DE102022001308B4 - Electric drive system and method for its operation - Google Patents
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Abstract
Elektrisches Antriebssystem (1) mit
einer ersten elektrischen Maschine (10) mit einem ersten Rotor (110),
einer zweiten elektrischen Maschine (20) mit einem zweiten Rotor (210) und einem Koppelgetriebe (30),
wobei das Koppelgetriebe (30) einen vierwelligen Planetenradsatz mit einem ersten Element (31), einem zweiten Element (32), einem dritten Element (33), einem vierten Element (34) und einem fünften Element (35) aufweist, wobei das zweite Element (32) drehfest mit dem vierten Element (34) verbunden ist,
wobei das Koppelgetriebe (30) eine erste Abtriebswelle (41) und eine zweite Abtriebswelle (42) aufweist, welche dazu ausgebildet sind, Drehmomente aus dem Koppelgetriebe (30) auszuleiten,
wobei die erste Abtriebswelle (41) drehfest mit dem fünften Element (35) verbunden ist,
gekennzeichnet durch
ein erstes Schaltelement (S1), das dazu ausgebildet ist, die zweite Abtriebswelle (42) drehfest mit dem zweiten Element (32) zu koppeln,
ein zweites Schaltelement (S2), das dazu ausgebildet ist, die zweite Abtriebswelle (42) drehfest mit dem dritten Element (33) zu koppeln,
ein drittes Schaltelement (S3), das dazu ausgebildet ist, den ersten Rotor (110) derart mit dem dritten Element (33) zu koppeln, dass Drehmomente, ausgehend von der ersten elektrischen Maschine (10), an dem dritten Element (33) in das Koppelgetriebe (30) eingeleitet werden können,
ein viertes Schaltelement (S4), das dazu ausgebildet ist, den ersten Rotor (110) derart mit dem zweiten Element (32) zu koppeln, das Drehmomente, ausgehend von der ersten elektrischen Maschine (10), an dem zweiten Element (32) in das Koppelgetriebe (30) eingeleitet werden können,
ein fünftes Schaltelement (S5), das dazu ausgebildet ist, den zweiten Rotor (210) derart mit dem ersten Element (31) zu koppeln, dass Drehmomente, ausgehend von der zweiten elektrischen Maschine (20), an dem ersten Element (31) in das Koppelgetriebe (30) eingeleitet werden können.
Electric drive system (1) with
a first electrical machine (10) with a first rotor (110),
a second electric machine (20) with a second rotor (210) and a coupling gear (30),
wherein the coupling gear (30) comprises a four-shaft planetary gear set with a first element (31), a second element (32), a third element (33), a fourth element (34) and a fifth element (35), wherein the second element (32) is connected in a rotationally fixed manner to the fourth element (34),
wherein the coupling gear (30) has a first output shaft (41) and a second output shaft (42) which are designed to derive torques from the coupling gear (30),
wherein the first output shaft (41) is rotationally fixedly connected to the fifth element (35),
marked by
a first switching element (S1) which is designed to couple the second output shaft (42) to the second element (32) in a rotationally fixed manner,
a second switching element (S2) which is designed to couple the second output shaft (42) in a rotationally fixed manner to the third element (33),
a third switching element (S3) which is designed to couple the first rotor (110) to the third element (33) in such a way that torques, originating from the first electric machine (10), can be introduced into the coupling gear (30) at the third element (33),
a fourth switching element (S4) which is designed to couple the first rotor (110) to the second element (32) in such a way that torques, originating from the first electric machine (10), can be introduced into the coupling gear (30) at the second element (32),
a fifth switching element (S5) which is designed to couple the second rotor (210) to the first element (31) in such a way that torques, originating from the second electric machine (20), can be introduced at the first element (31) into the coupling gear (30).
