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DE102006037577A1 - Nebenaggregatantrieb für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Nebenaggregatantrieb für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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DE102006037577A1
DE102006037577A1 DE102006037577A DE102006037577A DE102006037577A1 DE 102006037577 A1 DE102006037577 A1 DE 102006037577A1 DE 102006037577 A DE102006037577 A DE 102006037577A DE 102006037577 A DE102006037577 A DE 102006037577A DE 102006037577 A1 DE102006037577 A1 DE 102006037577A1
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DE
Germany
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planetary gear
electric machine
combustion engine
drive
internal combustion
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Application number
DE102006037577A
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English (en)
Inventor
Gary Dipl.-Ing. Avery
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Priority to JP2009523188A priority patent/JP2010500205A/ja
Priority to EP07801519A priority patent/EP2061669A2/de
Priority to PCT/EP2007/006924 priority patent/WO2008017436A2/de
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nebenaggregatantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Planetengetriebe, wobei ein erstes Element (S) des Planetengetriebes (P) mit einer ersten Elektromaschine (EM1), ein zweites Element (PT) mit einem Verbrennungsmotor (VM) und ein drittes Element (H1) mit mindestens einem Nebenaggregat (AG) im Leistungsaustausch stehen. Um sowohl beim Starten des Verbrennungsmotors als auch beim Antreiben des Fahrzeuges durch die erste Elektromaschine (EM1) einen hohen Wirkungsgrad aufzuweisen, weist der Nebenaggregatantrieb eine erste Kupplung (KVE), durch die der Verbrennungsmotor (VM) mit der ersten Elektromaschine (EM1) koppelbar ist, und einen ersten Freilauf (FAG) auf, durch den das dritte Element (H1) des Planetengetriebes (P) nur in eine Drehrichtung drehbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Nebenaggregatantrieb für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Werden Nebenaggregate, wie beispielsweise Klimakompressoren, Lüfter, Lenkhelfpumpen oder Öl- und Wasserpumpen, in Kraftfahrzeugen verwendet, bei denen die Nebenaggregate mit einer Drehzahl proportional zur Drehzahl des Verbrennungsmotors angetrieben werden, so müssen diese über einen breiten Drehzahlbereich, bei Ottomotoren beispielsweise von 600 bis 6000 U/min, also ein Faktor 10 beim Verhältnis von Höchstdrehzahl zu Niedrigstdrehzahl, die an sie gestellten Anforderungen erfüllen. Dies führt dazu, dass beispielsweise eine Wasserpumpe, die einen ausreichenden Kühlmittelfluss im Leerlauf des Verbrennungsmotors liefern muss, bei höheren Verbrennungsmotordrehzahlen eine unnötig hohe Kühlmittelmenge fördert und damit erhebliche Verluste verursacht. Andere Nebenaggregate wiederum bringen beim Leerlauf marginale Leistung und werden selten im optimalen Betriebsbereich betrieben.
  • Um Nebenaggregate bei Stillstand des Verbrennungsmotors antreiben zu können, ist bekannt, einen separaten Elektromotor vorzusehen, der den Nebenabtrieb des Verbrennungsmotors über einen Freilauf antreibt.
  • Ein Freilauf ist eine Vorrichtung, die einen Teil eines Antriebsstranges von der Drehbewegung entkoppelt, wenn sich die Lastverhältnisse ändern. Ein Freilauf kann beispielsweise als Rollenfreilauf, Lamellenfreilauf oder Klemmkörperfreilauf ausgeführt sein. Ein Klemmkörperfreilauf besteht aus einem Innenring, einem Außenring und aus in einem Käfig gelagerten Klemmkörpern. Bei einem Antrieb durch den Innenring drücken Federn die Klemmkörper leicht zwischen den Innenring und den Außenring, so dass sich die Klemmkörper abhängig von deren Drehung in ihren Aufnahmeräumen verschieben. Weil sich die Aufnahmeräume der Klemmkörper von den Federn weg verjüngen, ist das übertragene Drehmoment größer, je weiter der Innenring gegenüber dem Außenring verdreht wird. Durch passende Auswahl des Anstellwinkels des sich ausbildenden Klemmkeiles ist die Ausführung auch bei bester Schmierung – physikalisch bedingt – absolut rutschsicher, es herrscht der Zustand der Selbsthemmung. Der Verjüngungswinkel muss dazu so gewählt werden, dass er kleiner oder gleich dem Arcustangens der Gleitreibungszahl μ ist. Dreht sich die Drehrichtung um oder ist die äußere Drehzahl größer als die innere Drehzahl, rollen die Klemmkörper in Richtung der Feder, die Klemmung wird aufgehoben.
  • Elektromaschinen, die sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden, weisen ebenfalls die Problematik auf, dass sie im motorischen Betrieb eine andere Übersetzung als im Generatormodus benötigen. Dies führt zumeist zu einer Überdimensionierung der Elektromaschinen. Beispielsweise benötigen Starter-Generatoren im Starter-Modus eine höhere Übersetzung als im Generatormodus, was zu einer überdimensionierten Auslegung für den Starterbetrieb führt.
  • Ebenso sind elektrische Nebenaggregate bekannt, die insbesondere bei Hybridfahrzeugen verwendet werden, da hier ausreichend elektrische Energie zur Versorgung der Nebenaggregate vorhanden ist. Diese sind jedoch teuer.
