Hybrideinheit mit Schwungradeinrichtung für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Hybrideinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridelektroantrieb und einem Versorgungselektroantrieb, die auf einer Hauptwelle angeordnet ist, welche ein- gangsseitig mit einem Primärantrieb, z.B. einem Verbrennungsmotor, einem Elektroantrieb oder anderen Antriebsaggregaten und ausgangsseitig mit einem Getriebe verbindbar ist.
Bekannte Hybridantriebe, ob Parallel-, Seriell-, oder leistungsverzweigte Hybridantriebe besitzen fast ausschließlich klassische Elektroantriebe, vorwiegend Synchronmaschinen mit einem einer Antriebswelle zugeordneten Rotor und einem am Gehäuse angeordneten Stator. Die Bestromung solcher Antriebe erfolgt vorwiegend mit Energie aus einem im Fahrzeug angeordneten elektrochemischen Speicher, die über eine ebenfalls am Antriebsgehäuse oder Fahrzeug angeordnete Leistungssteuerung einem oder auch mehreren Elektroantrie- ben des hybriden Antriebs bedarfsgerecht zugeführt wird.
Der Zweck derartiger Hybridantriebe ist in der Regel, eine Verbesserung des Gesamtantriebswirkungsgrads, bzw. eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs zu erreichen, wobei mit Hilfe der Elektroantriebe vorwiegend die drehzahl- und lastabhängige Varianz des Verbrennungsmotors reduziert wird und ein vermehrter Betrieb im verbrennungsmotorischen Optimalbereich angestrebt wird.
Nachteil dieser Technik ist, dass die Verluste der elektrischen Hybridkomponenten dem o.g. Vorteil einer verbrennungsmotorischen Betriebspunktverbesserung entgegenwirken. Hinzu kommt, dass die erforderlichen elektrischen Speicher neben der hohen Anschaffungskosten, dem hohem Gewicht, dem erheblichen Platzbedarf, auch bedingt durch ihre thermische Empfindlichkeit ein hohes Lebensdauerrisiko besitzen. Funktional beeinträchtigt die thermische Empfindlichkeit elektrischer Speicher eine dauerhafte Be- und Entladezyklisie- rung mit großen Leistungen, die besonders bei dynamischer Fahrweise gefordert ist. In Summe schmälern der Aufwand und die Verluste der elektrischen Gesamtwirkungsgradkette der Hybridkomponenten die Kosten- und Nutzenbilanz von Hybridantrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hybrideinheit mit geeigneten Elektroüberla- gerungsantrieben und einem hoch belastbaren und zyklisierbaren Zwischenspeicher zu schaffen, die mit geringem elektrischen Leistungsaufwand große mechanische Abtriebsmomente steuern kann, um einen gegenüber den Stand der Technik deutlich verbrauchsgünstigen Fahrzeugantrieb mit verbessertem Gesamtwirkungsgrad darzustellen, und trotzdem dauerhaft hochdynamische durch den Hybridantrieb unterstützte Betriebszustände zulässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hybrideinheit für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Hybrideinheit sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 13.
Bei der erfindungsgemäßen Hybrideinheit besitzen ein Versorgungselektroantrieb und ein Hybridelektroantrieb, die beide als Elektro-Überlagerungsantriebe ausgebildet sind, auf einer gemeinsamen Hauptwelle je einen Hauptrotor mit einer Feld- oder Erregerwicklung und jeweils einen koaxial zu dem entsprechenden Hauptrotor angeordneten unabhängigen Überlagerungsrotor.
Der Ausdruck „zur Hauptwelle drehbar gelagert" ist so zu verstehen, dass die beiden Rotoren direkt oder indirekt auf der Hauptwelle drehbar gelagert sind oder sie fest mit dem Gehäuse verbindbar oder verbunden sind und so auf der Hauptwelle angebracht sind, dass sich die Hauptwelle drehen kann.
Die Hauptwelle der Hybrideinheit kann eingangsseitig mit einem Primärantrieb, z.B. einem Verbrennungsmotor und ausgangsseitig mit einer Getriebewelle verbindbar sein.
Kennzeichnend für die Elektro-Überlagerungsantriebe ist, dass sie zwei Rotoren besitzen, zwischen denen unabhängig vom Maschinengehäuse das mechanische Antriebsmoment erzeugt wird. Analog zu bekannten Elektroantrieben nach dem Stand der Technik, bei denen das Antriebsmoment durch ein Magnetfeld im Luftspalt zwischen dem gehäusefesten Stator und dem Rotor erzeugt wird, wird beim Elektro-Überlagerungsantrieb das Antriebsmoment durch ein Magnetfeld im Luftspalt zwischen dem Hauptrotor und dem Überlagerungsrotor erzeugt.
Der Überlagerungsrotor kann so angeordnet werden, dass er den entsprechenden Hauptrotor koaxial umgibt. Er kann aber auch koaxial neben dem entsprechenden Hauptrotor angeordnet sein.
Demzufolge sind bei Überlagerungsantrieben alle Bauteile, die bei bekannten Elektroantrie- ben als Stator bezeichnet werden, bzw. eine Feldwicklung aufweisen, auf dem Hauptrotor der Hauptwelle angeordnet und die Bauteile die auf dem Rotor herkömmlicher Elektroantrie- be angeordnet sind, sind beim Überlagerungsantrieb dem Überlagerungsrotor zugeordnet.