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung verschiedene Betriebsverfahren für ein solches elektrisches Antriebssystem.The invention relates to an electric drive system according to the type defined in the preamble of
Ein elektrisches Antriebssystem mit zwei elektrischen Maschinen, deren Leistungen bzw. Drehmomente über ein Koppelgetriebe geleitet werden, ist grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der
Unter einer drehfesten Verbindung im Sinne der hier vorliegenden Beschreibung ist dabei zu verstehen, dass zwei drehbar gelagerte Elemente dann drehfest miteinander verbunden sind, wenn sie koaxial zueinander angeordnet sind und derart miteinander verbunden werden, dass sie mit gleicher Winkelgeschwindigkeit drehen.A rotationally fixed connection in the sense of the present description is to be understood as meaning that two rotatably mounted elements are connected to one another in a rotationally fixed manner when they are arranged coaxially to one another and are connected to one another in such a way that they rotate at the same angular velocity.
Der Aufbau gemäß des genannten US-Patents
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein sehr kompaktes elektrisches Antriebssystem mit zwei elektrischen Maschinen zu schaffen, welches einfach und effizient sowohl in einem Torque-Vectoring-Modus als auch in einem Effizienzbetrieb betreibbar ist.The object of the present invention is to create a very compact electric drive system with two electric machines, which can be operated easily and efficiently both in a torque vectoring mode and in an efficiency mode.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Verfahrensansprüche 12 und 13 definieren den Effizienzbetrieb und den Torque-Vectoring-Betrieb eines derartigen elektrischen Antriebssystems und lösen zusammen mit diesen die oben genannte Aufgabe ebenfalls.According to the invention, this object is achieved by an electric drive system with the features in
Der Begriff des Torque-Vectoring im Sinne der hier vorliegenden Erfindung soll dabei einen Betriebsmodus definieren, bei welchem beide elektrischen Maschinen nennenswertes Drehmoment für den Vortrieb liefern, wobei die elektrischen Maschinen nicht gleich stark sein und nicht die gleiche Nennleistung aufweisen müssen. Durch die Wahl der Drehmomente der beiden elektrischen Maschinen kann dann eine Drehmomentverteilung auf die beiden Abtriebswellen und damit beim bevorzugten Einsatz in einem Fahrzeug auf die beiden durch die Abtriebswellen direkt oder mittelbar angetriebenen Räder umgesetzt werden. Ein solcher Betriebsmodus eignet sich insbesondere für das dynamische Fahren in Kurven.The term torque vectoring in the sense of the present invention is intended to define an operating mode in which both electric machines deliver significant torque for propulsion, whereby the electric machines do not have to be equally strong and do not have to have the same rated power. By selecting the torques of the two electric machines, a torque distribution can then be implemented between the two output shafts and thus, when used in a vehicle, between the two wheels driven directly or indirectly by the output shafts. Such an operating mode is particularly suitable for dynamic driving in curves.
Unter einem Effizienzbetrieb im Sinne der hier vorliegenden Beschreibung ist ein Vortrieb zu verstehen, bei welchem eine der beiden elektrischen Maschinen alleine betrieben wird und das Koppelgetriebe als klassisches Differential mit einer gleichmäßigen Aufteilung des Drehmoments im Verhältnis 1:1 auf beide Abtriebswellen bzw. Räder bewirkt. Die Drehmomentverteilung findet also auf die beiden angetriebenen Räder hälftig statt, auch bei einer Kurvenfahrt, wobei hier trotzdem unterschiedliche Drehzahlen an den Rädern auftreten werden. Die zweite elektrische Maschine ist in diesem Effizienzbetrieb abgekoppelt, muss also nicht mitgeschleppt werden.Efficient operation in the sense of the description here means propulsion in which one of the two electric machines is operated alone and the coupling gear acts as a classic differential with an even distribution of the torque in a ratio of 1:1 between both output shafts or wheels. The torque is therefore distributed equally between the two driven wheels, even when cornering, although different speeds will still occur at the wheels. The second electric machine is decoupled in this efficient operation, so it does not have to be dragged along.
