenzen des jeweiligen Wirkungsgradkennfeldes der jeweiligen elektrischen Maschine nicht realisieren. In Abhängigkeit der Gesamtleistung der jeweiligen die Antriebsleistung erzeugenden elektrischen Maschinen wird daher wenigstens eine nullmomentgeregelte bzw. inaktive elektrische Maschine mittels der Leistungselektronik hinzugeschaltet. Durch entsprechende Bestromung dieser nun ebenfalls aktiven elektrischen Maschine wird folglich ebenfalls ein Antriebsmoment erzeugt, das vorzugsweise mit den Antriebsmomenten der übrigen aktiven elektrischen Maschinen überlagert wird. Dadurch werden die Leistungsfähigkeit der Getriebeanordnung sowie der Gesamtwirkungsgrad der Getriebeanordnung verbessert. Vorteilhaft ist, dass die Rotorwelle der jeweiligen inaktiven elektrischen Maschine, auch wenn sie lastfrei geregelt wird, stets mit der aktuellen Betriebsdrehzahl der übrigen das Antriebsmoment erzeugenden elektrischen Maschinen mitdreht. Dadurch kann eine Aktivierung bzw. eine entsprechende Regelung der zuvor auf null geregelten, inaktiven elektrischen Maschine jederzeit unbemerkt und vergleichsweise schnell erfolgen, um den Gesamtwirkungsgrad der Getriebeanordnung den aktuellen Betriebsgegebenheiten anzupassen und dadurch zu verbessern.
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Bevorzugt werden die jeweiligen elektrischen Maschine in Abhängigkeit wenigstens eines Verlustkennfelds der elektrischen Maschinen geregelt. Mit anderen Worten erfolgt eine Aktivierung oder eine Inaktivierung, das heißt eine Nullmomentregelung der jeweiligen elektrischen Maschine unter Berücksichtigung des jeweiligen Verlustkennfelds der elektrischen Maschinen. Das Verlustkennfeld hängt unter anderem ab von Bauart, Größe und Leistung der jeweiligen elektrischen Maschine und ermöglicht Rückschlüsse auf den Wirkungsgrad in jedem Betriebspunkt der Maschine. Der Wirkungsgrad der jeweiligen elektrischen Maschine hängt in unterschiedlichen Betriebspunkten zudem von der gewünschten Antriebsstrategie des Fahrzeugs, den Wirkungsgradkennfeldgrenzen bzw. den Verlustkennfeldern der jeweiligen elektrischen Maschine ab. Die Strategie entscheidet abhängig vom angestrebten Betriebspunkt, wann welche elektrische Maschine von der Leistungselektronik derart geregelt wird, dass weder ein Bremsmoment noch ein Antriebsmoment auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen wird.
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Durch elektrische Bestromung einer elektrischen Maschine wird ein Drehmoment auf einen mit einem gehäusefesten Stator wechselwirkenden Rotor übertragen, welcher je nach Drehrichtung und in Abhängigkeit der übrigen elektrischen Maschinen ein positives oder negatives Drehmoment erzeugt, und zwar ein Bremsmoment oder ein Antriebsmoment. Wenn das Drehmoment der von der Leistungselektronik in Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades und/oder der Gesamtleistung der elektrischen Maschinen angesteuerten bzw. geregelten elektrischen Maschine in die gleiche Richtung wirkt wie das jeweilige Drehmoment der übrigen elektrischen Maschinen, so wirkt ein Antriebsmoment, welches mit den anderen Antriebsmomenten zum Antrieb des Fahrzeugs überlagert wird. Wirkt das Drehmoment dieser elektrischen Maschine in die entgegengesetzte Richtung, so wirkt ein Bremsmoment, das ein Antriebsmoment der übrigen elektrischen Maschinen hemmt. Bei Nullmomentregelung der jeweiligen elektrischen Maschine wirkt weder ein Bremsmoment noch ein Antriebsmoment, sodass die elektrische Maschine betriebspunktunabhängig lastfrei mitgeführt wird und keinen Einfluss auf das Antriebsmoment bzw. Bremsmoment der übrigen elektrischen Maschinen hat.