In ihrer elektromotorischen Funktionsweise unterscheiden sich die Überlagerungs-Elektro- antriebe nur insofern von Elektroantrieben nach dem Stand der Technik, dass sich das Bezugssystem für die Steuerung, bzw. Regelung der Elektromaschinendrehzahl nicht mehr auf das Gehäuse, bzw. den Stator, sondern auf den Hauptrotor, bzw. die Drehzahl der Hauptwelle der Hybrideinheit bezieht.
Vorzugsweise sind die Überlagerungsantriebe der Hybrideinheit als permanentmagneterregte Synchronmaschinen ausgeführt, in denen das magnetische Feld im Luftspalt zwischen dem Hauptrotor und dem Überlagerungsrotor in radialer Flussrichtung wirkt. Grundsätzlich können dabei alle Prinzipien permanentmagneterregter Synchronmaschinen wie Reluktanzmaschinen oder Transversalflussmaschinen oder/und auch Asynchronmaschinen eingesetzt werden. Ebenso sind auch Ausführungen von Überlagerungselektromaschinen in Axialflussbauweise umsetzbar, deren magnetisches Feld in axialer Flussrichtung im Luftspalt zwischen dem Hauptrotor und den Überlagerungsrotor wirkt.
Eine Leistungssteuereinrichtung für beide Elektroantriebe der Hybrideinheit ist in oder an einer drehfest mit der Hauptwelle verbundenen Trägereinheit untergebracht, auf der auch die Feldwicklungen beider Elektroantriebe vorgesehen sind. Vorzugsweise umfasst die Leistungssteuerung eine dem Versorgungselektroantrieb zugeordnete Vier-Quadranten- Leistungssteuereinheit und eine dem Hybridelektroantrieb zugeordnete Vier-Quadranten- Leistungssteuereinheit. Für den elektrischen Leistungsaustausch zwischen dem Versorgungselektroantrieb und dem Hybridelektroantrieb sind die Feldwicklungen der beiden Elektroantriebe über die jeweiligen Phasen-Leitungen und die ihnen zugehörigen Leistungssteuereinheiten miteinander elektrisch gekoppelt.
Zur Datenübertragung von Steuerbefehlen die zum Betrieb der Hybrideinheit erforderlich sind, ist zwischen einem Betriebssteuergerät und der Leistungssteuereinrichtung ein berührungsloses Datenübertragungssystem zweckmäßig, das einen gehäusefesten ersten Ü- bertragerteil und einen drehfest mit der Leistungssteuerung verbundenen zweiten Übertra-
gerteil umfasst. Die Datenübertragung kann bidirektional beispielsweise auf induktivem Wege erfolgen.
Für die Ansteuerung der beiden Elektroantriebe bezieht das Betriebssteuergerät über das Datenübertragungssystem die Ist-Drehzahlinfomation von Hauptwelle und den beiden Überlagerungsrotoren, um in Gegenrichtung die Soll-Steuerungsbedatung vom Betriebssteuergerät an die Leistungssteuerungen zurückzuführen.
Überlagerungsmaschinen sind aus dem Stand der Technik z. B. durch Bosch DE198 49 156 Al; VW DE 3335 923 Al; Ziegler DE 102005 010 138 Al; Schopf DE 10012 494 Al; Toyota US 006 087 734 bekannt. Diese Antriebe nach dem Stand der Technik, klassische Elektroantriebe mit einem Rotor, oder auch Überlagerungselektroantriebe mit zwei Rotoren, oder auch Kombinationen beider, weisen alle gehäuse- oder fahrzeugfeste Bauteile des Hochvoltstromkreises auf, wie zum Beispiel die Feldwicklung eines Stators, die Leistungssteuerung, die Leitungsführungen, oder sie benötigen Stromübertragungselemente wie z.B. Schleifringe die zur Bestromung von wellenseitig angeordneten Feldwicklungen aus einem gehäusefesten elektrischen Speicher notwendig sind.
Im Gegensatz zum Stand der Technik weist die vorliegende Hybrideinheit zwei auf einer durchgängigen Hauptwelle angeordnete Überlagerungselektroantriebe mit je zwei Hauptrotoren mit Feldwicklungen auf, die einem Versorgungselektroantrieb und einen Hybridelektroan- trieb zugeordnet sind. Die Hauptwelle ist eingangsseitig mit dem Primärantrieb und aus- gangsseitig mit einem Getriebe verbindbar.
In der Hybrideinheit sind wenigstens alle stromführenden Bauteile des Hochvoltstromkreises, die Feldwicklungen und die Leistungssteuereinrichtung des Versorgungs- und des Hybrid- Elektroantriebs, sowie alle verbindenden Leitungsführungen an und/oder in einer Trägereinheit mit dieser Hauptwelle mechanisch drehfest verbunden und stehen zweckmäßigerweise miteinander in elektrischer Funktionsverbindung.
In den dargestellten Ausführungsformen der Hybrideinheit ist der Aufbau des Hochvoltstromkreises extrem kompakt, wodurch alle Leitungsverbindungen zwischen Feldwicklungen und Leistungssteuerung auf eine minimale Länge reduziert werden können.
Zur Kühlung der Feldwicklungen und der Leistungssteuereinrichtung weist die Hauptwelle bevorzugt eine Zentralbohrung auf, die mit einer Kühlmittelzufuhreinrichtung über die Bohrung für eine Zufuhr von Kühlmittel in Fluidverbindung steht.
