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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Elektrische Antriebsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge mit mehreren Elektromotoren sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die
DE 10 2013 214 317 A1 beschreibt beispielsweise einen elektrischen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit zwei elektrischen Maschinen, welche an unterschiedlichen Wellen eines dreiwelligen Planetengetriebes angebunden oder über ein Schaltelement anbindbar sind.
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Einen weiteren Stand der Technik zeigt beispielsweise auch die
DE 10 2019 211 678 A1 . Auch hier sind in einem elektrischen Antrieb für eine Achse über ein Differentialgetriebe zwei elektrische Maschinen vorgesehen. Diese sind ebenfalls über ein dreiwelliges Planetengetriebe kombinierbar, um das Differentialgetriebe über eine feste Übersetzung gemeinsam antreiben zu können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine derartige elektrische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit zwei elektrischen Maschinen und einem Planetengetriebe dahingehend zu verbessern, dass eine günstige räumliche Anordnung der Komponenten erzielt und insgesamt ein kostengünstiges Getriebe eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist es so, dass beide elektrische Maschinen an einem Planetengetriebe angebunden sind, wobei der Rotor der ersten elektrischen Maschine permanent und drehfest mit dem Sonnenrad dieses Planetengetriebes verbunden ist. Unter einer drehfesten Verbindung im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist dabei eine Verbindung zweier drehbar gelagerter Elemente zu verstehen, welche in der Art realisiert ist, dass die beiden Elemente koaxial zueinander angeordnet sind und über die Verbindung derart miteinander verbunden sind, dass sie mit derselben Winkelgeschwindigkeit drehen.
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Erfindungsgemäß ist es so, dass in der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung die zweite elektrische Maschine über genau eine erste Stirnradstufe an das Hohlrad des Planetengetriebes angebunden ist, sodass Drehmomente ausgehend von der zweiten elektrischen Maschine über das Hohlrad in das Planetengetriebe eingeleitet werden können und umgekehrt. Unter einer Stirnradstufe im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind dabei zwei miteinander kämmende Zahnräder zu verstehen, welche jeweils koaxial auf einer Welle angeordnet sind. Die Wellen sind dabei parallel zueinander, sodass die beiden Zahnräder der Stirnradstufe in einer Ebene senkrecht zu den beiden parallelen Wellen angeordnet sind. Jedes der Stirnräder einer Stirnradstufe kann dabei drehfest mit seiner jeweiligen Welle verbunden sein, wobei auch eine schaltbare Verbindung, also die Ausgestaltung als Losrad prinzipiell denkbar wäre.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung ist dann ferner so, dass der Planetenträger über genau eine weitere zweite Stirnradstufe an das Differentialgetriebe angebunden ist, und zwar derart mit der Differentialeingangswelle, dass Drehmomente ausgehend von dem Planetengetriebe über den Planetenträger ausgeleitet und in das Differentialgetriebe eingeleitet werden können. Der Aufbau ermöglicht es nun, die beiden Elektromaschinen unterschiedlich zu dimensionieren, um eine kompakte und für die benötigten Antriebsaufgaben ideale Anordnung der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung zu erreichen.
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Während bei einem klassischen System mit nur einer elektrischen Maschine typischerweise ein Bremsschaltelement am Hohlrad angeordnet ist, um die Übersetzung zu ändern, ist es so, dass bei extrem langsamer Fahrt, welche auch als Kriechen bezeichnet wird, die Elektromaschine entsprechend langsam drehen muss. Sie hat dabei einen sehr schlechten Wirkungsgrad und wird sehr heiß. Bei der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung ist es dagegen so, dass die erste elektrische Maschine entsprechend schneller drehen kann und idealerweise in ihrem Wirkungsgradoptimum betrieben wird. Die zweite elektrische Maschine kann dann über ihre Anbindung Leistung aufnehmen, also generatorisch betrieben werden. In diesem Rekuperationsbetrieb wird die zurückgewonnene Leistung wieder in einem elektrischen Speichersystem beispielsweise einer Traktionsbatterie gespeichert oder auch direkt der ersten elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht eine langsame Fahrt bei weitaus besserem Wirkungsgrad und weniger entstehende Abwärme als im Stand der Technik.
