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DE102008002381A1 - Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben des Hybridantriebsstrangs - Google Patents

Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben des Hybridantriebsstrangs Download PDF

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DE102008002381A1
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DE
Germany
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electric machine
transmission
gear
hybrid
combustion engine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102008002381A
Other languages
English (en)
Inventor
Peter Ziemer
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
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Priority to US12/995,248 priority patent/US20110098151A1/en
Priority to PCT/EP2009/056422 priority patent/WO2009150046A1/de
Priority to EP09761609A priority patent/EP2282906A1/de
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Abstract

Es wird ein Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, umfassend einen Verbrennungsmotor (1), mindestens zwei Elektromaschinen (9, 11), ein Mehrganggetriebe (2) mit einer Getriebeeingangswelle (10) und einer Getriebeausgangswelle (13), eine Schaltbetätigung (3), mindestens einen elektrischen Energiespeicher (4) sowie eine Steuerung (5), Leistungselektronik und Sensorik (6, 7), wobei der Verbrennungsmotor (1) und der Rotor der ersten Elektromaschine (9) fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb gemeinsam oder einzeln mit der Getriebeeingangswelle (10) des Mehrganggetriebes verbunden sind, wobei die Getriebeausgangswelle (13) des Mehrganggetriebes fest oder über ein Zahnradgetriebe (14) oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb mit mindestens einem Rad oder einem Differential (15) einer ersten Fahrzeugachse verbunden ist, bei dem der Rotor der zweiten Elektromaschine (11) entweder mit mindestens einem Rad oder einem Differential (15) der ersten Fahrzeugachse oder mit mindestens einem Rad oder einem Differential der zweiten Fahrzeugachse fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs.
  • Aus dem Stand der Technik sind Hybridfahrzeuge umfassend ein Hybridgetriebe enthaltend ein Basisgetriebe und eine Hybridbaugruppe bekannt, wobei die Hybridbaugruppe in der Regel einen hydrodynamischen Drehmomentwandler ersetzt. Sie umfassen zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor zumindest einen Elektromotor bzw. eine elektrische Maschine, welche je nach Betriebszustand motorisch oder generatorisch betrieben werden kann. Bei seriellen Hybridfahrzeugen wird ein Generator vom Verbrennungsmotor angetrieben, wobei der Generator den die Räder antreibenden Elektromotor mit elektrischer Energie versorgt.
  • Des weiteren sind parallele Hybridfahrzeuge bekannt, bei denen eine Addition der Drehmomente des Verbrennungsmotors und zumindest einer mit dem Verbrennungsmotor verbindbaren elektrischen Maschine vorzugsweise mittels eines Summierungsgetriebes, beispielsweise mittels eines Planetengetriebes erfolgt.
  • Hierbei ist die zumindest eine elektrische Maschine mit dem Riementrieb oder mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbar. Die vom Verbrennungsmotor und/oder der zumindest einen elektrischen Maschine erzeugten Drehmomente werden über ein nachgeschaltetes Getriebe an die angetriebene Achse übertragen.
  • Zudem sind sogenannte Power-Split-Hybridantriebsstränge bekannt, bei denen eine Leistungsverzweigung stattfindet. Derartige Antriebsstränge umfassen z. B. einen Verbrennungsmotor, zwei Elektromotoren, einen einfachen Planetensatz und ein Differential. Hierbei bringt der Verbrennungsmotor nur dann Abtriebsmoment bzw. Leistung auf die Straße, wenn ein Elektromotor als Generator betrieben wird und somit ein Gegenmoment aufbringen kann. Diese generatorisch erzeugte elektrische Leistung wird direkt an den weiteren Elektromotor weitergeleitet, der als Antriebsmotor betrieben wird und das Fahrzeug dadurch mitbeschleunigt.
  • Bezogen auf Leistungsfähigkeit und Funktionsumfang der Hybridantriebsstränge wird nach dem Stand der Technik zwischen Micro-Hybrid, Mild-Hybrid und Vollhybrid differenziert.
  • Bei einem Micro-Hybrid verfügt das Fahrzeug über eine Auto-Start-Stop-Funktion und Bremsenergierückgewinnung (d. h. Rekuperation) zum Laden der Batterie der Elektromaschine, welche nicht zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird.