Für einen optimalen Einsatz der Antriebsenergie steht in der Hybrideinheit der Hybrid- Elektroantrieb in elektrischer Funktionsverbindung mit dem Versorgungselektroantrieb. Der Hybridelektroantrieb und dessen Überlagerungsrotor dienen hierbei in geeigneter Weise der Steuerung der Abtriebsdrehzahl und des Abtriebsmoments eines geeigneten angeschlossenen Getriebes.
Der Überlagerungsrotor des Versorgungselektroantriebs kann zum Speichern, bzw. Puffern, oder Abgeben von Antriebsenergie mechanisch drehfest oder über eine Getriebeübersetzung mit einer Schwungradeinrichtung entsprechend den Ansprüchen 7 und 8 verbunden sein, um die erforderliche Steuerungsenergie zwischenzuspeichern.
In einer ersten Ausführung kann die Schwungradeinrichtung über eine zur Hauptwelle drehbar gelagerte Versorgungswelle drehfest mit dem Überlagerungsrotor des Versorgungselektroantriebs verbunden werden.
In einer zweiten Ausführung kann die Schwungradeinrichtung aber auch direkt mit dem Ü- berlagerungsrotor verbunden bzw. auf diesem fest angeordnet werden.
In einer zweckmäßigen dritten Ausführung ist die Versorgungswelle der Schwungradeinrichtung über die Übersetzung eines Planetengetriebes sowohl mit der Hauptwelle als auch mit dem Überlagerungsrotor des Versorgungsantriebs verbunden. Hierbei kann in vorteilhafter Weise der Energiefluss zwischen Schwungradeinrichtung und Hauptwelle durch den Versorgungsantrieb gesteuert werden.
Zur Reduzierung aerodynamischer Verluste ist es gegebenenfalls zweckmäßig, die Schwungradeinrichtung durch ein Unterdruckgehäuse zu umschließen und zur Herstellung eines Unterdrucks den Innenraum des Unterdruckgehäuses an eine Vakuumpumpe anzuschließen.
Bei allen o.g. Ausführungsformen der Hybrideinheit steht der Versorgungselektroantrieb in elektrischer Wechselwirkung mit dem Hybridelektroantrieb, wobei es durch entsprechende Ansteuerung der Leistungssteuereinrichtungen möglich ist, die in der Schwungradeinrichtung
gespeicherte mechanische Rotationsenergie über den Versorgungselektroantrieb mit dem Hybridelektroantrieb auszutauschen.
Im Antriebsfall führt der Hybridelektroantrieb seine über den Versorgungsantrieb aus dem Speicher entnommene mechanische Abtriebsleistung über die mit seinem zugehörigen Überlagerungsrotor drehfest gekoppelte Ausgangswelle einem Getriebe, bzw. der gewünschten Antriebsfunktion zu.
Umgekehrt ist es möglich, beispielsweise beim Bremsen, im Schleppbetrieb, bei Schaltvorgängen oder auch durch ein bewusstes Erhöhen der Antriebslast durch den Hybridelektroantrieb dem Versorgungselektroantrieb Energie zuzuführen, die dann in Form von Rotationsenergie in der Schwungradeinrichtung gespeichert wird.
Gegenüber konventionellen elektrischen Antrieben besitzen die Überlagerungsantriebe der vorgeschlagenen Hybrideinheit dabei den Vorteil, dass sie bei allen Drehzahlen der Hauptwelle ihr Antriebsmoment relativ zur Hauptwelle, sowohl in positiver oder negativer Drehrichtung mit hohem Moment, gleich oder annähernd gleich dem Anlaufmoment überlagern können, wobei der erforderliche Drehzahlbereich dabei sehr gering ist.
Damit sind mit vergleichsweise kleinen elektrischen Leistungsauslegungen der Elektroüber- lagerungsantriebe Gesamtabtriebsleistungen für dynamische Spitzenlasten eines sportlichen Fahrzeugs abzudecken. Wichtige Folge, es ist eine Schwungradeinrichtung mit geringer Speicherkapazität, kleinen Massenträgheiten und geringen max. Speicherdrehzahlen unter 17000 1/min ausreichend. Dadurch bleiben auch die bekannten Sekundärauswirkungen von Schwungradspeichern, wie Kreiselreaktionsmomente, sowie das Betriebsfestigkeitsrisiko beherrschbar.
In Folge sind drei vorteilhafte Ausführungsformen eines hybriden Fahrzeug-Gesamtantriebs mit Primärantrieb, Hybrideinheit und Speicher, sowie einem angeschlossenen Getriebe beschrieben, die neben verbesserten funktionalen Gesamteigenschaften, Vorteile im Fahrzeugbauraum, sowie erhebliche Verbrauchs- und Kosteneinsparungen erwarten lassen.
In einer ersten Ausführungsform eines Gesamtantriebs nach Anspruch 9-12 steht ein optimaler Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugantriebs mit einem Verbrauchsverbesserungspotenzial von ca 30% im Vordergrund, ohne dabei Einschränkungen im Bereich Fahrleistungsfunk- tionen hinnehmen zu müssen.
Hierbei ist eine Schwungradeinrichtung über die Übersetzung eines eingangsseitigen Planetengetriebes, sowohl mit der Hauptwelle als auch mit der Versorgungswelle des Versorgungsantriebs verbunden. Ergänzt ist eine von der Betriebssteuerung steuerbare Bremsvorrichtung, die zwischen dem Hohlrad des Planetengetriebes und dem Gehäuse angebracht ist und das Hohlrad gegen das Gehäuse festbremsen kann.