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Auf Basis der Verlustkennfelder der elektrischen Maschinen wird der gewünschte Betriebspunkt durch entsprechende Inaktivierung oder Aktivierung der elektrischen Maschinen eingestellt, wobei ein wirkungsgradoptimierter Betrieb der elektrischen Maschinen angestrebt wird. Die Aktivierung bzw. Inaktivierung der jeweiligen elektrischen Maschine ist vorteilhafterweise in jedem Betriebspunkt durchführbar, sodass der Antrieb des Fahrzeugs effizient und insbesondere energiesparsam gestaltbar ist.
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Bevorzugt erfolgt eine Regelung der jeweiligen elektrischen Maschine basierend auf einer Gesamtnutzungsdauer der jeweiligen elektrischen Maschine. Indem elektrische Maschinen mit einer höheren Gesamtnutzungsdauer im Gegensatz zu elektrischen Maschinen mit geringeren Gesamtnutzungsdauer bevorzugt nullmomentgeregelt bzw. inaktiv geschaltet werden, wird eine gleichmäßige Belastung und Abnutzung aller Bauteile der Getriebeanordnung, insbesondere der elektrischen Maschinen gewährleistet. Durch zyklisches Wechseln zwischen den elektrischen Maschinen kann insbesondere die thermische Belastung aller elektrischen Maschinen gesenkt werden, sodass eine Erhöhung sowohl der maximalen Dauerleistung als auch der Lebensdauer der Getriebeanordnung erreicht werden kann. Dadurch wird der Verschleiß der elektrischen Maschinen zudem verringert und die Lebensdauer erhöht.
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Eine erfindungsgemäße Getriebeanordnung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst mindestens eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine, wobei die beiden elektrischen Maschinen zumindest mittelbar gemeinsam mit wenigstens einer Abtriebswelle antriebswirksam verbindbar und von einer Leistungselektronik steuerbar sind, wobei wenigstens eine der elektrischen Maschinen in Abhängigkeit eines Gesamtwirkungsgrades und/oder einer Gesamtleistung der elektrischen Maschinen derart von der Leistungselektronik regelbar ist, dass weder ein Bremsmoment noch ein Antriebsmoment auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen wird.
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Die Leistungselektronik ist dazu eingerichtet, zumindest eine der zumindest zwei elektrischen Maschinen derart zu regeln, dass Verlustleistungen der jeweiligen elektrischen Maschine sowie der Leistungselektronik kompensiert werden und die jeweilige elektrische Maschine weder mit einem Bremsmoment noch mit einem Antriebsmoment auf den Abtrieb einwirkt. Zudem kann durch geeignetes Hinzuschalten mit entsprechender elektrischer Bestromung einer oder mehrerer vorher nullmomentgeregelter bzw. inaktiver elektrischer Maschinen eine sogenannte Drehmoment-Boost-Funktion direkt und im Wesentlichen unbemerkt erreicht werden. Die zumindest eine Abtriebswelle ist koaxial zu einer Abtriebsachse angeordnet. Vorzugsweise sind zwei Abtriebswellen koaxial zueinander sowie koaxial zur Abtriebsachse angeordnet, wobei jede Abtriebswelle mit einem jeweiligen Rad des Fahrzeugs zumindest mittelbar antriebswirksam verbunden ist. Die Abtriebsachse ist bevorzugt mittig in einem Getriebegehäuse bzw. im Bauraum des Getriebegehäuses angeordnet, sodass die verschiedenen Bauteile der Getriebeanordnung, und zwar insbesondere die mindestens zwei elektrischen Maschinen um die Abtriebsachse herum angeordnet sind.