Das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem, mittels welchem ein kompaktes und hoch flexibles elektrisches Antriebssystem geschaffen wird, welches sowohl einen Betrieb in einem Torque-Vectoring-Modus als auch in einem Effizienzmodus erlaubt, umfasst dabei wenigstens fünf verschiedene Schaltelemente, von welchen ein erstes Schaltelement dazu ausgebildet ist die zweite Abtriebswelle drehfest, in dem oben definierten Sinn, mit einem zweiten Element des als vierwelligen Planetenradsatz ausgebildeten Koppelgetriebes auszubilden. Ein zweites Schaltelement dient zum drehfesten Koppeln der zweiten Abtriebswelle mit dem dritten Element, ein drittes Schaltelement kann den ersten Rotor derart mit dem dritten Element koppeln, dass Drehmomente in das Koppelgetriebe eingeleitet werden können. Ein viertes Schaltelement ist dazu ausgebildet, den ersten Rotor derart mit dem zweiten Element zu koppeln, dass Drehmomente über diesen Weg in das Kopplungsgetriebe eingeleitet werden können. Letztlich dient ein fünftes Schaltelement dazu, den zweiten Rotor mit dem ersten Element zu koppeln, um Drehmomente ausgehend von der zweiten elektrischen Maschine über das erste Element in das Koppelgetriebe einzuleiten.The electric drive system according to the invention, by means of which a compact and highly flexible electric drive system is created which allows operation in both a torque vectoring mode and an efficiency mode, comprises at least five different switching elements, of which a first switching element is designed to form the second output shaft in a rotationally fixed manner, in the sense defined above, with a second element of the coupling gear designed as a four-shaft planetary gear set. A second switching element serves to rotationally fixedly couple the second output shaft to the third element, a third switching element can couple the first rotor to the third element in such a way that torques can be introduced into the coupling gear. A fourth switching element is designed to couple the first rotor to the second element in such a way that torques can be introduced into the coupling gear via this path. Finally, a fifth switching element serves to couple the second rotor to the first element in order to introduce torques from the second electric machine into the coupling gear via the first element.
Die Elemente des Planetenradsatzes im Sinne der Erfindung umfassen dabei die Sonnenräder, Planetenträger und Hohlräder, also diejenigen Elemente, welche drehfest mit den jeweiligen Wellen des Planetenradsatzes ausgebildet sind oder diese selbst ausbilden.The elements of the planetary gear set within the meaning of the invention comprise the sun gears, planet carriers and ring gears, i.e. those elements which are formed in a rotationally fixed manner with the respective shafts of the planetary gear set or which form them themselves.
Unter dem vierwelligen Planetenradsatz soll ein Planetenradsatz verstanden werden, der zumindest 4 solche Elemente aufweist, von denen keines mit einem der anderen 3 Elemente drehfest verbunden ist, so dass die genannten 4 solchen Elemente relativ zueinander (wenn auch abhängig voneinander) drehbar sind. Vorteilhaft handelt es sich bei dem vierwelligen Planetenradsatz um einen Planetenradsatz mit genau 4 solchen Wellen und somit um einen genau vierwelligen Planetenradsatz.The four-shaft planetary gear set is understood to mean a planetary gear set that has at least 4 such elements, none of which is connected in a rotationally fixed manner to any of the other 3 elements, so that the 4 such elements mentioned can rotate relative to one another (although dependent on one another). The four-shaft planetary gear set is advantageously a planetary gear set with exactly 4 such shafts and is therefore a precisely four-shaft planetary gear set.
Der Aufbau ermöglicht nun hoch effizient und bei einem sehr kompakten Aufbau, insbesondere in axialer Richtung bezogen auf die beiden fluchtend liegenden Abtriebswellen, die entsprechenden Betriebsmodi umzusetzen.The design now enables the corresponding operating modes to be implemented highly efficiently and in a very compact structure, particularly in the axial direction with respect to the two aligned output shafts.
Gemäß des Verfahrens zum Betreiben des elektrischen Antriebssystems nach Anspruch 11 wird für den Torque-Vectoring-Betrieb das erste Schaltelement geschlossen, das zweite Schaltelement geöffnet, das dritte Schaltelement geschlossen, das vierte Schaltelement geöffnet und das fünfte Schaltelement wiederum geschlossen. Hierdurch lässt sich über beide elektrische Maschinen Drehmoment in das Kopplungsgetriebe einleiten, um durch die Wahl der Drehmomente dieser beiden elektrischen Maschinen über ihre elektronische bzw. leistungselektronische Ansteuerung eine gewünschte Drehmomentverteilung auf die beiden Abtriebswellen und damit die mit ihnen zumindest mittelbar verbundenen angetriebenen Räder erreichen.According to the method for operating the electric drive system according to
Beim oben schon angesprochenen Effizienzbetrieb, wie er im Anspruch 12 beschrieben ist, kann dann das erste Schaltelement geöffnet, das zweite Schaltelement geschlossen, das dritte Schaltelement geöffnet, das vierte Schaltelement geschlossen und das fünfte Schaltelement geöffnet werden. Das Koppelgetriebe wirkt dann als klassisches Differential für einen Vortrieb allein mit der ersten elektrischen Maschine, während die zweite elektrische Maschine abgekoppelt ist.In the efficiency mode mentioned above, as described in claim 12, the first switching element can then be opened, the second switching element closed, the third switching element opened, the fourth switching element closed and the fifth switching element opened. The coupling gear then acts as a classic differential for propulsion with the first electric machine alone, while the second electric machine is decoupled.