  • Bei einem Mildhybrid wird zusätzlich zu den Eigenschaften eines Micro-Hybrids der Verbrennungsmotor von der Elektromaschine zur Leistungssteigerung (boosten) oder zur Effizienzsteigerung unterstützt.
  • Vollhybridfahrzeuge sind mit ihrer elektromotorischen Leistung in der Lage, dieses auch rein elektromotorisch angetrieben zu werden, einschließlich Anfahren und Beschleunigen.
  • Als elektrische Speichermedien für Hybridantriebsstränge werden vorzugsweise Hochleistungsbatterien, insbesondere Nickel-Metallhybrid-Batterien, welche rein elektrisches Fahren ermöglichen oder schnell auf- und entladbare Doppelschichtkondensatoren mit hoher Leistungsdichte eingesetzt.
  • Durch den Einsatz von Hybridantriebssträngen sollen, gegenüber bisherigen Antriebsstrangsystemen die Fahrleistungen und der Komfort gesteigert werden und/oder der Verbrauch bzw. die Emissionen gesenkt werden.
  • In nachteiliger Weise sind jedoch Fahrten, insbesondere Konstantfahrten mit vollständig oder teilweise elektrisch eingebrachtem Vortrieb hinsichtlich Verbrauch und Emissionen ungünstiger gegenüber einem rein verbrennungsmotorisch eingebrachten Vortrieb, wenn der Verbrennungsmotor in verbrauchsgünstigen Drehzahlbereichen betrieben wird.
  • Ein weiterer Nachteil von Hybridantriebssträngen besteht darin, dass das elektrische Fahren durch Einspeisen von vormals fossiler Energie in die Batterie und spätere Entnahme erfolgt, was jeweils mit signifikanten Verlusten verbunden ist. Zudem wird durch die niedrige Energiedichte (ca. 5 Wh/kg) der Energiespeicher das Fahrzeuggewicht erhöht, was sich auf den Verbrauch negativ auswirkt. Des weiteren sind Bauaufwand sowie die Herstellungs- und Montagekosten von Hybridantriebssträngen hoch.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hybridantriebsstrang anzugeben, welcher bei gesteigerten Fahrleistungen sowie unter Beibehaltung des Komforts eines Automatgetriebes eine Reduzierung des Verbrauchs und der Emissionen ermöglicht und hinsichtlich Bauaufwand, Gewicht und Kosten, verglichen zu den bekannten Hybrid-Antriebssträngen günstiger ist.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird für einen Hybridantriebsstrang durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben des erfindungs gemäßen Hybridantriebsstrangs ist Gegenstand des Patentanspruchs 12. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den entsprechenden Unteransprüchen hervor.
  • Demnach wird ein Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, umfassend einen Verbrennungsmotor, mindestens zwei Elektromaschinen, ein vorzugsweise formschlüssig schaltbares Mehrganggetriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle, eine Schaltbetätigung, mindestens einem elektrischen Energiespeicher sowie eine Steuerung, Leistungselektronik und Sensorik, bei dem der Verbrennungsmotor und der Rotor der ersten Elektromaschine fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb gemeinsam oder einzeln mit der Getriebeeingangswelle des Mehrganggetriebes verbunden sind, wobei die Getriebeausgangswelle des Mehrganggetriebes fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb mit mindestens einem Rad oder einem Differential einer ersten Fahrzeugachse, vorzugsweise der Vorderachse, verbunden ist. Des weiteren ist der Rotor der zweiten Elektromaschine entweder mit mindestens einem Rad oder einem Differential der ersten Fahrzeugachse oder mit mindestens einem Rad oder einem Differential einer zweiten Fahrzeugachse fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb verbunden.
  • Vorzugsweise ist das Mehrganggetriebe als Vorgelegegetriebe ausgeführt; insbesondere kann das Vorgelegegetriebe gleich oder ähnlich einem Ziehkeilgetriebe ausgebildet sein oder unsynchronisierte Klauenkupplungen aufweisen. Gemäß der Erfindung ist die Schaltbetätigung vorzugsweise elektromotorisch ausgeführt. Zudem ist neben einer automatischen Schaltbetätigung auch eine manuelle Gangwahl möglich.
  • Vorteilhafterweise können im Mehrganggetriebe an einem Gang oder an mehreren Gängen unsynchronisierte Klauenkupplungen vorgesehen sein.