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Vorzugsweise sind die mindestens zwei elektrischen Maschinen in einem gemeinsamen Getriebegehäuse angeordnet. Durch die Anordnung mehrerer elektrischer Maschinen in einem gemeinsamen Hauptgehäuse können die elektrischen Maschinen vergleichsweise klein, das heißt mit kleinem Durchmesser ausgebildet sein, sodass in der Folge eine höhere Maschinendrehzahl bzw. eine Rotorumfangsgeschwindigkeit der jeweiligen elektrischen Maschine realisierbar ist. Je größer die Anzahl der elektrischen Maschinen in der Getriebeanordnung, desto besser kann zudem ein Drehmomentverlust aufgrund des vergleichsweise geringeren Maschinendurchmessers kompensiert werden.
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Die elektrischen Maschinen sind bevorzugt auf derselben Getriebeseite angeordnet. Dadurch wird eine gleiche Drehrichtung der Rotorwellen der jeweiligen elektrischen Maschine sowie eine Doppelnutzung von Getriebeteilen erreicht. Die elektrischen Maschinen können dabei identisch, das heißt in gleicher Größe, Leistung, Bauart und/oder mit gleichem Verlustkennfeld ausgebildet sein. Alternativ ist denkbar, dass die elektrischen Maschinen je nach Anforderung an die Getriebeanordnung unterschiedliche Leistungen, erforderliche Bauraumvolumen, Bauarten und/oder Verlustkennfelder aufweisen.
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Jede elektrische Maschine besteht vorzugsweise zumindest aus einem ortsfesten Stator, sowie einem relativ dazu drehbaren Rotor, der zumindest mittelbar mit der jeweiligen Rotorwelle verbunden ist. Die Rotorwelle kann wiederum die Antriebswelle sein oder mit einer Antriebswelle drehfest verbunden sein, die ein Drehmoment und eine Drehzahl zumindest mittelbar an die jeweilige Abtriebswelle der Getriebeanordnung überträgt.
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Bevorzugt weist wenigstens eine der elektrischen Maschinen zumindest eine erste Übersetzungsstufe auf, wobei die jeweilige erste Übersetzungsstufe zumindest mittelbar mit der jeweiligen Abtriebswelle antriebswirksam verbindbar ist. Die elektrischen Maschinen können jeweils als permanenterregter Synchronmotor oder als Asynchronmotor ausgebildet sein. Die elektrischen Maschinen sind derart über die Übersetzungsstufe mit der jeweiligen Abtriebswelle wirkverbunden, dass eine Antriebsleistungssummation der mit dem Abtrieb verbundenen elektrischen Maschinen erfolgt. Mit anderen Worten wird durch die Aufteilung der Gesamtleistung auf mehrere, insbesondere wenigstens zwei elektrische Maschinen die Leistung aller elektrischen Maschinen beispielsweise über ein Summiergetriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe, zusammengefasst, wobei dabei eine Überlagerung der einzelnen Motordrehmomente erfolgt. Durch geeignete Regelung einer oder mehrerer elektrischer Maschinen wird bzw. werden die auf den Abtrieb mit einem Antriebsmoment einwirkende(n) elektrische(n) Maschine bzw. Maschinen wirkungsgradoptimiert betrieben. Die Wirkungsgradsteigerung bzw. -optimierung führt letztlich zu einer Verminderung des Energieverbrauchs und somit zu einem effizienten Antrieb des Fahrzeugs.
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Die jeweilige erste Übersetzungsstufe ist vorzugsweise als Planetengetriebe ausgebildet. Es ist denkbar, dass zwischen der elektrischen Maschine und der jeweiligen Abtriebswelle zwei oder mehrere Übersetzungsstufen angeordnet sind. Die erste Übersetzungsstufe der jeweiligen elektrischen Maschine kann eine erste Übersetzung aufweisen, wobei auch die weiteren Übersetzungsstufen der jeweiligen elektrischen Maschine eine jeweilige Übersetzung aufweisen können. Zudem ist denkbar, dass die Übersetzungen der jeweiligen ersten Übersetzungsstufen der elektrischen Maschinen ungleich sind. Mithin kann durch Variation der Übersetzungsverhältnisse der Übersetzungsstufen der ersten und/oder zweiten elektrischen Maschine der Antrieb effizienter gestaltet werden und die Getriebeanordnung ferner hinsichtlich akustischen Aspekten ausgelegt werden.