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Außerdem ermöglicht die zweite elektrische Maschine bei der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung ihren Einsatz für einen Boostbetrieb. Dies bedeutet, dass beim Betrieb in Teillast vor allem die erste elektrische Maschine mit hohem Wirkungsgrad betrieben wird. Wird mehr Leistung benötigt, kann die zweite elektrische Maschine diese zuspeisen. Dadurch, dass die zweite elektrische Maschine nun nicht mehr als Grundlastmaschine betrieben wird, sondern lediglich als Boostmaschine oder Generator in bestimmten Betriebszuständen zugeschaltet wird, kann diese entsprechend einfach und kostengünstiger ausgeführt werden und der Wirkungsgrad der zweiten elektrischen Maschine spielt eine untergeordnete Rolle, sodass auch hier ein entsprechend einfacherer Aufbau der zweiten elektrischen Maschine möglich ist, und diese beispielsweise in einem anderen Bautyp als die erste elektrische Maschine realisiert werden kann.
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Die konstruktive Anordnung der Komponenten der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung lässt sich dabei ideal an die typischerweise im Bereich einer Fahrzeugachse vorhandenen Platzverhältnisse anpassen. So kann es gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Idee auch vorgesehen sein, dass in einer axialen Richtung gesehen, wobei die axiale Richtung sich parallel zur Drehachse des Planetengetriebes und der Stirnradstufen definiert, kann es also vorgesehen sein, dass die erste elektrische Maschine, das Planetengetriebe und die zweite elektrische Maschine in der genannten Reihenfolge nacheinander angeordnet sind. Dieser Aufbau kann dann gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung die zweite Stirnradstufe zwischen dem Planetengetriebe und der zweiten elektrischen Maschine einschließen, auch hier wieder in axialer Richtung gesehen, sodass insgesamt ein außerordentlich kompakter Aufbau, insbesondere auch in der senkrecht zur axialen Richtung stehenden radialen Richtung möglich wird.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung sieht es dabei vor, dass das Hohlrad permanent drehfest mit dem ersten Ausgangsrad der ersten Stirnradstufe verbunden ist, der zweite Rotor der zweiten elektrischen Maschine permanent drehfest mit dem ersten Eingangszahnrad der ersten Stirnradstufe verbunden ist. Die zweite elektrische Maschine ist also über die zweite Stirnradstufe permanent an das Hohlrad angebunden. Der Planetenträger ist permanent drehfest mit einem zweiten Eingangszahnrad der zweiten Stirnradstufe verbunden und das zweite Ausgangszahnrad dieser zweiten Stirnradstufe ist permanent drehfest mit der Differentialeingangswelle verbunden. Der Aufbau kann also auf Kupplungen und Schaltelemente verzichten und kann dennoch eine sehr hohe Flexibilität beim Betrieb gewährleisten.
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Zusätzlich kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee nun außerdem ein Klauenschaltelement bzw. ein Klauenbremselement vorgesehen werden, welches das Hohlrad gegenüber einem Gehäuse des Getriebes festbremsen kann, um so für bestimmte Betriebssituationen das Hohlrad festzuhalten und damit gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung insbesondere auch die zweite Stirnradstufe und die zweite elektrische Maschine festzubremsen. In diesem Zustand kann dann die erste elektrische Maschine alleine die Differentialeingangswelle entsprechend antreiben. Für einen solchen Betrieb kann zum Einsparen von Energie dann die zweite elektrische Maschine zusammen mit dem Hohlrad und dem zweiten Stirnradgetriebe festgebremst werden, um so einen energieeffizienten Betrieb zu gewährleisten. Diese Klauenbremse ist jedoch rein optional. Auf sie kann auch verzichtet werden, um einerseits Gewicht und Aufwand bzw. Leitungen hinsichtlich der Ansteuerung und Aktuatorik einzusparen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige beigefügte Figur näher beschrieben wird.