  • Um kürzere Schaltzeiten zu realisieren, können Synchronisierungseinrichtungen an einem Gang oder an mehreren Gängen vorgesehen sein. Des weiteren kann die erste Elektromaschine vor dem Verbrennungsmotor angeordnet sein, so dass der Verbrennungsmotor in Kraftflussrichtung betrachtet zwischen der ersten Elektromaschine und dem Getriebe angeordnet ist. Auch kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite Elektromaschine über ein Schaltelement, vorzugsweise über eine Klauenkupplung ausrückbar sind, wodurch die Schleppmomente weiter reduziert werden.
  • Gemäß der Erfindung ist der mindestens eine Energiespeicher vorzugsweise in Form eines Doppelschichtkondensators ausgeführt.
  • Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann zwischen dem Verbrennungsmotor und der Getriebeeingangswelle ein Torsionsdämpfer angeordnet sein; ferner kann an der ersten Fahrzeugachse eine dritte Elektromaschine angeordnet sein, wobei die dritte Elektromaschine zwischen einem Differential und einem Antriebsrad und die zweite Elektromaschine zwischen dem Differential und dem anderen Antriebsrad jeweils entweder fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb angeordnet ist.
  • In vorteilhafter Weise können der Verbrennungsmotor und die Elektromaschinen quer zur Fahrtrichtung eingebaut sein, wodurch eine deutliche Wirkungsgradverbesserung durch Verzicht auf eine Leistungsumlenkung erzielbar ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann eine dritte und die zweite oder eine vierte Elektromaschine auf der zweiten, vorzugsweise hinteren Fahrzeugachse angeordnet sein, wobei der Rotor der dritten Elektromaschine mit dem einen Antriebsrad und der Rotor der zweiten bzw. vierten Elektromaschine mit dem anderen Antriebsrad der zweiten Fahrzeugachse, jeweils entweder fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb verbunden ist. Auf diese Weise wird ein Torque Vectoring Hybrid realisiert, bei dem die Verschiebung von Moment von einem Rad der Achse auf das andere Rad ermöglicht wird.
  • Des weiteren kann vorgesehen sein, dass das Vorgelegegetriebe eine parallel zur ersten Getriebeausgangswelle angeordnete zweite Getriebeausgangswelle aufweist, wodurch höhere Drehmomente und/oder eine Baulängenverkürzung realisierbar sind; hierbei erfolgt die Drehmomentübertragung über jeweils an den Getriebeausgangswellen angeordneten Stirnrädern, welche mit einem Stirnrad kämmen, das wiederum mit einem weiteren Abtrieb, beispielsweise mit einem Differential verbunden ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang kann der erste Gang als Enabler-Gang, d. h. mit Momentenbegrenzung ausgeführt sein.
  • Durch die erfindungsgemäße Konzeption kann auf Anfahrkupplung, Reibschaltelemente und Synchronisierungseinrichtungen verzichtet werden, da die Fahranteile, in denen die genannten Reibschaltelemente mit Differenzdrehzahl, also wärmeerzeugend und somit energieverbrauchend betrieben werden, nämlich Anfahren, Kriechen, Rangieren und Gangwechsel, von den Elektromaschinen übernommen werden, wobei die elektrische Energie entweder durch die erste Elektromaschine und/oder durch den elektrischen Energiespeicher bereitgestellt wird.
  • Durch Verzicht auf längere Fahrten mit verbrauchsgünstigem rein elektrischen Antrieb können zudem anstelle gewichtstreibender Batterien mit einer hohen Kapazität beispielsweise schnell auf- und entladende Doppelschichtkondensatoren eingesetzt werden.
  • Des weiteren kann gemäß der Erfindung auf eine Parksperre und eine zusätzliche Einrichtung für den Rückwärtsgang verzichtet werden, wie im folgenden erläutert wird.
  • Ferner kann insbesondere bei kleineren Kraftfahrzeugen die Hydraulik und die Hydraulikpumpe entfallen, wenn die Schaltbetätigung zum Gangein- bzw. Gangauslegen elektromotorisch erfolgt.