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Ferner bevorzugt sind zwei elektrische Maschinen vorgesehen, die über eine gemeinsame Übersetzungsstufe zumindest mittelbar mit der jeweiligen Abtriebswelle antriebswirksam verbindbar sind. Die Übersetzungsstufe ist vorzugsweise als Planetengetriebe ausgebildet, wobei eine Rotorwelle der jeweiligen elektrischen Maschine mit der Übersetzungsstufe wirkverbunden ist, wobei durch die Übersetzungsstufe eine Antriebsleistungssummation erfolgt.
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Des Weiteren bevorzugt sind wenigstens die erste und zweite elektrische Maschine mit einem Differential antriebswirksam verbunden, wobei das Differential wenigstens mit zwei Abtriebswellen wirkverbunden ist. Auch über das Differential kann je nach Ausbildung der Getriebeanordnung, insbesondere wenn jede elektrische Maschine über wenigstens eine eigene Übersetzungsstufe verfügt, eine Antriebsleistungssummation aller Antriebsleistungen der elektrischen Maschinen erfolgen, sodass die elektrischen Maschinen je nach Betriebspunkt und Fahrstrategie einzeln oder gemeinsam ein Drehmoment auf den Abtrieb übertragen. Das Differential ist vorzugsweise koaxial zur Abtriebsachse bzw. auf der Abtriebsachse angeordnet und verbindet bevorzugt zwei Abtriebswellen miteinander, die jeweils mit zumindest einem jeweiligen Rad des Fahrzeugs wirkverbunden sind.
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Aufgrund der erfolgenden Antriebsleistungssummation können die elektrischen Maschinen vergleichsweise kompaktbauend, insbesondere mit vergleichsweise geringem Durchmesser ausgebildet werden. Ferner wird das Leistungsgewicht der Getriebeanordnung erhöht und gleichzeitig aufgrund der um die Abtriebsachse angeordneten Getriebebauteile der erforderliche Bauraum der Getriebeanordnung reduziert, sodass im Umkehrschluss größere Batterien zur elektrischen Versorgung der Getriebeanordnung zum Einsatz kommen können, die die Reichweite des zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs erhöhen. An Stelle eines größeren Batterievolumens kann der eingesparte Bauraum zur Vergrößerung des Fahrzeuginnenraums, insbesondere des Kofferraumvolumens des Fahrzeugs genutzt werden.
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Die Getriebeanordnung kann parallel oder quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnet sein, wobei insbesondere ein Quereinbau der Getriebeanordnung bzw. ein Quereinbau der elektrischen Maschinen im Fahrzeug im Gegensatz zu einer Reihenanordnung von elektrischen Maschinen, die entlang einer Abtriebsachse aufgereiht sind, des geringen erforderlichen Bauraums vorteilhaft ist. Bei einer Längsanordnung der Getriebeanordnung, das heißt parallel zur Fahrzeuglängsachse, sind die mit dem Differential verbundenen Abtriebswellen quer bzw. senkrecht zur Abtriebsachse angeordnet. Bei einer Queranordnung der Getriebeanordnung, das heißt quer zur Fahrzeuglängsachse, sind die mit dem Differential verbundenen Abtriebswellen parallel, vorzugsweise koaxial zur Abtriebsachse angeordnet.
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Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst zumindest eine Getriebeanordnung gemäß der vorher beschriebenen Art und kann je nach Bauart ferner eine Verbrennungsmaschine umfassen. Ein erfindungsgemäßes zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst eine solche Antriebsvorrichtung oder eine Getriebeanordnung gemäß der vorher beschriebenen Art. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Bus oder Lastkraftwagen (Bus und Lastkraftwagen z.B. mit einem Gewicht von über 3,5 t).