Die beiden Ausgangswellen der Hybrideinheit, die ausgangsseitige Hauptwelle und die als Hohlwelle ausgebildete zweite Ausgangswelle, sind mit zwei Wellen eines ausgangsseitig angeschlossenem Planetengetriebes gekoppelt. Die Hauptwelle der Hybrideinheit ist in diesem Fall mit einem ersten Sonnenrad und die zweite Ausgangswelle der Hybrideinheit ist mit dem Planetenradträger des ausgangsseitigen Planetengetriebes drehfest verbunden. Ein zweites Sonnenrad des ausgangsseitigen Planetengetriebes ist zweckmäßigerweise mit der Eingangswelle eines ersten Teilgetriebes drehfest verbunden, während der Planetenradträger des ausgangsseitigen Planetengetriebes mit der Eingangshohlwelle eines zweiten Teilgetriebes drehfest verbunden ist. Auf dem Planetenradträger ist wenigstens ein Doppelplanetenrad mit einer ersten Verzahnung und einer, mit der ersten drehfest gekoppelten zweiten Verzahnung drehbar gelagert, wobei das mit der Hauptwelle verbundene erste Sonnenrad mit der ersten Verzahnung des Doppelplanetenrads kämmt, und das mit dem ersten Teilgetriebe verbundene zweite Sonnenrad mit der zweiten Verzahnung des Doppelplanetenrads kämmt.
Die beiden Teilgetriebe sind bekannte Ausführungsformen von Klauenschaltgetrieben mit zwei koaxialen Getriebeeingangswellen. Ähnliche Ausführungsformen werden auch als Doppelkupplungsgetriebe bezeichnet.
In der gegebenen Ausführung mit zwei derartigen Teilgetrieben sind keine eingangsseitige Kupplungen und keine Synchronisationseinrichtungen an den Schaltmuffen der Zahnpaarungen notwendig und können eingespart werden.
Diese Einsparung wird ermöglicht, da der Hybridantrieb gesteuert durch das Betriebssteuergerät, die Funktion der Kupplungen, bzw. die Synchronisation für einen Schaltvorgang zwischen den entsprechenden Zahnpaarungen beider Teilgetriebe übernimmt.
Die Konfiguration aus der Hybrideinheit, ausgangsseitigem Planetengetriebe und zwei angeschlossenen Teilgetrieben stellt ein elektromechanisch steuerbares Getriebe dar, das so-
wohl die Funktion eines bekannten Stufenautomatikgetriebes, als auch die Funktion eines Getriebes mit kontinuierlich variabler Übersetzung kombiniert.
Die Anzahl der nutzbaren Festgänge beträgt bei n Zahnradpaarungen in beiden Teilgetrieben 2*n -1. Dabei sind n Gänge mit einem Getriebepfad und der Getriebeübersetzung über nur ein Teilgetriebe möglich, die mit Hilfe einer nicht dargestellten Schaltvorrichtung, z.B. einer Kupplung oder einer Sperrklaue, die die Hauptwelle und die Überlagerungswelle des Hybridantriebs, oder die beiden Getriebeeingangswellen bei synchroner Drehzahl mechanisch koppelt. Weiter sind n -1 Gänge mit fester Getriebeübersetzung, so genannte kombinierte Gänge vorhanden, bei denen je eine Zahnpaarung in beiden Teilgetrieben im Eingriff ist und eine entsprechende Mischübersetzung resultiert.
Durch eine Bremse am Hohlrad des eingangsseitigen Planetengetriebes können zwei unterschiedliche Betriebsmodi des Getriebes eingestellt werden.
In dem ersten Getriebebetriebsmodus identisch dem eines konventionellen Stufenautomatikgetriebes ist die Bremse am Hohlrad des eingangsseitigen Planetengetriebes geöffnet. Der Hybridantrieb der Hybrideinheit und das ausgangsseitige Planetengetriebe ersetzen die Funktion des hydrodynamischen Wandlers bzw. der Kupplungen eines Doppelkupplungsgetriebes und es können beliebig applizierbare Schaltvorgänge gesteuert werden.
Ein energetischer Vorteil ist, dass bei diesem Schaltvorgang außer den elektrischen Verlusten keinerlei Reibungs- oder Wärmeverluste auftreten, da freiwerdende Energie beim Schalten über die Hybrideinheit im Speicher gespeichert werden kann.
Der Hybridantrieb ist primär nur während des Schaltvorgangs aktiv, indem er ein Stützmoment entsprechend dem Antriebsmoment zur Entlastung der Schaltklaue der aktuell genutzten Zahnpaarung aufbaut, um so ein reibungsfreies Öffnen der Schaltklaue zu ermöglichen. Nach dem Öffnen der Schaltklaue stellt der Hybridantrieb durch Variation des Drehzahlverhältnisses von Hauptwelle und Ausgangshohlwelle die erforderliche Synchrondrehzahl an der Getriebewelle des Zielgangs her, um wiederum ein reibungsfreies Schließen der Schaltklaue am Zielgang zu ermöglichen.
Der Betriebszustand einer Variation des Drehzahlverhältnisses von Hauptwelle und Ausgangshohlwelle während des Schaltvorgangs kann aber auch dauerhaft beibehalten werden.
Dieser bildet somit eine elektrisch variable Getriebeübersetzung ab, die auch als EVT-Mode bezeichnet (Electric- Variable-Transmission-Mode).
Die Anzahl der nutzbaren, durchgängig synchronisierbaren EVT-Gänge entspricht der Gesamtanzahl (n) der Zahnpaarungen in beiden Teilgetrieben.