  • Durch den Verzicht auf die oben genannten Bauteile werden in vorteilhafter Weise Bauaufwand, Gewicht und Kosten deutlich reduziert, wobei gleichzeitig der Verbrauch gesenkt und die Fahrleistungen gesteigert werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Parksperrenfunktion ohne eine explizit ausgeführte Parksperre durch Einlegen eines Ganges im Schaltgetriebe realisiert, wobei das Lösen dieser Parksperre, d. h. das Gangauslegen mittels eines in Bergaufrichtung aufgebrachten Drehmoments zur Antriebsstrangentspannung durch die zweite Elektromaschine erfolgt.
  • Der Verbrennungsmotor kann im Rahmen eines Direktstarts durch die erste Elektromaschine bei ausgelegtem Gang gestartet werden; zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Funktionen elektrisches Anfahren, Rangieren und Kriechen vorwärts und rückwärts – wodurch eine Rückwärtsfahrt ohne eine zusätzliche Rückwärtsgangeinrichtung realisierbar ist – bei ausgelegtem Gang über die zweite Elektromaschine realisiert werden, welche dabei über den zumindest einen elektrischen Energiespeicher und/oder über die im Generatorbetrieb laufende erste Elektromaschine versorgt wird, die wiederum durch den Verbrennungsmotor generatorisch betrieben wird.
  • Im Rahmen des Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs wird ein Weiterfahren verbrennungsmotorisch oder verbrennungsmotorisch mit elektrischer Unterstützung (Boosten) durch Gang einlegen im Schaltgetriebe bei Synchrondrehzahl zwischen der Getriebeeingangswelle und einem auf dieser Welle angeordneten Losrad realisiert.
  • Ferner ist ein Fahren mit elektrischer Unterstützung mit Energie aus dem Energiespeicher und/oder durch Generatorbetrieb der ersten Elektromaschine über die zweite Elektromaschine oder mit Energie aus dem zumindest einen Energiespeicher über beide Elektromaschinen im Motorbetrieb möglich.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Starten bzw. Hochziehen des Verbrennungsmotors bei gleichzeitigem Anfahren vorwärts bei eingelegtem, vorzugsweise ersten Gang durch Betreiben der ersten und/oder zweiten Elektromaschine im Motorbetrieb möglich, wobei ein Weiterfahren verbrennungsmotorisch oder verbrennungsmotorisch mit elektrischer Unterstützung mit eingelegtem Gang möglich ist; theoretisch ist auf diese Weise auch ein Motorabwürgen mit anschließendem Starten möglich.
  • Bei Lasthoch- bzw. Lastrückschaltungen erfolgt eine teilweise bzw. vollständige Lastübernahme durch die zweite Elektromaschine, die im Zugbetrieb als Motor und im Schubbetrieb generatorisch betrieben wird, wobei gleichzeitig die Verspannung im eingelegten Gang des Schaltgetriebes durch einen Motoreingriff mittels des Verbrennungsmotors und/oder durch Aufbringen eines positiven oder negativen Drehmomentes durch die erste Elektromaschine gelöst wird.
  • Diese Vorgehensweise bietet eine hohe Spontanität dadurch, dass eine kurzfristige Bestromung der zweiten Elektromaschine bei der Lastübernahme möglich ist, wobei die Höhe des Momentes beispielsweise über eine Fahrwiderstandsbilanzierung ermittelt werden kann.
  • Gemäß der Erfindung erfolgt bei Lasthoch- bzw. Lastrückschaltungen das Gangauslegen im Schaltgetriebe im lastlosen bzw. fast lastlosen Zustand durch die Betätigung eines Aktuators.
  • Des weiteren kann bei Lasthoch- bzw. Lastrückschaltungen der Synchronlauf zwischen der Getriebeeingangswelle und dem auf dieser Getriebewelle angeordneten Losrad des höheren bzw. niedrigeren Ganges im Schaltgetriebe durch Beschleunigen der Getriebeeingangswelle durch einen Motoreingriff am Verbrennungsmotor und/oder durch Aufbringen eines Drehmomentes durch die erste Elektromaschine durch Generator- bzw. Motorbetrieb hergestellt werden, wobei niedrige Gangsprünge eine schnelle Drehzahlanpassung an der Getriebeeingangswelle und damit auch an der Kurbelwelle begünstigen. Hierbei ist eine schnelle Drehzahlanpassung nicht unbedingt erforderlich, weil das Antriebsmoment an der Antriebsachse während der Schaltung von der zweiten Elektromaschine bereitgestellt wird.