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Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten sinngemäß ebenfalls für die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung, die erfindungsgemäße Getriebeanordnung sowie für das erfindungsgemäße zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeug, und umgekehrt.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine stark vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine exemplarische Darstellung eines ersten Wirkungsgradkennfelds in einem ersten Antriebszustand, und
- 4 eine exemplarische Darstellung eines zweiten Wirkungsgradkennfelds in einem zweiten Antriebszustand.
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1 zeigt ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1, das eine Antriebsvorrichtung 15 mit einer Getriebeanordnung 2 umfasst. Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist das Fahrzeug 1 als Elektrofahrzeug mit einer ersten Achse 11a und einer zweiten Achse 11b ausgebildet, wobei die Getriebeanordnung 2 parallel zur ersten Achse 11a angeordnet und antriebswirksam damit verbunden ist.
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Die Getriebeanordnung 2 umfasst eine erste elektrische Maschine 3a und eine zweite elektrische Maschine 3b, wobei die beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b zusammen mit einer Übersetzungsstufe 9 und einem Differential 10 in einem gemeinsamen Getriebegehäuse 21 angeordnet sind. Mithin ist die Antriebsvorrichtung 15 als Multimotor mit einer Multimotortopologie bzw. als Dualmotor mit einer Dualmotortopologie ausgebildet. Auch mehr als zwei elektrische Maschinen 3a, 3b sind ohne Weiteres denkbar.
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Ferner ist eine Leistungselektronik 22 mit einem Drehmomentregler 5 im Getriebegehäuse 21 angeordnet, wobei die Leistungselektronik 22 mit den elektrischen Maschinen 3a, 3b steuerungstechnisch verbunden ist, um die elektrischen Maschinen 3a, 3b zu schalten und zu steuern. Alternativ kann die Leistungselektronik 22 auch außerhalb des Getriebegehäuses 21 angeordnet sein. Durch den Bauraum des Getriebegehäuses 21 erstreckt sich eine Abtriebsachse 7, die koaxial zu einer ersten und zweiten Abtriebswelle 4a, 4b bzw. zur ersten Achse 11a angeordnet ist, wobei jede Abtriebswelle 4a, 4b einerseits mit dem Differential 10 und andererseits mit einem jeweiligen Rad 12a, 12b der ersten Achse 11a verbunden sind. Ein durch die elektrischen Maschinen 3a, 3b erzeugtes Drehmoment wird somit über das Differential 10 an die Abtriebswellen 4a, 4b übertragen.
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Nach 2 ist eine zweite Ausführungsform der Getriebeanordnung 2 dargestellt, wobei die Getriebeanordnung 2 mit den elektrischen Maschinen 3a, 3b und der Leistungselektronik 22 vorliegend quer zur Abtriebsachse 7 angeordnet sind. Anhand der 2 sowie den darauffolgenden Figuren wird die Getriebeanordnung 2 sowie das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben, wobei die Ausführungen und Vorteile gleichermaßen für die erste Ausführungsform gemäß 1 gelten.
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Beide elektrische Maschinen 3a, 3b weisen einen Stator 13 und einen Rotor 14 auf, wobei der Rotor 14 der jeweiligen elektrischen Maschine 3a, 3b mit einer jeweiligen Rotorwelle 6a, 6b verbunden ist. Die Rotorwellen 6a, 6b sind mit der Übersetzungsstufe 9 der Getriebeanordnung 2 wirkverbunden, die als Summiergetriebe, zum Beispiel als Planetengetriebe ausgebildet ist und eine Übersetzung aufweist. Das Planetengetriebe kann dabei beliebig ausgebildet sein, beispielsweise als Minusradsatz oder Plusradsatz. Mithin erfolgt an der Übersetzungsstufe 9 eine Leistungssummation.