Ein zweiter Getriebebetriebsmodus, ein verbrauchsorientierter Modus, wird durch ein Schließen der Bremse am Hohlrad des eingangsseitigen Planetengetriebes erreicht. Das Schließen der Bremsvorrichtung erfolgt bei Synchrondrehzahl der Hohlraddrehzahl durch den Versorgungsantrieb ohne Reibungsverluste in der Bremsvorrichtung. Bei geschlossener Bremsvorrichtung ist der Überlagerungsrotor des Versorgungsantriebs über das Hohlrad gegen das Gehäuse fest gebremst. Gleichzeitig ist entsprechend der Auslegung des Planetengetriebes der Drehzahlbereich des Schwungrades mit dem optimalen Betriebsdrehzahlbereich des Primärantriebs, zum Beispiel eines Verbrennungsmotors gekoppelt.
In diesem Betriebsmodus ist der Verbrennungsmotor in seinem verbrauchsoptimalen Drehzahlbereich, bei quasistationärer Drehzahl an den Schwungradspeicher gekoppelt und kann stetig im verbrauchsoptimalen Lastpunkt betrieben werden.
Der Verbrennungsmotor führt hierbei seine Antriebsleistung dem Gesamtantrieb zu, wobei die Überschussleistung in den gekoppelten Speicher fließt. Die erforderliche Drehzahlvarianz des Fahrzeugabtriebs wird währenddessen durch die Hybrideinheit gesteuert. Ist die abgerufene Gesamtabtriebsleistung des Fahrzeugs kleiner als die Leistungszufuhr, entspricht dies einem Fahren im EVT-Mode bei gleichzeitigem Laden des Speichers. Ist die Gesamtabtriebsleistung des Fahrzeugs größer als die Leistungszufuhr, wird der Speicher entladen.
Ist die Speichereinrichtung ausreichend geladen, kann der Verbrennungsmotor durch Öffnen der Kupplung an der Hauptwelle ohne Beeinträchtigung der Fahrleistungen abgelegt werden. Je nach Energieumsetzung und Speicherladegrad kann ein derartiges verbrennerfreies EVT-Fahren auch bei hohen Lasten und hohen Geschwindigkeiten über längere Zeit beibehalten werden.
Die Energie für den Gesamtantrieb wird während des EVT-Fahrens über den mechanischen Pfad des eingangsseitigen Planetengetriebes aus dem gekoppelten Speicher bezogen. Die Drehzahlvarianz des Abtriebs wird durch den Hybridantrieb der Hybrideinheit gesteuert.
Ein spontaner Übergang zwischen den oben beschriebenen Betriebsmodi ist ohne Fahr- leistungs- und Komfortbeeinträchtigungen gewährleistet.
In einer zweiten aufwände- und funktionsreduzierten Ausführungsform, entfällt im Vergleich zum oben beschriebenen hybriden Fahrzeug-Gesamtantrieb der Speicher und das ein- gangsseitige Planetengetriebe.
Wesentliches Kennzeichen ist, dass der Überlagerungsrotor des Versorgungsantriebs ggf. über die Versorgungshohlwelle fest mit dem Gehäuse verbunden ist und eine Trennkupplung zwischen Primärantrieb und der Hauptwelle entfallen kann.
Ähnlich wie bei bekannten leistungsverzweigten Hybridgetrieben entnimmt in diesem Fall der Versorgungsantrieb die Arbeitsleistung nicht dem Speicher sondern der Hauptwelle und führt sie dem Hybridantrieb zu.
Diese Ausführungsform stellt einen Gesamtantrieb mit elektrifiziertem Getriebe dar, das die Funktionsmodi eines volllastfähigen EVT- und Automatikgetriebes besitzt, jedoch ohne die verbrauchseffiziente, oben genannte Funktion des verbrennerfreien EVT-Fahrens.
Eine weitere Ausführungsform hat einen Fahrzeug-Parallelhybrid-Gesamtantrieb mit einer Hybrideinheit und einer Schwungradeinrichtung in Verbindung mit einem konventionellen Automatik- oder Schaltgetriebe.
Wesentliches Kennzeichen ist, dass der Überlagerungsrotor des Hybridantriebs, ggf. über die zweite Ausgangswelle, fest mit dem Gehäuse verbunden ist.
Diese Ausführungsform ermöglicht die bekannten Funktionen auf dem Niveau eines Paral- lelhybrids nach dem Stand der Technik, wie z.B. Boosten, Motor-Start-Stopp-Automatik oder Rekuperation von Bremsleistung. Bei ausgekuppeltem Primärantrieb ist ein kurzzeitiges, durch den Hybridantrieb angetriebenes Fahren mit Energie aus der Schwungradvorrichtung möglich. Die Verbrauchsvorteile entsprechen dem eines Parallelhybrids nach dem Stand der Technik.