  • Das Einlegen eines neuen Ganges im Schaltgetriebe bei Lasthoch- bzw. Lastrückschaltungen kann zum Einen bei geringfügiger Differenzdrehzahl zwischen der Getriebeeingangswelle und dem auf dieser Getriebewelle angeordneten Losrad des neuen Ganges, beispielsweise durch Einlegen einer Schaltklaue zum Einspuren erfolgen. Zum Anderen kann ein neuer Gang bei geringfügiger Differenzdrehzahl zwischen der Getriebeeingangswelle und dem auf dieser Getriebewelle angeordneten Losrad oder vollständigem Synchronlauf eingelegt werden, wobei die Schaltbetätigung genau dann erfolgt, wenn beide Mitnahmeverzahnungen derart zueinander stehen, dass eine Zahn-vor-Zahnlücke-Stellung vorliegt, wodurch ein Einspuren ohne stirnseitiges Anschlagen möglich ist.
  • In vorteilhafter Weise kann durch Gangauslegen die (Verbrennungs-)Motorbremse abgeschaltet werden. Des weiteren wird eine Rekuperation durch Generatorbetrieb der ersten Elektromaschine bei eingelegtem Gang und/oder der zweiten Elektromaschine ermöglicht, wobei für den Fall, dass auf Rekuperation verzichtet wird, der Energiespeicher kleiner ausfallen kann.
  • Zudem kann ein Segelbetrieb durch Gangauslegen bzw. durch Gangauslegen mit anschließendem Motorstopp realisiert werden. Zum Fahrzeugabbremsen bzw. -ausrollen bis unterhalb einer bestimmten, vorgegebenen Geschwindigkeit bzw. zum Anhalten des Fahrzeugs wird vorgeschlagen, bei Unterschreiten einer bestimmten, vorgegebenen Geschwindigkeit, in Abhängigkeit vom Fahrprogramm und der Verbrennungsmotordrehzahl zurückzuschalten bzw. den eingelegten Gang auszulegen; dies erfolgt analog zu der beschriebenen Vorgehensweise bei Lasthoch- bzw. Lastrückschaltungen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben des Antriebsstrangs kann eine Schwingungsdämpfung durch zumindest eine Elektromaschine erfolgen.
  • Mindestens eine Elektromaschine kann zusätzlich als Resolver verwendet werden.
  • Ferner kann der Verbrennungsmotor als Drehzahlgeber, insbesondere bei verdrehsteifer Verbindung zur Getriebeeingangswelle eingesetzt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine gerichtete, drehsteife Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Getriebeeingangswelle verwendet werden, um über die Zündung eine Drehzahl- und Winkellageerfassung zu ermöglichen, wodurch das Einlegen eines neuen Ganges vereinfacht wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die abgegebene elektrischen Energie einer Elektromaschine durch die zumindest eine weitere Elektromaschine genutzt wird. Beispielsweise muss bei einer Zughochschaltung die Verbren nungsmotordrehzahl bzw. die Rotordrehzahl der ersten Elektromaschine „gedrückt” werden, wobei die erste Elektromaschine den Verbrennungsmotor bremst und Strom erzeugt, der wiederum die zweite Elektromaschine, welche die Last der Hochschaltung übernimmt, antreibt. Auf diese Weise wird während einer Hochschaltung weniger Energie aus dem elektrischen Speicher entnommen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1: Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug; und
  • 2: Eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Hybridantriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug.
  • In 1 ist ein Hybrid-Antriebsstrang gezeigt, umfassend einen Verbrennungsmotor 1 in Front-Quer-Bauweise, zwei Elektromaschinen 9, 11, ein mehrere Gänge aufweisendes Getriebe 2, eine elektromotorische Schaltbetätigung 3, als elektrischen Energiespeicher Doppelschichtkondensatoren 4, eine Steuerung 5 mit Leistungselektronik und Drehzahlsensoren 6, 7 die vor und hinter dem Getriebe 2 angeordnet sind.
  • Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist der Verbrennungsmotor 1 über einen Torsionsdämpfer 8 mit der ersten Elektromaschine 9 verbunden, die drehfest mit der Getriebeeingangswelle 10 des Getriebes 2 verbunden ist. Die zweite Elektromaschine ist erfindungsgemäß über ein Stirnradgetriebe 12 mit der Getriebeausgangswelle 13 des Getriebes 2 verbunden.