  • Aus der DE 43 33 907 C2 ist ein Nebenaggregateantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Überlagerungsgetriebe mit einer Eingangsbasis und zwei Ausgangsbasen bekannt, wobei die Eingangsbasis mit einem Verbrennungsmotor, die erste Ausgangsbasis mit einem Nebenaggregatverbund und die zweite Ausgangsbasis mit einer als Generator betriebenen Induktionsmaschine in Drehverbindung steht. Die Drehzahl des Nebenaggregatverbunds ist durch das Überlagerungsgetriebe derart stufenlos steuerbar, dass sie sich in einem gleichmäßigen und möglichst idealen Bereich befindet. Allerdings ist im stufenlosen Betrieb die generatorische Leistung der Induktionsmaschine wegen der Abhängigkeit von dem Drehmomentbedarf des Nebenaggregatverbunds nur eingeschränkt steuerbar. Um von einem Betrieb mit stufenloser Übersetzung in einen Betrieb mit direkter Übersetzung zu gelangen, müssen nachteilig mehrere Kupplungen geschaltet werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nebenaggregatantrieb für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorzuschlagen, der sowohl beim Starten des Verbrennungsmotors als auch beim Antreiben des Fahrzeuges durch die erste Elektromaschine einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Nebenaggregatantrieb für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäß weist der Nebenaggregatantrieb eine erste Kupplung, durch die der Verbrennungsmotor mit der ersten Elektromaschine koppelbar ist, und einen ersten Freilauf auf, durch den das dritte Element des Planetengetriebes nur in eine Drehrichtung drehbar ist.
  • Bei der Verwendung einer ersten Kupplung, durch die der Verbrennungsmotor mit der ersten Elektromaschine koppelbar ist, kann die erste Elektromaschine den Verbrennungsmotor direkt antreiben, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird und das Planetengetriebe, insbesondere bei einem Warmstart des Verbrennungsmotors, geschont wird. Ebenso ist hierdurch bei geschlossener erster Kupplung die generatorische Leistung der ersten Elektromaschine nicht von dem Drehmomentbedarf des mindestens einen Nebenaggregats abhängig. Dies führt zu dem Vorteil, dass die erste Elektromaschine unabhängig von dem Nebenaggregat generatorisch oder motorisch steuerbar ist, und somit ein Boostbetrieb durch ein zusätzliches Antriebsmoment der ersten Elektromaschine möglich ist. Des Weiteren ermöglicht das Schalten der ersten Kupplung einen einfachen Wechsel zwischen einem stufenlosen Betrieb und einem direkten Betrieb.
  • Der erste Freilauf, durch den das dritte Element des Planetengetriebes, das mit mindestens einem Nebenaggregat im Leistungsaustausch steht, nur in eine Drehrichtung drehbar ist, ermöglicht vorteilhaft eine Übersetzung, und damit eine Drehmomentmultiplikation, beim Starten des Verbrennungsmotors durch die erste Elektromaschine, insbesondere bei einem Kaltstart. Hierdurch ist vorteilhaft ein Start des Verbrennungsmotors möglich, bei dem der Verbrennungsmotor auf seine Leerlaufdrehzahl beschleunigt wird bevor der Einspritzvorgang beginnt. Dies führt gegenüber einem konventionellen Verbrennungsmotorstart zu verringerten Abgasemissionen sowie zu einem bezüglich des Komforts verbesserten Startvorgang, was insbesondere bei einem Start/Stopp-Betrieb von großem Vorteil ist.
  • Das Planetengetriebe ermöglicht vorteilhaft
    • – ein höheres Drehmoment beim Starten des Verbrennungsmotors durch die erste Elektromaschine bei geöffneter erster Kupplung, insbesondere beim Kaltstart,
    • – eine Drehmomentverteilung zwischen Verbrennungsmotor und erster Elektromaschine beim Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats, insbesondere wenn sich der Verbrennungsmotor im Leerlauf befindet, und
    • – eine stufenlose Steuerung des Nebenaggregatantriebs, wodurch der Betriebsbereich des mindestens einen Nebenaggregats in Bezug auf sein Drehzahlspektrum reduziert werden kann.
  • Durch den erfindungsgemäßen Nebenaggregatantrieb können vorteilhaft die folgenden Funktionalitäten eines Hybridantriebsstranges realisiert werden:
    • – Generatorfunktion durch generatorischen Betrieb der ersten Elektromaschine (eine Lichtmaschine eines Fahrzeuges mit konventionellen Antrieb wird nicht mehr benötigt),
    • – Start/Stopp-Funktionalität durch Starten des Verbrennungsmotors mittels der ersten Elektromaschine,
    • – Boostfunktion durch zusätzliches Antriebsmoment der ersten Elektromaschine und
    • – Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats durch die erste Elektromaschine bei Stillstand des Verbrennungsmotors.
  • Weist der Nebenaggregatantrieb eine erste Bremse auf, durch die das erste Element des Planetengetriebes gegenüber einem Gehäuseteil festgehalten werden kann, so ist es möglich, die Drehzahl des mindestens einen Nebenaggregats zu erhöhen. Dies ist bei niedrigen Verbrennungsmotordrehzahlen besonders vorteilhaft, insbesondere wenn ein Fahrzeugtriebstrang eine weitere Elektromaschine zur Erzeugung von elektrischer Energie aufweist.