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Die einzige beigefügte 1 zeigt die schematische Darstellung einer elektrischen Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist eine elektrische Antriebsvorrichtung 1 für ein hier nicht dargestelltes Kraftfahrzeug in einer schematischen Darstellung zu erkennen. Über diese elektrische Antriebsvorrichtung 1 soll ein Differentialgetriebe 2 mit zwei Abtriebswellen 3 angetrieben werden. Zum Antrieb dienen dabei eine erste elektrische Maschine 4 sowie eine zweite elektrische Maschine 5 ein Planetengetriebe 6, welches die erste elektrische Maschine 4, die zweite elektrische Maschine 5 und das Differentialgetriebe 2 zur Übertragung von Drehmomenten verbindet. Das Planetengetriebe 6 umfasst dabei ein Sonnenrad 7, welches drehfest mit einem Rotor 8 der ersten elektrischen Maschine 4, welcher nachfolgend als erster Rotor 8 bezeichnet wird, verbunden ist. Das Planetengetriebe 6 umfasst außerdem ein Hohlrad 9, von welchem hier nur die in der Darstellung der 1 obere Hälfte dargestellt ist. Dieses Hohlrad 9 ist über eine erste Stirnradstufe 10 mit dem Rotor 11 der zweiten elektrischen Maschine 5, welcher nachfolgend als zweiter Rotor 11 bezeichnet wird, verbunden. Dieser zweite Rotor 11 ist dafür drehfest mit einem Eingangszahnrad 12 der ersten Stirnradstufe 10 verbunden, das Hohlrad 9 ist mit einem Ausgangszahnrad 13 dieser ersten Stirnradstufe entsprechend verbunden. Teil des Planetengetriebes 6 ist außerdem ein Planetenträger 14 mit Planeten 15, von welchen hier lediglich einer dargestellt ist, und auch vom Planetenträger 14 ist, analog zur Darstellung des Hohlrads 9 lediglich die in der 1 obere Hälfte gezeichnet. Der Planetenträger 14, welcher in dem hier dargestellten Szenario als Abtrieb des Planetengetriebes 6 dient, ist dann über eine zweite Stirnradstufe 16 mit dem Differentialgetriebe 2 verbunden. Ein Eingangszahnrad 17 der zweiten Stirnradstufe 16 ist dafür drehfest mit dem Planetenträger 14 verbunden. Ein Ausgangszahnrad 18 der zweiten Stirnradstufe 16 dient als Differentialrad 18 und ist drehfest mit einer hier nicht explizit dargestellten Differentialeingangswelle verbunden, um die beiden Abtriebswellen 3 des Differentialgetriebes 2 entsprechend anzutreiben.
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In der axialen Richtung a gesehen, wobei diese axiale Richtung a parallel zu den Drehrichtungen der einzelnen Komponenten des Planetengetriebes 6 und der Rotoren 8, 11 verläuft, ist der Aufbau dabei so ausgestaltet, dass die erste elektrische Maschine 4 und die zweite elektrische Maschine 5 das Planetengetriebe 6 zwischen sich einschließen. Insbesondere kann in dieser axialen Richtung a auch die erste Stirnradstufe 10 zwischen dem Planetengetriebe 6 und der zweiten elektrischen Maschine 5 angeordnet werden. Dabei ist die zweite Stirnradstufe 16 in axialer Richtung versetzt zu der ersten Stirnradstufe 13 angeordnet. Sie liegt dabei in axialer Richtung a gesehen zwischen der ersten Stirnradstufe 13 und der elektrischen Maschine 5, wobei hier auch alternative Ausgestaltungen denkbar wären, beispielsweise ein Herausführen der zweiten Stirnradstufe 16 und damit des Abtriebs des Planetengetriebes 6 über den Planetenträger 14 auf der gegenüberliegenden Seite des Planetengetriebes 6, also zwischen diesem und der ersten elektrischen Maschine 4.