  • Des weiteren ist die Getriebeausgangswelle 13 des Getriebes 2 über ein Stirnradgetriebe 14 mit einem Differential 15 zur Verteilung des Antriebsmomentes auf die beiden Vorderräder 16, 17 des Kraftfahrzeuges verbunden.
  • Das Mehrgewicht im Vergleich zu einem herkömmlichen Antriebsstrang, welches durch die Verwendung der ersten Elektromaschine anstelle eines konventionellen Anlassers und einer konventionellen Lichtmaschine, durch die zweite Elektromaschine, durch die Leistungselektronik und durch die Doppelschichtkondensatoren verursacht wird, wird zumindest durch den Entfall der Anfahrkupplung, den Synchronisierungen, der separaten Einrichtung zur Erzeugung des Rückwärtsganges sowie der Schaltbetätigung und durch den Einsatz eines kleineren Verbrennungsmotors teilkompensiert.
  • Bei einer kurzen Gesamtübersetzung des ersten Ganges, die beispielsweise 21,5 betragen kann, können bei einem statischen Reifenrollradius von 0,277 m Kriechgeschwindigkeiten ähnlich der Kriechgeschwindigkeiten eines Geländefahrzeuges von unter 5 km/h bei 1000 U/min erzielt werden.
  • Typische Werte für die Gangsprünge sind: 1,43 (1–2 Gang), 1,40 (2–3 Gang), 1,36 (3–4 Gang), 1,32 (4–5 Gang), 1,28 (5–6 Gang), 1,25 (6–7 Gang), 1,23 (7–8 Gang), 1,20 (8–9 Gang) und 1,19 (9–10 Gang). In vorteilhafter Weise ergibt sich wegen der kleinen Gangsprünge und durch Boosten ein mit einem konventionellen Antriebsstrang mit mindestens 1,3-facher Motorleistung vergleichbares Beschleunigungsvermögen.
  • Der erfindungsgemäße Antriebsstrang ist auf eine Torque Vectoring-Ausführung durch den Einsatz zweier Elektromaschinen 11, 18 in Form einer Tandem-Elektromaschine an der Hinterachse des Fahrzeugs erweiterbar, wie anhand 2 veranschaulicht. Hierbei ist die zweite Elektromaschine 11 einem Rad 21 der Hinterachse zugeordnet und über ein Getriebe 19 mit der Hinterachse verbunden. Wie aus der Figur ersichtlich, ist eine dritte, ebenfalls mit der Steuerung 5 verbundene Elektromaschine 18 vorgesehen, die dem weiteren Rad 22 der Hinterachse zugeordnet ist und über ein Getriebe 20 mit der Hinterachse verbunden ist.
  • Selbstverständlich fällt auch jede konstruktive Ausbildung, insbesondere jede räumliche Anordnung der Bauteile des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs an sich sowie zueinander und soweit technisch sinnvoll, unter den Schutzumfang der vorliegenden Ansprüche, ohne die Funktion des Antriebsstrangs, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist, zu beeinflussen, auch wenn diese Ausbildungen nicht explizit in den Figuren oder in der Beschreibung dargestellt sind.
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Getriebe
    3
    Schaltbetätigung
    4
    elektrischer Energiespeicher
    5
    Steuerung
    6
    Drehzahlsensor
    7
    Drehzahlsensor
    8
    Torsionsdämpfer
    9
    Elektromaschine
    10
    Getriebeeingangswelle
    11
    Elektromaschine
    12
    Stirnradgetriebe
    13
    Getriebeausgangswelle
    14
    Stirnradgetriebe
    15
    Differential
    16
    Vorderrad
    17
    Vorderrad
    18
    Elektromaschine
    19
    Getriebe
    20
    Getriebe
    21
    Rad der Hinterachse
    22
    Rad der Hinterachse

Claims (25)

  1. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor (1), mindestens zwei Elektromaschinen (9, 11), ein Mehrganggetriebe (2) mit einer Getriebeeingangswelle (10) und einer Getriebeausgangswelle (13), eine Schaltbetätigung (3), mindestens einen elektrischen Energiespeicher (4) sowie eine Steuerung (5), Leistungselektronik und Sensorik (6, 7), wobei der Verbrennungsmotor (1) und der Rotor der ersten Elektromaschine (9) fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb gemeinsam oder einzeln mit der Getriebeeingangswelle (10) des Mehrganggetriebes verbunden sind, wobei die Getriebeausgangswelle (13) des Mehrganggetriebes fest oder über ein Zahnradgetriebe (14) oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb mit mindestens einem Rad oder einem Differential (15) einer ersten Fahrzeugachse verbunden ist, wobei der Rotor der zweiten Elektromaschine (11) entweder mit mindestens einem Rad oder einem Differential (15) der ersten Fahrzeugachse oder mit mindestens einem Rad oder einem Differential der zweiten Fahrzeugachse fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb verbunden ist.