  • Weist der Nebenaggregatantrieb einen zweiten Freilauf auf, durch den das zweite Element des Planetengetriebes nur in eine Drehrichtung drehbar ist, so ist es möglich, auch wenn sich der Verbrennungsmotor im Stillstand befindet, das dritte Element, das mit mindestens einem Nebenaggregat im Leistungsaustausch steht, anzutreiben. Dies ist insbesondere bei Fahrzeugen, die rein elektrisch angetrieben werden können, von Vorteil, da hier beispielsweise die Lenkhelfpumpe der Servolenkung angetrieben werden muss. In bevorzugter Weise werden hierbei die Nebenaggregate, wie beispielsweise Klimaanlage und Servolenkung, derart betrieben, dass beispielsweise während einer erhöhten Lenkhelfpumpenleistung die Leistung des Klimakompressors reduziert wird. Hierdurch kann die Summe der erforderlichen Leistung für Nebenaggregate begrenzt werden.
  • Weist der Nebenaggregatantrieb ein erweitertes Planetengetriebe mit zwei Planetenradsätzen und zwei Hohlrädern auf, wobei nur der erste Planetenradsatz mit dem ersten Element des Planetengetriebes sowie dem dritten Element kämmt und der zweite Planetenradsatz mit dem ersten Planetenradsatz und dem vierten Element kämmt, so kann eine zweite Bremse, durch die das vierte Element gegenüber einem Gehäuseteil festgehalten werden kann, vorteilhaft als Startkupplung dienen. Hierbei kann bei laufendem Nebenaggregatantrieb durch eine Startübersetzung mittels der ersten Elektromaschine der Verbrennungsmotor gestartet werden. Dieser Verbrennungsmotorstart zeichnet sich durch geringe Vibrationen aus.
  • Eine Ausführung der ersten Kupplung, durch die der Verbrennungsmotor mit der ersten Elektromaschine koppelbar ist, als Fliehkraftkupplung führt zu deutlichen Kostenvorteilen. Wobei die Möglichkeiten, in jedem Betriebsbereich das mindestens eine Nebenaggregat stufenlos und bedarfsgerecht anzutreiben und auch die Begrenzung der Höchstdrehzahl entfallen.
  • Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Nebenaggregatantriebs mit einem Planetengetriebe, einer ersten Kupplung zur Kopplung einer ersten Elektromaschine und eines Verbrennungsmotors und einem ersten Freilauf zur Bestimmung der Drehrichtung des Hohlrads;
  • 2 eine Darstellung der Drehzahlen des mindestens einen Nebenaggregats, des Verbrennungsmotors und der ersten Elektromaschine bei einem Nebenaggregatantrieb gemäß 1;
  • 3 eine tabellarische Darstellung von vier Auslegungsbeispielen für einen Nebenaggregatantrieb gemäß 1 und 2;
  • 4 eine schematische Darstellung des Nebenaggregatantriebs nach 1 mit einer zusätzlichen ersten Bremse zum Festhalten des Sonnenrades;
  • 5 eine Darstellung der Drehzahlen des mindestens einen Nebenaggregats, des Verbrennungsmotors und der ersten Elektromaschine bei einem Nebenaggregatantrieb gemäß 4;
  • 6 eine schematische Darstellung des Nebenaggregatantriebs nach 1 mit einem zusätzlichen Freilauf zur Bestimmung der Drehrichtung des Planetenradträgers;
  • 7 eine Darstellung der Drehzahlen des mindestens einen Nebenaggregats, des Verbrennungsmotors und der ersten Elektromaschine bei einem Nebenaggregatantrieb gemäß 6;
  • 8 eine schematische Darstellung des Nebenaggregatantriebs nach 6 mit einem erweiterten Planetengetriebe mit zwei Planetenradsätzen und zwei Hohlrädern, wobei das zweite Hohlrad durch eine zweite Bremse festgehalten werden kann;
  • 9 eine Darstellung der Drehzahlen des mindestens einen Nebenaggregats, des Verbrennungsmotors und der ersten Elektromaschine bei einem Nebenaggregatantrieb gemäß 8;
  • 10 eine schematische Darstellung des Nebenaggregatantriebs nach 6, wobei der Planetenradträger über eine zweite Kupplung mit einer Eingangswelle eines Fahrgetriebes verbindbar ist, die zudem mit einer zweiten Elektromaschine im Leistungsaustausch steht; und
  • 11 eine schematische Darstellung des Nebenaggregatantriebs nach 1, wobei der Planetenradträger über eine zweite Kupplung mit einem dritten Hohlrad eines Triebstrangplanetengetriebes verbindbar ist.