Wesentlicher Vorteil ist der bessere Wirkungsgrad beim Speichern und bei der Nutzung re- kuperierter Bremsenergie, sowie ein deutlich besseres Drehmomentverhalten des Hybridbetriebs bei hohen Drehzahlen des Primärantriebs.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Grundform einer erfindungsgemäßen Hybrideinheit
Fig. 2 eine Ausführungsaltemative einer Grundform einer erfindungsgemäßen Hybrideinheit
Fig. 3 die Hybrideinheit nach Fig. 1 , kombiniert mit einer ersten Variante einer
Schwungradeinrichtung
Fig. 4 die Hybrideinheit nach Fig. 1 , kombiniert mit einer zweiten Variante einer
Schwungradeinrichtung
Fig. 5 die Hybrideinheit nach Fig. 1 , kombiniert mit einer dritten Variante einer
Schwungradeinrichtung
Fig. 6 einen Fahrzeugantriebsstrang mit Primärantrieb, einer erweiterten Variante der Hybrideinheit nach Fig. 4 und Getriebe
Fig. 7 eine erste Variante eines Fahrzeugantriebsstrangs mit Primärantrieb der Hybrideinheit nach Fig. 1 und einem Getriebe nach Fig.6
Fig. 8 eine zweite Variante eines Fahrzeugantriebsstrangs mit Primärantrieb, der
Hybrideinheit nach Fig. 4 und einem konventionellen Schalt- oder Automatikgetriebe
Fig. 1 zeigt die Grundform einer Hybrideinheit 100, die einen Versorgungselektroantrieb 103 und einen Hybridelektroantrieb 105 aufweist, die auf einer zentralen Hauptwelle gelagert sind. Der Versorgungselektroantrieb 103 umfasst einen ersten Hauptrotor 120 und einen diesen radial umgebenden Überlagerungsrotor 124. Der erste Hauptrotor 120 ist mit Feldwicklungen versehen und auf der Außenseite einer Trägertrommel 108 angebracht. Beide sind drehfest mit der Hauptwelle 106 verbunden.
Der Überlagerungsrotor 124 ist an einem Träger 126 angebracht, der drehfest mit einer als Hohlwelle ausgeführten Versorgungswelle 130 verbunden ist, die auf einer Eingangsseite zur Hauptwelle 106 drehbar gelagert ist. Der Überlagerungsrotor 124 kann je nach Bauart Permanentmagneten oder Kurzschlusswicklungen aufweisen.
Der Hybridelektroantrieb 105 umfasst ebenfalls einen auf der Außenseite der Trommel 108 angebrachten zweiten Hauptrotor 116 mit Feldwicklungen, der von einem Überlagerungsrotor 121 umgeben wird. Der Überlagerungsrotor 121 , ist an einen Träger 128 angebracht, der
drehfest mit einer als Hohlwelle ausgeführten Ausgangswelle 132 verbunden ist, die auf der Ausgangsseite zur Hauptwelle 106 drehbar gelagert ist. Der Überlagerungsrotor 121 kann je nach Bauart Permanentmagneten oder Kurzschlusswicklungen aufweisen.
Innerhalb der Trommel 108 ist eine Leistungssteuereinrichtung 110 vorgesehen, die eine Vier-Quadranten-Steuerungseinheit 1 12 und eine Vier-Quadranten-Steuerungseinheit 114 umfasst, die dem ersten Hauptrotor 120 bzw. dem zweiten Hauptrotor 1 16 zugeordnet sind. Die Steuereinheiten 1 12 , 1 14 sind jeweils über Phasenleitungen 122 bzw. 1 18 (U-V-W- Leitungen) mit den Feldwicklungen der Hauptrotoren 120 bzw. 1 16 verbunden.
Zur Kühlung der Bauelemente wird die Trommel 108 von einem Kühlmittel (vorzugsweise Getriebeöl) durchströmt. Hierzu kann der Innenraum der Trommel 108 mit einer axialen Zentralbohrung in der Hauptwelle 106 verbunden sein, wobei eine Kühlmittelquelle mit der Bohrung in Verbindung steht (nicht gezeigt).
Zur Funktionsansteuerung der Hybrideinheit 100 ist eine bidirektionale Datenkommunikation bzw. Datenübertragung von einem Betriebssteuergerät 134 zur Steuerungseinheit 1 10, bzw. zu den Steuerungseinheiten 112 bzw. 114 erforderlich. Um diese Datenübertragung vom gehäusefesten Betriebssteuergerät 134 zur drehbar gelagerten Steuerungseinheit 1 10 zu ermöglichen, ist an der Trommel 108 zwischen den beiden Elektroantrieben 103, 105 mindestens ein mit der Trommel 108 rotierender Datenübertragungsteil 138 mit einem integrierten Sende- und Empfangsteil vorgesehen. Mindestens ein weiterer Datenübertragungsteil 136 mit einem integrierten Sende- und Empfangsteil ist an dem Gehäuse 107 mit dem ersten Datenübertragungsteil 138 in geeigneter Flucht zueinander befestigt. Die Datenübertragung an das Betriebssteuergerät 134 umfasst unter anderem die Ist-Drehzahl der Hauptwelle 106, des ersten Überlagerungsrotors 124 und des zweiten Überlagerungsrotors 121 , während vom Betriebssteuergerät an die Leistungssteuereinheit 110 im Wesentlichen die Soll- Ansteuerdaten für die Drehzahl- und Momentenregelung der beiden Überlagerungselektro- maschinen 103 und 105 übertragen werden. Die Übertragung zwischen beiden Datenübertragungsteilen 136, 138 erfolgt beispielsweise induktiv. Es sind jedoch auch andere Formen einer Datenübertragung möglich. Die Elektronikbauteile in der Steuerungseinheit 110 werden durch eine interne, in der Trommel 108 vorgesehene geeignete Stromversorgung versorgt.
Fig.2 zeigt eine Ausführungsalternative einer erfindungsgemäßen Hybrideinheit 100a, die ebenfalls einen Versorgungselektroantrieb 103a und einen Hybridelektroantrieb 105a ent-
sprechend Ausführung Fig. 1 aufweist und funktionsgleiche Eigenschaften der Hybrideinheit 100 in Fig.1 besitzt.