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Weitere Optionen wären auch für die erste Stirnradstufe 10 denkbar. So könnte diese beispielsweise statt zwischen dem Planetengetriebe 6 und der zweiten Stirnradstufe 16 bzw. der zweiten elektrischen Maschine 5 axial gesehen außerhalb des Hohlrads 9 angeordnet sein, sodass das Hohlrad 9 also sowohl innen als auch außen verzahnt wäre und damit das Ausgangszahnrad 13 der ersten Stirnradstufe 10 direkt ausbildet. Dies wäre zur Erhöhung der Kompaktheit in axialer Richtung möglich, bei einem in radialer Richtung kompakten Aufbau ließe sich dahingegen die hier gezeichnete oder oben bereits als Alternative beschriebene Variante bevorzugt einsetzen.
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Als weitere Besonderheit ist nun eine Klauenkupplung bzw. ein Klauenbremselement 19 als weitere Option in der elektrischen Antriebsvorrichtung 1 denkbar. Über dieses Klauenbremselement 19 kann das Hohlrad 9 gegenüber einem angedeuteten Gehäuse 20 der elektrischen Antriebsvorrichtung 1 festgebremst werden. Damit wird auch die erste Stirnradstufe 10 und damit der Rotor 11 der zweiten elektrischen Maschine 5 entsprechend festgebremst. Dies kann zu einem sehr energieeffizienten Betrieb in den Betriebssituationen beitragen, in denen der Antrieb ausschließlich über die erste elektrische Maschine 4 erfolgt, ohne dass Energie von der zweiten elektrischen Maschine 5 aufgenommen oder durch diese zugespeist wird.
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Alles in allem ist es nun möglich, zwei verschiedene Fahrbereiche zu nutzen. Die erste elektrische Maschine 4 kann sehr effizient ausgelegt werden und kann bis zu einem ersten Geschwindigkeitsbereich, beispielsweise bis zu einem Geschwindigkeitsbereich von ca. 100 km/h genutzt werden. Die zweite elektrische Maschine 5, welche beispielsweise als Axialflussmaschine realisiert werden kann, kann dann bei einer Überschreitung dieses Geschwindigkeitsbereichs zugeschaltet werden und ermöglicht eine Fahrt bis zur Höchstgeschwindigkeit. Sie dient also quasi als Booster. Beispielsweise beim häufig auftretenden Geschwindigkeitsbereich, bei Fahrten in der Stadt, kann so die erste elektrische Maschine 4, welche sehr effizient ausgestaltet werden kann, in einem Betriebspunkt betrieben werden, in dem sie einen sehr hohen Wirkungsgrad liefert. Werden geringere Geschwindigkeiten benötigt, kann dieser Betriebspunkt beibehalten und die überschüssige Energie generatorisch mit der zweiten elektrischen Maschine 5 rekuperiert werden. Kommt es zu höheren Geschwindigkeiten oder ist durch eine bewusste Anwahl eines Nutzers ein „Sport“-Fahrprogramm eingestellt, dann kann die zweite elektrische Maschine 5 als Booster genutzt werden. Da diese in der Praxis sehr viel weniger Betriebszeit erzielt als die erste elektrische Maschine 4 kann sie bei Weitem günstiger und hinsichtlich ihres Wirkungsgrads ineffizienter ausgestaltet werden, ohne dass sich dadurch die Gesamtperformance der elektrischen Antriebsvorrichtung 1 nennenswert verschlechtert.
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Die Betriebspunkte beider elektrischen Maschinen lassen sich so also weitgehend frei einstellen, bis zur Maximalleistung, welche durch die Summenleistung beider elektrischen Maschinen 4, 5 bestimmt wird. Das macht die elektrische Antriebsvorrichtung 1 außerordentlich flexibel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013214317 A1 [0002]
- DE 102019211678 A1 [0003]