  • 1 zeigt einen Nebenaggregatantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Planetengetriebe P, das ein Sonnenrad S, einen ersten Satz von Planetenrädern PR1, die mit ihren Achsen in einem Planetenradträger PT gelagert sind, und ein erstes Hohlrad H1 umfasst. Hierbei stehen eine erste Elektromaschine EM1 mit dem Sonnenrad S, ein Verbrennungsmotor VM mit dem Planetenradträger PT und mindestens ein Nebenaggregat AG mit dem ersten Hohlrad H1 im Leistungsaustausch. Durch eine erste Kupplung KVE, beispielsweise eine Lamellenkupplung, kann der Verbrennungsmotor VM mit der ersten Elektromaschine EM1 gekoppelt werden. Ein erster Freilauf FAG, dessen eines Ende mit dem ersten Hohlrad H1 und dessen anderes Ende mit einem Gehäuseteil verbunden ist, bewirkt, dass das erste Hohlrad H1 nur in eine Richtung, nämlich der Antriebsrichtung des Verbrennungsmotors VM, drehbar ist.
  • Hierdurch ergibt sich, wie die Gerade 1 der 2 zeigt, zum Starten des Verbrennungsmotors VM durch die erste Elektromaschine EM1 bei geöffneter erster Kupplung KVE eine Hebelwirkung, d.h. das Drehmoment am Planetenradträger PT steigt auf etwa das Dreifache an. Durch diese Übersetzung kann eine erste Elektromaschine EM1, die zum Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG eine mechanische Leistung von 3–6 kW erzeugen kann, den Verbrennungsmotor VM problemlos starten.
  • Beim Startvorgang, der besonders bevorzugt bei einem Kaltstart angewandt wird, wird der Verbrennungsmotor VM zunächst auf normale Leerlaufdrehzahl gebracht, bevor mit der Einspritzung von Kraftstoff begonnen wird. Dies führt gegenüber einem konventionellen Startvorgang mit einem Anlasser zu geringeren Abgasemissionen und zu einem besseren Komfort. Hierdurch kann der Verbrennungsmotor VM unter Berücksichtigung von Abgasgrenzwerten häufiger in den Start/Stopp-Betrieb gehen.
  • 2 verdeutlicht die Drehzahlverhältnisse des mindestens einen Nebenaggregats AG, des Verbrennungsmotors VM und der ersten Elektromaschine EM1. Auf der vertikalen Achse sind die Drehzahlen in Umdrehungen pro Minute aufgetragen. Die Abstände auf der horizontalen Achse zwischen dem mindestens einen Nebenaggregat AG, dem Verbrennungsmotor VM und der ersten Elektromaschine EM1 ergeben sich aus den Übersetzungen des Planetengetriebes P so, dass sich die zu einem bestimmten Betriebspunkt gehörenden Drehzahlen durch eine Gerade verbinden lassen. Somit ergeben zwei bekannte Drehzahlen die Drehzahl des dritten Elements.
  • Gerade 2 zeigt einen Zustand, bei dem der Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG bedarfsgerecht, beispielsweise erst bei erhöhtem Leistungsbedarf der Lenkhelfpumpe oder des Klimakompressors, durch die erste Elektromaschine EM1 unterstützt wird und sich der Verbrennungsmotor VM im Leerlauf (ca. 600 U/min) befindet. Je nach Konfiguration und Betriebszustand muss die erste Elektromaschine EM1 in diesem Boostbetrieb lediglich 20–40% zur geforderten Leistung beitragen. Hierbei ist die erste Kupplung KVE ebenfalls geöffnet.
  • Unterschreitet die Drehzahl des Verbrennungsmotors VM die Leerlaufdrehzahl, beispielsweise wenn das Fahrzeug zum Stehen kommt, so soll die erste Elektromaschine EM1 vom generatorischen in den motorischen Betrieb wechseln.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 bzw. 2 ergibt sich bei einer Drehzahl an der unteren Grenze des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors VM von 900 U/min und einer stillstehenden ersten Elektromaschine EM1 für den Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG eine Drehzahl von 1200 U/min (Gerade 5).
  • Oberhalb dieser Drehzahl des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG, dargestellt durch die Gerade 3, kann die erste Kupplung KVE geschlossen werden, um so einen unabhängigen Generator- bzw. Boostbetrieb zu ermöglichen.
  • Unterhalb dieser Drehzahl öffnet sich bei einem Leistungsbedarf des mindestens einen Nebenaggregats AG die erste Kupplung KEV und die Drehzahl des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG wird über die erste Elektromaschine EM1 so gesteuert, dass sie 1200 U/min nicht unterschreitet. So wird der Betriebsdrehzahlbereich für die Nebenaggregate nach unten hin beschränkt.
  • Durch diese stufenlose Steuerung des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG lässt sich ebenso die Höchstdrehzahl des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG, wie beispielsweise Gerade 4 zeigt, auf eine Drehzahl von 4500 U/min begrenzen. Hierbei wird die erste Elektromaschine EM1 generatorisch betrieben, wobei ihre Leistung vom Drehmomentbedarf des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG abhängt. Diese eingeschränkte Steuerbarkeit kann beispielsweise durch eine weitere Elektromaschine im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges auf Dauer ausgeglichen werden.
  • Zudem lässt sich auf diese Art und Weise die Drehzahl des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG bedarfsgerecht steuern
  • Dadurch dass der Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG nicht nur durch den Verbrennungsmotor VM, sondern auch durch die erste Elektromaschine EM1 angetrieben werden kann, muss der Verbrennungsmotor VM nicht mehr so ausgelegt werden, dass er die Funktionen aller Nebenaggregate bereits im Leerlauf gewährleisten kann.