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Eine Ausgangswelle 8 der Übersetzungsstufe 9 ist leistungsflussabwärts mit dem Differential 10 wirkverbunden, dass die Antriebsleistung auf die Abtriebswellen 4a, 4b aufteilt, die analog zu 1 mit den Rädern 12a, 12b der ersten Achse 11a wirkverbunden ist. Das Differential 10 ist im Leistungsfluss somit nach der Übersetzungsstufe 9 koaxial zur Abtriebsachse 7 angeordnet und überträgt die Antriebsleistung von der Ausgangswelle 8 der Übersetzungsstufe 9 auf die beiden Abtriebswellen 4a, 4b.
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Die Steuerung und Regelung der elektrischen Maschinen 3a, 3b erfolgt mittels der ebenfalls im Getriebegehäuse 21 angeordneten Leistungselektronik 22. Die Leistungselektronik 22 umfasst einen überlagerten Drehmomentregler 5, welcher dazu eingerichtet ist, entweder die erste elektrische Maschinen 3a oder die zweite elektrische Maschine 3b in Abhängigkeit eines Gesamtwirkungsgrades und/oder einer Gesamtleistung der elektrischen Maschinen 3a, 3b derart zu regeln, dass weder ein Bremsmoment noch ein Antriebsmoment über die Übersetzungsstufe 9 und das Differential 10 auf die Abtriebswellen 4a, 4b übertragen wird. Mit anderen Worten erfolgt mittels des überlagerten Drehmomentreglers 5 durch elektromagnetische Betätigung eine Nullmomentregelung der jeweiligen inaktiv zu schaltenden elektrischen Maschine 3a, 3b.
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Unter der Nullmomentregelung ist zu verstehen, dass die Leistungselektronik 22 die jeweilige elektrische Maschine 3a, 3b derart bestromt, dass sie in jedem Betriebspunkt verlustfrei mitdreht. Dabei wird die elektrische Maschine 3a, 3b in Abhängigkeit des aktuellen Betriebspunkts sowie in Abhängigkeit von maschinenbedingten Verluste, wie Nutrastmomente, Schaltverluste und/oder Verluste aus Feldschwächströmen und/oder Ummagnetisierungen, stets nachgeregelt, wobei der Drehmomentregler 5 den Strom in der elektrischen Maschine 3a, 3b durch entsprechende Klemmspannungen zu null regelt. Es ist ferner denkbar, für jede elektrische Maschine 3a, 3b einen jeweiligen Drehmomentregler 5 vorzusehen. Anders gesagt generiert die jeweilige elektrische Maschine 3a, 3b keinerlei Drehmoment, wobei die jeweilige Rotorwelle 14 im Wesentlichen verlustfrei mitdreht. Dadurch können die Verluste in der Antriebsvorrichtung 15 reduziert werden und gleichzeitig die einzelnen Maschinen 3a, 3b möglichst wirkungsgradoptimal betrieben werden. Die Verluste der Leistungselektronik 22 sind dabei deutlich geringer als die durch die Nullmomentregelung eingesparten Verluste in der jeweilige elektrischen Maschine 3a, 3b, sodass bezogen auf das Gesamtsystem der Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung 15 steigt.
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Wenn das Fahrzeug 1 beispielsweise in einem Fahrzyklus mit geringen Lastanforderungen angetrieben werden soll, kann je nach Leistungsfähigkeit, Größe und/oder Bauart der jeweiligen elektrischen Maschine 3a, 3b eine der beiden Maschinen 3a, 3b sozusagen inaktiv geschaltet werden, indem sie vom Drehmomentregler 5 nullmomentgeregelt bzw. die jeweilige Rotorwelle 14 verlustfrei mitgedreht wird. Mit anderen Worten wird die jeweilige inaktiv zu schaltende elektrische Maschine 3a, 3b durch eine entsprechende Regelung des durch elektrische Bestromung erzeugten Drehmoments sozusagen vom Abtrieb abgekoppelt, um Verluste zu reduzieren und die jeweils andere verbleibende auf den Abtrieb einwirkende elektrische Maschine 3a, 3b mit einem besseren Wirkungsgrad zu betreiben. Mithin weist die Antriebsvorrichtung 15 insbesondere bei Fahrzyklen mit geringen Lastanforderungen einen besseren Wirkungsgrad auf, wenn nur eine elektrische Maschine 3a, 3b mit einer bestimmten Gesamtleistung auf den Abtrieb einwirkt, als wenn beide elektrische Maschinen 3a, 3b mit derselben Gesamtleistung auf den Abtrieb einwirken. Durch Inaktivierung der ersten oder zweiten elektrischen Maschine 3a, 3b überträgt nur noch die jeweils andere elektrische Maschine 3a, 3b eine Antriebsleistung auf den Abtrieb, die bei geringen Lastanforderungen die nötige Antriebsleistung alleine bereitstellen kann und einen besseren Wirkungsgrad aufweist, als wenn beide elektrische Maschinen 3a, 3b die dem Betriebspunkt gemäße geringe Antriebsleistung gemeinsam erbringen müssten.