Kennzeichnend für diese Ausführungsalternative ist, dass die Hauptwelle 106a als Hohlwelle ausgeführt ist, der erste Überlagerungsrotor 124a des Versorgungsantriebs 103a drehfest mit einer als Zentralwelle ausgebildeten eingangsseitigen Versorgungswelle 130a verbunden ist und der zweite Überlagerungsrotor 124a des Hybridantriebs 105a ausgangsseitig drehfest mit einer als Zentralwelle ausgebildeten Ausgangswelle 132a verbunden ist. Die Leistungssteuerung 110a und die beiden Hauptrotoren 120a und 1 16a des Versorgungsantriebs 103a und des Hybridantriebs 105a sind an oder in der Trägereinheit 108a drehfest mit der Hauptwelle 106a verbunden. Die radial außen an der Trägereinheit 108a umlaufend befestigte Leistungssteuereinrichtung 110a enthält wie in der Hybrideinheit 100 in Fig.1 zwei Vier- Quadranten-Steuerungseinheiten 112a und 1 14a, die über die Phasenleitungen 122a und 1 18a mit den auf den Überlagerungsrotoren 116a und 120a befestigten Feldwicklungen in elektrischer Funktionsverbindung stehen und den elektrischen Leistungsaustausch zwischen Versorgungsantrieb 103a und Hybridantrieb 105a ermöglichen.
Wie in Fig.1 steht eine bidirektionale Datenübertragung von dem Betriebssteuergerät 134 zur Steuerungseinheit 1 10a zur Verfügung, wobei der rotierende Datenübertragungsteil 138 mit der Leistungssteuereinheit 110a und der gehäusefeste Datenübertragungsteil 136 mit dem Betriebssteuergerät 134 in Datenverbindung steht.
Fig. 3 zeigt die Grundform einer Hybrideinheit 100 nach Fig. 1 mit einer Versorgungswelle 130, auf der in radialem Abstand eine Schwungradeinrichtung 149 in Form einer ringförmigen, gleichförmig verteilten Masse drehfest angebracht ist.
In Fig. 4 ist die Grundform der Hybrideinheit 100 nach Fig. 1 mit einer am ersten Überlagerungsrotor 124 des Versorgungsantriebs 103 angebrachten radial gleichförmig verteilen Massenträgheit versehen, die die gleiche Funktion hat wie die Schwungradeinrichtung 149 nach Fig.3.
In Fig. 5 sind die drei Planetenwellen eines Planetengetriebes P1 mit der Schwungradvorrichtung 149, sowie mit der Versorgungswelle 130 und der Hauptwelle 106 der Hybrideinheit 100 nach Fig. 1 verbunden. Das Planetengetriebe P1 ermöglicht es, einen mechanischen Energiefluss zwischen Schwungradvorrichtung und Hauptwelle durch die Hybrideinheit 100 zu steuern. In dieser Ausführungsform ist die Versorgungshohlwelle 130 mit dem Hohlrad
164 und die Hauptwelle 106 mit dem Planetenträger 162 des Planetengetriebes P1 drehfest gekoppelt. Die Schwungradeinrichtung 149 ist mit einer auf der Hauptwelle 106 drehbar gelagerten Verbindungshohlwelle 131 mit dem Sonnenrad 168 des Planetengetriebes P1 drehfest gekoppelt. Auf dem Planetenträger 162 ist mindestens ein Planetenrad 166 gelagert, das mit dem Sonnenrad 168 und dem Hohlrad 164 des Planetengetriebes P1 kämmt.
Fig. 6 zeigt einen Fahrzeug-Antrieb mit einem Primärantrieb 158 einer in Fig. 5 dargestellten Hybrideinheit mit der Schwungradeinrichtung 149 und einem ausgangsseitig angeschlossenen Getriebe 144. Analog zu diesem ist natürlich auch ein Fahrzeug-Antrieb mit einem Primärantrieb 158 und einem Getriebe 144, mit einer der Hybrideinheiten mit Schwungradvorrichtung 149 nach Fig. 3 oder Fig. 4 möglich.
Vorzugsweise ist hier das Planetengetriebe P1 durch eine Bremsvorrichtung B erweitert und der drehbare Teil 172 der Bremsvorrichtung B ist mit dem Hohlrad 164 des Planetengetriebes P1 verbunden. Der gehäusefeste Teil 170 ist durch das Betriebssteuergerät 134 nach Bedarf so steuerbar, dass ein Festbremsen oder ein Lösen des drehbaren Teils 172 der Bremsvorrichtung B gegen das Gehäuse ermöglicht wird und dadurch zwei unterschiedliche Betriebsmodi des Gesamtantriebs erzeugt werden können.
Der Primärantrieb 158 ist durch eine Kupplung K an die Hauptwelle 106 ankoppelbar oder auch von ihr zu trennen.
Die beiden Ausgangswellen der Hybrideinheit 100, die Hauptwelle 106 und die Ausgangshohlwelle 132, sind mit einem ausgangsseitigen Planetengetriebe P2 gekoppelt. Die Hauptwelle 106 der Hybrideinheit 100 ist mit einem ersten Sonnenrad 181 und die Ausgangshohlwelle 132 ist mit dem Planetenradträger 182 des ausgangsseitigen Planetengetriebes P2 drehfest verbunden. Ein zweites Sonnenrad 183 des ausgangsseitigen Planetengetriebes P2 ist mit der Eingangswelle 147 eines ersten Teilgethebes148 drehfest verbunden, während der Planetenradträger 182 des ausgangsseitigen Planetengetriebes P2 mit der Eingangshohlwelle 145 eines zweiten Teilgetriebes 146 drehfest verbunden ist.