  • Die Tabelle aus 3 zeigt vier Auslegungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen Nebenaggregatantrieb gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 und 2, wobei die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors VM 600 U/min, die Höchstdrehzahl des Verbrennungsmotors VM 6000 U/min und der maximale mechanische Leistungsbedarf des mindestens einen Nebenaggregats AG 6 kW betragen.
  • In einer Basis-Auslegung gemäß Spalte 1 der Tabelle beträgt
    • – das Verhältnis der Zähne des ersten Hohlrades H1 zu den Zähnen des Sonnenrades S: 3,0
    • – die untere Grenze des normalen Betriebsbereiches des Verbrennungsmotors VM: 900 U/min
    • – die daraus resultierende untere Grenze des Betriebsbereiches des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG: 1200 U/min
    • – die obere Grenze des Betriebsbereiches des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG: 6000 U/min
    • – hieraus ein Verhältnis von oberer Grenze nA_hi zu unterer Grenze nA_lo des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG: 5,0
    • – die (negative) Drehzahl der Elektromaschine EM1, wenn sich der Verbrennungsmotor VM im Leerlauf befindet: – 1200 U/min
    • – die Drehzahl der Elektromaschine EM1 beim Starten des Verbrennungsmotors VM: 1800 U/min
    • – die Höchstdrehzahl der Elektromaschine EM1: 6000 U/min
    • – der Leistungsanteil der Elektromaschine EM1, wenn sich der Verbrennungsmotor VM im Leerlauf befindet: 33%, also 2 kW mechanische Leistung.
  • Um den Drehzahlbereich des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG, also das Verhältnis von oberer Grenze nA_hi zu unterer Grenze nA_lo noch weiter zu reduzieren und so den Wirkungsgrad der Nebenaggregate weiter zu verbessern, zeigen die zweite bzw. dritte Spalte der Tabelle ein Auslegungsbeispiel mit erhöhter unterer Drehzahlgrenze nA_lo bzw. mit niedrigerer oberer Drehzahlgrenze nA_hi.
  • Hieraus ergibt sich bei der erhöhten unteren Drehzahlgrenze nA_lo von 1333 U/min ein Verhältnis von oberer Grenze nA_hi zu unterer Grenze nA_lo von 4,5 bei einem erhöhten Leistungsanteil der Elektromaschine EM1, wenn sich der Verbrennungsmotor VM im Leerlauf befindet, von 40%. Bei der niedrigerer oberer Drehzahlgrenze nA_hi von 4500 U/min ergibt sich ein noch geringeres Verhältnis von oberer Grenze nA_hi zu unterer Grenze nA_lo von 3,75, wobei die Höchstdrehzahl der Elektromaschine EM1 10500 U/min beträgt.
  • Ein höheres Verhältnis der Zähne des ersten Hohlrades H1 zu den Zähnen des Sonnenrades S von 5,0 führt ebenfalls zu einem Verhältnis von oberer Grenze nA_hi zu unterer Grenze nA_lo des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG von 5,0, wobei die (negative) Drehzahl der Elektromaschine EM1 – 2400 U/min und der Leistungsanteil der Elektromaschine EM1 40% betragen, wenn sich der Verbrennungsmotor VM im Leerlauf befindet. Die Drehzahl der Elektromaschine EM1 beim Starten des Verbrennungsmotors VM beträgt 3000 U/min.
  • Zur weiteren Reduzierung des Drehzahlbereichs des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG könnte
    • 1) die untere Grenze nA_lo weiter angehoben, oder
    • 2) die obere Grenze nA_hi weiter reduziert werden.
  • Zu 1): Wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors VM kleiner ist als die untere Grenze des Betriebsbereiches des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG, dann löst sich die erste Kupplung KVE und der Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG wird von der ersten Elektromaschine EM1 unterstützt. Dabei arbeitet die erste Elektromaschine EM1 oberhalb der unteren Grenze des normalen Betriebsbereiches des Verbrennungsmotors VM als Generator und unterhalb dieser Drehzahl als Motor, wobei das Drehmoment jedoch von dem Leistungsbedarf des mindestens einen Nebenaggregats AG abhängt und die Steuerung der Leistungsflüsse dadurch erschwert wird. Deswegen eignet sich dieser Betrieb nur für kurze Phasen oder im Verbund mit einer zweiten Elektromaschine im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges.
  • Zu 2): Bei der Begrenzung der oberen Drehzahl nA_hi des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG ist zu beachten, dass die erste Elektromaschine EM1 in diesem Bereich generatorisch betrieben wird und somit die Steuerung der generatorischen Leistung für das Bordnetz durch die Abhängigkeit vom Leistungsbedarf des mindestens einen Nebenaggregats AG erschwert wird. Ebenso ist hierbei die Höchstdrehzahl der ersten Elektromaschine EM1 zu berücksichtigen.
  • Grundsätzlich ist festzustellen, dass bei der unteren Grenze nA_lo mehr Spielraum ist, da die Start/Stopp-Funktionalität die Leerlaufphasen verkürzt.