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Zur besseren Veranschaulichung ist in 3 ein exemplarisches Wirkungsgradkennfeld der Getriebeanordnung 2 dargestellt, wobei auf der Abszisse 18 eine Drehzahl und auf der Ordinate 19 ein Drehmoment in Prozent aufgetragen sind. Da die elektrischen Maschinen 3a, 3b in beide Drehrichtungen in gleicher Weise antreibbar sind, wird auf der Ordinate 19 ein Drehmomentbereich zwischen -200% und +200% abgebildet. Zudem wird auf der Abszisse 18 exemplarisch ein Drehzahlbereich zwischen 0 und 1000 Umdrehungen pro Minute abgebildet. Die maximale Drehzahl ist unter anderem abhängig von Bauart, Leistungsfähigkeit und Größe der jeweiligen elektrischen Maschine 3a, 3b.
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Der Antrieb des Fahrzeugs 1 erfolgt gemäß dem Wirkungsgradkennfeld nach 3 stets gemeinsam durch beide elektrische Maschinen 3a, 3b bzw. beide elektrische Maschinen 3a, 3b sind parallel aktiv. Das Wirkungsgradkennfeld ist als schraffierte Fläche 16 abgebildet und zeigt beispielhaft, dass der Antrieb des Fahrzeugs 1 durch beide elektrische Maschinen 3a, 3b an jedem Betriebspunkt innerhalb von Wirkungsgradkennfeldgrenzen 20 mit einem konstanten ersten Wirkungsgrad erfolgt. Die Wirkungsgradkennfeldgrenzen 20 sind unter anderem abhängig von Bauart, Leistungsfähigkeit und Größe der jeweiligen elektrischen Maschine 3a, 3b.
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Das gleiche Wirkungsgradkennfeld bzw. die gleiche schraffierte Fläche 16 gemäß 3 ist ebenfalls in 4 dargestellt, wobei hier ebenfalls auf der Abszisse 18 eine Drehzahl und auf der Ordinate 19 ein Drehmoment in Prozent aufgetragen sind. Ergänzend ist hier jedoch eine zweite schraffierte Fläche 17 abgebildet, die einen Wirkungsgradbereich zeigt, in dem nur die erste elektrische Maschine 3a auf den Abtrieb einwirkt und die zweite elektrische Maschine 3b durch die Leistungselektronik 22 bzw. den Drehmomentregler 5 nullmomentgeregelt wird. Die erste elektrische Maschine 3a weist in einem Betriebspunkt innerhalb der zweiten schraffierten Fläche 17 einen zweiten Wirkungsgrad auf, der höher bzw. besser ist als der erste Wirkungsgrad gemäß der ersten schraffierten Fläche 16, wenn beide elektrische Maschinen 3a, 3b gemeinsam die Antriebsleistung für den Abtrieb bereitstellen. Wird das Fahrzeug 1 also in einem Betriebspunkt betrieben, der innerhalb der zweiten schraffierten Fläche 17 liegt, kann die Leistungselektronik 22 in Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades der Getriebeanordnung 2 inaktiv geschaltet werden, indem eine Nullmomentregelung durchgeführt wird, bei der weder ein Bremsmoment noch ein Antriebsmoment erzeugt wird und die Rotorwelle 14 der zweiten elektrischen Maschine 3b im Wesentlichen verlustfrei mitgedreht wird. Die erste elektrische Maschine 3a wird sodann mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben, wobei dementsprechend der Wirkungsgrad der Getriebeanordnung 2 insgesamt verbessert und der Antrieb des Fahrzeugs 1 effizienter und energiesparsamer gestaltet werden.