  2. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrganggetriebe als Vorgelegegetriebe ausgeführt ist.
  3. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrganggetriebe als Ziehkeilgetriebe ausgebildet ist.
  4. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Mehrganggetriebe an einem Gang oder an mehreren Gängen unsynchronisierte Klauenkupplungen vorgesehen sind.
  5. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektromaschine (9) vor dem Verbrennungsmotor (1) angeordnet ist, so dass der Verbrennungsmotor (1) in Kraftflussrichtung betrachtet zwischen der ersten Elektromaschine (9) und dem Getriebe (2) angeordnet ist.
  6. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Elektromaschine (9, 11) über ein Schaltelement ausrückbar sind.
  7. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrische Energiespeicher (4) in Form eines Doppelschichtkondensators ausgeführt ist.
  8. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Fahrzeugachse eine dritte Elektromaschine angeordnet ist, wobei die dritte Elektromaschine zwischen einem Differential (15) und einem Antriebsrad (16) und die zweite Elektromaschine zwischen dem Differential (15) und dem anderen Antriebsrad (17) jeweils entweder fest oder über ein Zahnradgetriebe oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb angeordnet ist.
  9. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Elektromaschine (18) und die zweite Elektromaschine (11) oder eine vierte Elektromaschine auf einer zweiten Fahrzeugachse angeordnet sind, wobei der Rotor der dritten Elektromaschine (18) mit dem einen Antriebsrad (22) und der Rotor der zweiten bzw. vierten Elektromaschine mit dem anderen Antriebsrad (21) der zweiten Fahrzeugachse, jeweils entweder fest oder über ein Zahnradgetriebe (19, 20) oder einen Ketten- oder Zahnriementrieb verbunden ist, so dass ein Torque Vectoring Hybrid realisiert wird, bei dem die Verschiebung von Moment von einem Rad (22) der Achse auf das andere Rad (21) ermöglicht wird.
  10. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und der ersten Elektromaschine (9) oder der Getriebeeingangswelle (10) ein Torsionsdämpfer (8) angeordnet ist.
  11. Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass das Getriebe (2) als Vorgelegegetriebe ausgeführt ist, dieses eine parallel zur ersten Getriebeausgangswelle angeordnete zweite Getriebeausgangswelle aufweist, wobei die Drehmomentübertragung über jeweils an den Getriebeausgangswellen angeordneten Stirnrädern erfolgt, welche mit einem Stirnrad kämmen, das mit dem weiteren Abtrieb verbunden ist.
  12. Verfahren zum Betreiben eines nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11 ausgeführten Hybridantriebsstrangs, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen elektrisches Anfahren, Rangieren und Kriechen vorwärts und rückwärts bei ausgelegtem Gang über die zweite Elektromaschine (11) realisiert werden, welche über den zumindest einen elektrischen Energiespeicher (4) und/oder über die im Generatorbetrieb laufende erste Elektromaschine (9) versorgt wird, welche durch den Verbrennungsmotor (1) generatorisch betrieben wird.
  13. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Starten bzw. Hochziehen des Verbrennungsmotors (1) bei gleichzeitigem Anfahren in Vorwärtsrichtung bei eingelegtem Gang durch Betreiben der ersten und/oder zweiten Elektromaschine (9, 11) im Motorbetrieb erfolgt, wobei optional ein Weiterfahren verbrennungsmotorisch oder verbrennungsmotorisch mit elektrischer Unterstützung bei eingelegtem Gang erfolgt.
  14. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahren mit elektrischer Unterstützung mit Energie aus dem Energiespeicher (4) und/oder durch Generatorbetrieb der ersten Elektromaschine (9) über die zweite Elektromaschine (11) oder mit Energie aus dem zumindest einen Energiespeicher (4) über beide Elektromaschinen (9, 11) im Motorbetrieb möglich ist.