  • Die erste Elektromaschine EM1, der Verbrennungsmotor VM sowie das Sonnenrad S des Planetengetriebes P sind in 1 koaxial angeordnet. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass die erste Elektromaschine EM1 außerhalb dieser Achse angeordnet ist und mittels eines Riemen-, Ketten- oder Zahnradantriebes mit dem Sonnenrad S des Planetengetriebes P verbunden ist. Hierbei entstehen weitere Optimierungsmöglichkeiten durch die Wahl der Übersetzung der ersten Elektromaschine EM1.
  • Die erste Kupplung KVE, durch die der Verbrennungsmotor VM mit der ersten Elektromaschine EM1 koppelbar ist, ist vorzugsweise formschlüssig ausgeführt. Eine Ausführung der ersten Kupplung KVE als Fliehkraftkupplung führt zu deutlichen Kostenvorteilen. Wobei die Möglichkeiten, in jedem Betriebsbereich das mindestens eine Nebenaggregat AG stufenlos und bedarfsgerecht anzutreiben und auch die Höchstdrehzahl des Nebenaggregats AG zu begrenzen, entfallen.
  • 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Nebenaggregatantrieb, der die Elemente des Nebenaggregatantriebs nach 1 und zusätzlich eine erste Bremse KGE, durch die das Sonnenrad S des Planetengetriebes P gegenüber einem Gehäuseteil festgehalten werden kann, aufweist.
  • Wie die Geraden 6 und 7 aus 5 deutlich machen, kann bei durch die erste Bremse KGE festgehaltenem Sonnenrad S und damit festgehaltener erster Elektromaschine EM1 die Drehzahl des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG gegenüber der Drehzahl des Verbrennungsmotors VM erhöht werden. Dies ist insbesondere bei niederen Drehzahlen des Verbrennungsmotors VM von Vorteil. Dass die erste Elektromaschine EM1 in diesem festgebremsten Zustand keine elektrische Energie erzeugen kann, kann beispielsweise durch eine zweite Elektromaschine im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges kompensiert werden.
  • 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Nebenaggregatantrieb mit einem zweiten Freilauf FVG, durch den der Planetenradträger PT gegenüber einem Gehäuseteil nur in eine Drehrichtung drehbar ist. Dadurch ist es möglich, auch wenn sich der Verbrennungsmotor VM im Stillstand befindet, den Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG durch die erste Elektromaschine EM1 anzutreiben. Hierbei stützt der zweite Freilauf FVG – wie durch die Gerade 8 der 7 dargestellt – das Moment des Antriebs des mindestens einen Nebenaggregats AG ab.
  • Dies ist insbesondere bei Fahrzeugen, die rein elektrisch angetrieben werden können, also so genannten Vollhybrid-Fahrzeugen, von Vorteil, da hier beispielsweise die Lenkhelfpumpe der Servolenkung angetrieben werden muss während das Fahrzeug rein elektrisch fährt. In bevorzugter Weise werden hierbei die Nebenaggregate, wie beispielsweise Klimaanlage und Servolenkung, derart betrieben, dass beispielsweise während einer erhöhten Lenkhelfpumpenleistung die Leistung des Klimakompressors reduziert wird. Hierdurch kann die Summe der gleichzeitigen Leistungsbedarfe der Nebenaggregate begrenzt werden.
  • Der zweite Freilauf FVG kann auch an anderer Stelle entlang der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors VM (Kurbelwelle) angeordnet sein, wenn dies beispielsweise bezüglich des zur Verfügung stehenden Bauraums günstig ist.
  • Weitere Vorteile durch die Abstützung des Planetenradträgers PT mittels des zweiten Freilaufs FVG ergeben sich auch bei einem Fahrzeug, das rein elektrisch angetrieben wird.
  • Soll von einem Betriebszustand aus, wie ihn Gerade 8 der 7 zeigt, wo also der Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG durch die erste Elektromaschine EM1 angetrieben wird, der Verbrennungsmotor VM gestartet werden, so ist dies, wie durch Gerade 1 der 2 gezeigt, möglich. Hierbei müsste allerdings der Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG während des Startvorgangs stehen. Eventuelle Probleme hieraus, beispielsweise für die Servolenkung können durch einen Druckspeicher für die Servolenkung ausgeglichen werden. Dies gilt ebenso bei einem erfindungsgemäßen Nebenaggregatantrieb nach 1.
  • Vorteilhaft wäre es, den Verbrennungsmotor VM vom Betriebszustand, wie ihn Gerade 8 der 7 zeigt, aus bei laufendem Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG zu starten.
  • Eine Lösung hierfür wäre es, die erste Kupplung KVE zu schließen und so – wie Gerade 9 der 7 zeigt – den Verbrennungsmotor VM zu starten. Hierbei wäre allerdings keine Übersetzung beim Starten, wie sie bei Gerade 1 der 2 vorliegt, gegeben. Des Weiteren kann es beim Schließen der ersten Kupplung KVE zu Einschränkungen bezüglich des Fahrkomforts kommen, wobei zudem die Betriebsfestigkeit durch die hohe Beanspruchung kritisch sein könnte.
  • 8 zeigt einen erfindungsgemäßen Nebenaggregatantrieb mit einem erweiterten Planetengetriebe P mit zwei Planetenradsätzen PR1, PR2 und zwei Hohlrädern H1, H2, wobei das zweite Hohlrad H2 durch eine zweite Bremse BS gegenüber einem Gehäuseteil festgehalten werden kann.