Auf dem Planetenradträger ist wenigstens ein Doppelplanetenrad 184 mit einer ersten Verzahnung 185 und einer mit der ersten drehfest gekoppelten zweiten Verzahnung 186 drehbar gelagert, wobei das mit der Hauptwelle 106 verbundene erste Sonnenrad 181 mit der ersten Verzahnung 185 des Doppelplanetenrads 184 kämmt, und das mit dem ersten Teilgetriebe 148 verbundene zweite Sonnenrad 183 mit der zweiten Verzahnung 186 des Doppel-
planetenrads 184 kämmt. Die Abtriebswellen der beiden Teilgetriebe 146, 148 werden durch eine Verzahnpaarung am Ausgang des Getriebes 144 zu einem gemeinsamen Abtrieb A gekoppelt. Das Planetengetriebe P2 und die beiden Teilgetriebe146 und 148 sind Bestandteil des Getriebes 144.
Über nicht dargestellte Drehzahlsensoren an der Hauptwelle 106, dem ersten Überlagerungsrotor 124 des Versorgungsantriebs 103 und dem zweiten Überlagerungsrotor 121 des Hybridantriebs 105 werden über die Übertragungseinrichtung 136, 138 die IST- Drehzahlinformationen an das Betriebssteuergerät 134 übertragen.
Mit Hilfe dieser Drehzahlinformationen erfolgt vom Betriebssteuergerät 134 die Solldatenan- steuerung für die Leistungssteuerung 110, die zur Regelung des Versorgungsantriebs 103 und des Hybridantriebs 105 erforderlich sind, um gewünschte Betriebszustände einzustellen. Des Weiteren werden vom Betriebssteuergerät 134 die Kupplung K, die Bremsvorrichtung B und die Schalteinheiten S für die Ansteuerung der Schaltklauen im Getriebe 144 gesteuert. Gegebenenfalls ist eine Ankopplung der Schwungradvorrichtung 149 möglich, wie sie in Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellt ist.
Funktional stellt diese Ausführungsform einen rekuperationsfähigen Fahrzeughybridantrieb dar, mit einem Primärantrieb 158, einer Speichereinrichtung 149 und einem durch die Hybrideinheit 100 elektromechanisch steuerbaren, volllastfähigen EVT-Getriebe 144, das eine unendliche Getriebegesamtübersetzung besitzt.
Die beschriebene Ausführungsform kann in einem ersten klassischen Fahrmodus als Antrieb mit Stufenautomatikgetriebe, oder optional mit EVT-Getriebe betrieben werden.
In einem zweiten verbrauchsorientierten Fahrmodus kann der Verbrennungsmotor intermittierend arbeiten, d.h. längerfristig abgelegt werden, während der Fahrzeugantrieb gesteuert durch die Hybrideinheit 100 verbrennerfrei, ausschließlich mit Energie aus der Speichereinrichtung 149 betrieben wird.
Fig. 7 zeigt eine aufwandsreduzierte Variante eines Fahrzeug-Antriebs nach Fig.6 mit einem Primärantrieb 158, der Hybrideinheit 100 und einem Getriebe 144, der jedoch keine Speichereinrichtung besitzt.
Wesentliches Kennzeichen ist, dass die Versorgungshohlwelle 130 fest mit dem Gehäuse 107 verbunden ist, oder auch (nicht dargestellt) der Überlagerungsrotor 124 des Versorgungsantriebs 103 fest mit dem Gehäuse 107 verbunden ist. Zwischen dem Primärantrieb 158 und der Hauptwelle 106 ist keine Kupplung K erforderlich.
Funktional stellt diese Ausführungsform wie oben ein elektromechanisch gesteuertes EVT- Getriebe dar, das optional EVT- oder als Stufenautomatikgetriebe betrieben werden kann. Der Hybridantrieb 105 bezieht in dieser Ausführungsform seine Arbeitsleistung zur Steuerung der Ausgangshohlwelle 132 über den Versorgungsantrieb 103 aus der Hauptwelle 106.
Fig. 8 zeigt eine zweite Variante eines rekuperationsfähigen Fahrzeughybridantriebs mit einem Primärantrieb 158, der Hybrideinheit 100 mit einer Schwungradeinrichtung 149, wie in Fig. 5 beschrieben, und einem konventionellen Schalt- oder Automatikgetriebe 152.
Wesentliches Kennzeichen ist, dass die zweite Ausgangswelle 132 des Hybridantriebs 105 fest mit dem Gehäuse 107 verbunden ist, oder ggf. auch (nicht dargestellt) der Überlagerungsrotor 121 des Hybridantriebs 105 fest mit dem Gehäuse 107 verbunden ist. Die aus- gangsseitige Hauptwelle 106 der Hybrideinheit 100 ist hierbei mit der Getriebeeingangswelle 155 des Getriebes152 gekoppelt.
Der Primärantrieb 158 ist über eine von dem Betriebssteuergerät 134 steuerbare Kupplung K mit der Hauptwelle an- bzw. abkoppelbar.
Gegebenenfalls ist eine Ankopplung der Schwungradvorrichtung 149 möglich, wie sie in Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellt ist.
Diese Ausführungsform erfüllt die vergleichbaren Funktionen eines Mildhybridantriebs mit Stufenautomatikgetriebe.