  15. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Lasthoch- bzw. Lastrückschaltungen eine teilweise bzw. vollständige Lastübernahme durch die zweite Elektromaschine (11) erfolgt, die im Zugbetrieb als Motor und im Schubbetrieb generatorisch betrieben wird, wobei gleichzeitig die Verspannung im eingelegten Gang des Getriebes (2) durch einen Motoreingriff mittels des Verbrennungsmotors (1) und/oder durch Aufbringen eines positiven oder negativen Drehmomentes durch die erste Elektromaschine (9) gelöst wird.
  16. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei Lasthoch- bzw. Lastrückschaltungen der Synchronlauf zwischen der Getriebeeingangswelle (10) und dem auf dieser Getriebewelle angeordneten Losrad des höheren bzw. niedrigeren Ganges im Getriebe (2) durch Beschleunigen der Getriebeeingangswelle (10) durch einen Motoreingriff am Verbrennungsmo tor (1) und/oder durch Aufbringen eines Drehmomentes durch die erste Elektromaschine (9) durch Generator- bzw. Motorbetrieb hergestellt wird.
  17. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach Anspruch 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegen eines neuen Ganges im Getriebe (2) bei Lasthoch- bzw. Lastrückschaltungen bei geringfügiger Differenzdrehzahl zwischen der Getriebeeingangswelle (10) und dem auf dieser Getriebewelle angeordneten Losrad des neuen Ganges durch Einlegen einer Schaltklaue zum Einspuren erfolgt oder dass das Einlegen eines neuen Ganges im Getriebe (2) bei Lasthoch- bzw. Lastrückschaltungen bei geringfügiger Differenzdrehzahl zwischen der Getriebeeingangswelle (10) und dem auf dieser Getriebewelle angeordneten Losrad des neuen Ganges oder bei vollständigem Synchronlauf eingelegt wird, wobei die Schaltbetätigung genau dann erfolgt, wenn beide Mitnahmeverzahnungen derart zueinander stehen, dass eine Zahn-vor-Zahnlücke-Stellung vorliegt, wodurch ein Einspuren ohne stirnseitiges Anschlagen ermöglicht wird.
  18. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Parksperrenfunktion ohne eine explizit ausgeführte Parksperre durch Einlegen eines Ganges im Getriebe realisiert wird, wobei das Lösen dieser Parksperre, d. h. das Gangauslegen mittels eines in Bergaufrichtung aufgebrachten Drehmoments zur Antriebsstrangentspannung durch die zweite Elektromaschine (11) erfolgt.
  19. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Segelbetrieb durch Gangauslegen bzw. durch Gangauslegen mit anschließendem Motorstopp realisiert wird, wobei zum Fahrzeugabbremsen bzw. -ausrollen bis unterhalb einer bestimmten Geschwindigkeit bzw. zum Anhalten des Fahrzeugs, bei Unterschreiten einer bestimmten Geschwindigkeit, in Abhängigkeit vom Fahrprogramm und der Verbrennungsmotordrehzahl zurückgeschaltet bzw. der eingelegte Gang ausgelegt wird.
  20. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die von einer Elektromaschine abgegebene elektrische Energie durch die zumindest eine weitere Elektromaschine genutzt wird
  21. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zughochschaltung die Verbrennungsmotordrehzahl bzw. die Rotordrehzahl der ersten Elektromaschine (9) gedrückt wird, wobei die erste Elektromaschine (9) den Verbrennungsmotor (1) bremst und Strom erzeugt, welcher die zweite Elektromaschine (11), welche die Last der Hochschaltung übernimmt, antreibt.
  22. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass durch zumindest eine Elektromaschine eine Schwingungsdämpfung des Hybridantriebsstrangs erfolgt.
  23. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektromaschine als Resolver verwendet wird.
  24. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer verdrehsteifen Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und der Getriebeeingangswelle (10) diese verwendet wird, um über die Zündung eine Drehzahl- und Winkellageerfassung zu ermöglichen.
  25. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebsstrangs, nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rekuperation durch Generatorbetrieb der ersten Elektromaschine (9) bei eingelegtem Gang und/oder der zweiten Elektromaschine erfolgt.
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