  • Die Planeten der beiden Planetenradsätze PR1, PR2 sind mit ihren Achsen jeweils im Planetenradträger PT gelagert. Die Planeten des ersten Planetenradsatzes PR1 kämmen mit dem Sonnenrad S und dem ersten Hohlrad H1 sowie mit den Planeten des zweiten Planetenradsatzes PR2. Die Planeten des zweiten Planetenradsatzes PR2 kämmen zudem mit dem zweiten Hohlrad H2.
  • Dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 entsprechende Elemente sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Zur Anordnung und Wirkungsweise wird auf die Beschreibung zu 6 verwiesen.
  • Die Gerade 8 aus 9 beschreibt den identischen Zustand bezüglich der Drehzahlen des mindestens einen Nebenaggregats AG, des Verbrennungsmotors VM und der ersten Elektromaschine EM1 wie Gerade 8 aus 7. Hierbei steht der Verbrennungsmotor VM also still und der Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG wird durch die erste Elektromaschine EM1 angetrieben. Um den Verbrennungsmotor VM nun zu starten, ohne dass der Antrieb des mindestens einen Nebenaggregats AG gestoppt werden muss, kann die zweite Bremse BS, die das zweite Hohlrad H2 festhält, als Startkupplung verwendet werden. Ausgehend vom Zustand gemäß Gerade 8 wird also die zweite Bremse BS geschlossen, wodurch die Drehzahllinie 10 durch den Punkt BS geht. Das zweite Hohlrad H2 steht also still. Dies führt im Gegensatz zu einer direkten Kopplung des Verbrennungsmotors VM mit der ersten Elektromaschine EM1 durch die erste Kupplung KVE zu einer Startübersetzung. Dieser Verbrennungsmotorstart zeichnet sich durch geringe Vibrationen aus.
  • 10 zeigt einen erfindungsgemäßen Nebenaggregatantrieb mit den Elementen des Nebenaggregatantriebs nach 6, wobei der Planetenradträger PT und somit die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors VM über eine zweite Kupplung KVM und vorzugsweise einen Torsionsschwingungsdämpfer mit einer Getriebeeingangswelle GE eines Fahrgetriebes G verbindbar ist.
  • Das Fahrgetriebe G ist abtriebsseitig mit einem nicht dargestellten Achsgetriebe verbunden und treibt so Räder des Kraftfahrzeuges an. Als Fahrgetriebe G wird vorzugsweise ein Wechselgetriebe verwendet. Es kann jedoch auch ein stufenloses Getriebe als Fahrgetriebe G dienen.
  • Mit der Getriebeeingangswelle GE steht zudem eine zweite Elektromaschine EM2 im Leistungsaustausch, die sowohl generatorisch als auch motorisch betrieben werden kann. Ist die zweite Kupplung KVM beispielsweise geöffnet, so kann das Fahrzeug allein durch die zweite Elektromaschine EM2 angetrieben werden. Bei geschlossener zweiter Kupplung KVM kann ein Antriebsmoment vom Verbrennungsmotor VM und/oder der ersten Elektromaschine EM1 und/oder der zweiten Elektromaschine EM2 aufgebracht werden. Wobei hierbei auch eine oder beide Elektromaschinen EM1, EM2 generatorisch betrieben werden können. Ebenso kann bei geschlossener zweiter Kupplung KVM die zweite Elektromaschine EM2 zum Starten des Verbrennungsmotors VM dienen.
  • Anstatt mit den Elementen des Nebenaggregatantriebs nach 6 könnten die abtriebsseitig von der zweiten Kupplung KVM angeordneten Elemente auch mit Elementen der Nebenaggregatantriebe nach den 1, 4 oder 8 kombiniert werden.
  • In 11 ist ein erfindungsgemäßer Nebenaggregatantrieb mit den Elementen des Nebenaggregatantriebs nach 1 dargestellt, wobei der Planetenradträger PT und somit die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors VM über eine zweite Kupplung KVM mit einem dritten Hohlrad TH eines Triebstrangplanetengetriebes TP verbindbar ist. Der Planetenradträger PT könnte auch mit einem anderen Element des Triebstrangplanetengetriebes TP verbindbar sein, jedoch würden sich dann weniger vorteilhafte Übersetzungsverhältnisse ergeben.
  • Durch einen dritten Freilauf FV2, der mit dem dritten Hohlrad TH verbunden ist, ist eine Drehung des dritten Hohlrads TH gegenüber einem Gehäuseteil nur in eine Drehrichtung möglich.
  • Eine zweite Elektromaschine EM2 ist mit einem Sonnenrad TS des Triebstrangplanetengetriebes TP verbunden. Ein Planetenradträger TPT des Triebstrangplanetengetriebes TP ist mit der Getriebeeingangswelle GE des Fahrgetriebes G verbunden.
  • Des Weiteren ist der Planetenradträger TPT und damit die Getriebeeingangswelle GE durch eine dritte Kupplung KEG direkt mit dem Sonnenrad TS und damit mit der zweiten Elektromaschine EM2 koppelbar.