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Demgegenüber kann, wenn das Fahrzeug 1 nur mit der ersten elektrischen Maschine 3a angetrieben wird und ein Betriebspunkt gewählt wird, der außerhalb des Wirkungsgradkennfeldes der ersten elektrischen Maschine 3a liegt, die zweite elektrische Maschine 3b, die aufgrund der mechanische Kopplung der elektrischen Maschinen 3a, 3b an den Abtrieb bereits verlustfrei mit der jeweiligen Betriebsdrehzahl mitdreht, erneut über den Drehmomentregler 5 hinzugeschaltet werden, um die Antriebsleistung zu erhöhen und einen Wirkungsgrad des Antriebs am jeweiligen Betriebspunkt anzupassen. Mit anderen Worten wird die zweite elektrische Maschine 3b in Abhängigkeit einer Gesamtleistung der jeweiligen auf den Abtrieb einwirkenden ersten elektrischen Maschinen 3a über die Leistungselektronik 22 aktiv geschaltet werden, wobei die zweite elektrische Maschine 3b derart bestromt wird, dass sie ein Antriebsmoment erzeugt, welches gemäß den Ausführungen zu 1 und 2 auf die Abtriebswellen 4a, 4b übertragen wird.
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Wann die zweite elektrische Maschine 3b aktiv oder inaktiv geschaltet wird, hängt im Wesentlichen von der Ausbildung der elektrischen Maschinen 3a, 3b sowie der Fahrstrategie des Fahrzeugs 1 ab. Insbesondere erfolgt eine Aktivierung bzw. Inaktivierung der zweiten elektrischen Maschine 3b in Abhängigkeit wenigstens eines Verlustkennfelds der beiden elektrischen Maschinen 3a, 3b, um Verlustleistungen der elektrischen Maschinen 3a, 3b zu reduzieren.
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Zudem ist eine Aktivierung bzw. Inaktivierung der jeweiligen abkoppelbaren elektrischen Maschine 3a, 3b basierend auf einer Gesamtnutzungsdauer der jeweiligen abkoppelbaren elektrischen Maschine durchführbar. Dies ist vorteilhaft zur Reduzierung von Verschleiß und Abnutzung der Antriebsvorrichtung 15. Insbesondere eine thermische Belastung der elektrischen Maschinen 3a, 3b wird dadurch realisiert und eine maximale Dauerleistung sowie die Lebensdauer wird erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Getriebeanordnung
- 3a
- Erste elektrische Maschine
- 3b
- Zweite elektrische Maschine
- 4a
- Erste Abtriebswelle
- 4b
- Zweite Abtriebswelle
- 5
- Drehmomentregler
- 6a
- Erste Rotorwelle
- 6b
- Zweite Rotorwelle
- 7
- Abtriebsachse
- 8
- Ausgangswelle
- 9
- Übersetzungsstufe
- 10
- Differential
- 11 a
- Erste Achse
- 11 b
- Zweite Achse
- 12a
- Erstes Rad
- 12b
- Zweites Rad
- 13
- Stator
- 14
- Rotor
- 15
- Antriebsvorrichtung
- 16
- Erste schraffierte Fläche
- 17
- Zweite schraffierte Fläche
- 18
- Abszisse
- 19
- Ordinate
- 20
- Wirkungsgradkennfeldgrenze
- 21
- Getriebegehäuse
- 22
- Leistungselektronik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015002405 A1 [0002]