  • Somit ergibt sich bei geöffneter dritter Kupplung KEG und geöffneter zweiter Kupplung KVM die Möglichkeit, das Kraftfahrzeug rein elektrisch mittels der zweiten Elektromaschine EM2 mit einer Übersetzung durch das Triebstrangplanetengetriebe TP anzutreiben. Wobei hierbei das mindestens eine Nebenaggregat AG durch die erste Elektromaschine EM1 oder den Verbrennungsmotor VM angetrieben werden kann.
  • Ebenso ist es bei geöffneter dritter Kupplung KEG und geschlossener zweiter Kupplung KVM möglich, das Kraftfahrzeug mit einer stufenlosen Übersetzung anzutreiben. Hierbei ist die Drehzahl der Getriebeeingangswelle GE durch die Drehzahlen der zweiten Elektromaschine EM2 und des Verbrennungsmotors VM steuerbar. In diesem Modus ist ebenfalls eine Geared Neutral Funktion möglich, bei der die Drehzahlen des Verbrennungsmotors VM und der zweiten Elektromaschine EM2 derart eingestellt werden, dass die Drehzahl der Getriebeeingangswelle GE Null ist und das Kraftfahrzeug somit steht.
  • Bei geschlossener dritter Kupplung KEG und geöffneter zweiter Kupplung KVM kann das Kraftfahrzeug rein elektrisch mittels der zweiten Elektromaschine EM2 ohne Übersetzung angetrieben werden.
  • Bei geschlossener dritter Kupplung KEG und geschlossener zweiter Kupplung KVM weisen die Getriebeeingangswelle GE, der Verbrennungsmotor VM und die zweite Elektromaschine EM2 die gleiche Drehzahl auf, wobei ein Antrieb des Kraftfahrzeuges durch den Verbrennungsmotor VM und/oder die zweite Elektromaschine EM2 möglich ist.
  • Bei sämtlichen zuvor beschriebenen Antriebsmodi ist es auch möglich, eine oder beide Elektromaschinen EM1, EM2 generatorisch zu betreiben.
  • Anstatt mit den Elementen des Nebenaggregatantriebs nach 1 könnten die abtriebsseitig von der zweiten Kupplung KVM angeordneten Elemente auch mit Elementen der Nebenaggregatantriebe nach den 4, 6 oder 8 kombiniert werden.

Claims (10)

  1. Nebenaggregatantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Planetengetriebe (P), wobei – ein erstes Element (S) des Planetengetriebes (P) mit einer ersten Elektromaschine (EM1), – ein zweites Element (PT) mit einem Verbrennungsmotor (VM) und – ein drittes Element (H1) mit mindestens einem Nebenaggregat (AG) im Leistungsaustausch stehen, gekennzeichnet durch – eine erste Kupplung (KVE), durch die der Verbrennungsmotor (VM) mit der ersten Elektromaschine (EM1) koppelbar ist, und – einen ersten Freilauf (FAG), durch den das dritte Element (H1) des Planetengetriebes (P) nur in eine Drehrichtung drehbar ist.
  2. Nebenaggregatantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Element (S) ein Sonnenrad des Planetengetriebes (P), – das zweite Element (PT) ein Planetenradträger und – das dritte Element (H1) ein erstes Hohlrad sind.
  3. Nebenaggregatantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Bremse (KGE), durch die das erste Element (S) des Planetengetriebes (P) gegenüber einem Gehäuseteil festgehalten werden kann.
  4. Nebenaggregatantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten Freilauf (FVG), durch den das zweite Element (PT) des Planetengetriebes (P) nur in eine Drehrichtung drehbar ist.
  5. Nebenaggregatantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe zwei Planetenradsätze (PR1, PR2) sowie des weiteren ein viertes Element (H2), das durch eine zweite Bremse (BS) gegenüber einem Gehäuseteil festgehalten werden kann, aufweist, wobei der erste Planetenradsatz (PR1) mit dem dritten Element (H1) des Planetengetriebes (P) und der zweite Planetenradsatz (PR2) mit dem vierten Element (H2) kämmen.
  6. Nebenaggregatantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Planetenradsatz (PR1, PR2) derart angeordnet sind, dass der erste Planetenradsatz (PR1) zudem mit dem ersten Element (S) und der zweite Planetenradsatz (PR2) zudem mit dem ersten Planetenradsatz (PR1) kämmen.
  7. Nebenaggregatantrieb nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Element (H2) ein zweites Hohlrad ist.
  8. Nebenaggregatantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (PT) des Planetengetriebes (P) über eine zweite Kupplung (KVM) mit einer Getriebeeingangswelle (GE) eines Fahrgetriebes (G) verbindbar ist, wobei eine zweite Elektromaschine (EM2) mit der Getriebeeingangswelle (GE) im Leistungsaustausch steht.
  9. Nebenaggregatantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (PT) des Planetengetriebes (P) über eine zweite Kupplung (KVM) mit einem Element (TH) eines Triebstrangplanetengetriebes (TP) verbindbar ist, wobei das Element (TH) des Triebstrangplanetengetriebes (TP) durch einen dritten Freilauf (FV2) nur in eine Drehrichtung drehbar ist.
  10. Nebenaggregatantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kupplung (KVE) eine Fliehkraftkupplung ist.
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