Das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem kann es dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorsehen, dass das zweite Element als erster Planetenträger ausgebildet ist und das vierte Element als zweiter Planetenträger. Diese beiden drehfest miteinander verbundenen Elemente bilden also zwei Planetenträger aus, welche ihrerseits drehfest verbunden, beispielsweise mit einer gemeinsamen Welle ausgebildet sind.According to a very advantageous development of the invention, the electric drive system according to the invention can provide that the second element is designed as a first planet carrier and the fourth element as a second planet carrier. These two elements, which are connected to one another in a rotationally fixed manner, thus form two planet carriers, which in turn are connected in a rotationally fixed manner, for example with a common shaft.
Eine erste Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems in dieser Variante kann es nun vorsehen, dass an dem zweiten Element, also dem ersten Planetenträger, erste Planetenräder angeordnet sind, welche permanent mit einer Verzahnung des ersten Elements und mit einer Verzahnung des dritten Elements kämmen. Sie bilden also innerhalb des Kopplungsgetriebes bzw. Planetenradsatzes ein erstes Planetengetriebe aus. Das vierte Element, also der zweite Planetenträger, weist dann zweite Planetenräder und dritte Planetenräder auf. Die dritten Planetenräder kämmen permanent mit einer Verzahnung des fünften Elements und jeweils eines der zweiten Planetenräder kämmt mit einem der dritten Planetenräder und jeweils eines der dritten Planetenräder kämmt mit einem der ersten Planetenräder, um so die Übertragung der Leistung von dem ersten Teil des Planetengetriebes mit dem ersten Element, dem zweiten Element bzw. den ersten Planetenrädern und dem dritten Element in den zweiten Teil des Planetengetriebes mit dem vierten Element bzw. seinen zweiten und dritten Planetenrädern und dem fünften Element zu ermöglichen.A first embodiment of the electric drive system in this variant can now provide that first planetary gears are arranged on the second element, i.e. the first planet carrier, which permanently mesh with a toothing of the first element and with a toothing of the third element. They therefore form a first planetary gear within the coupling gear or planetary gear set. The fourth element, i.e. the second planet carrier, then has second planetary gears and third planetary gears. The third planetary gears permanently mesh with a toothing of the fifth element and one of the second planetary gears meshes with one of the third planetary gears and one of the third planetary gears meshes with one of the first planetary gears, in order to enable the transmission of power from the first part of the planetary gear with the first element, the second element or the first planetary gears and the third element to the second part of the planetary gear with the fourth element or its second and third planetary gears and the fifth element.
Eine alternative Ausgestaltung der Variante des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems, bei denen das zweite Element und das vierte Element zwei Planetenträger ausbilden, kann es alternativ dazu nun vorsehen, dass das erste Element nicht mehr mit den ersten Planetenrädern des ersten Planetenträgers und damit des zweiten Elements kämmt, sondern dass die ersten Planetenräder nur noch mit einer Verzahnung des dritten Elements kämmen und dafür die zweiten Planetenräder permanent mit einer Verzahnung des ersten Elements kämmen, wobei auch hier wieder die dritten Planetenräder permanent mit einer Verzahnung des fünften Elements kämmen und eines der zweiten Planetenräder mit einem der dritten Planetenräder einerseits und eines der dritten Planetenräder mit einem der ersten Planetenräder anderseits kämmt. Bei dem Aufbau wird letztlich also das erste Element von der einen Hälfte des Planetenradsatzes in die andere Hälfte des Planetenradsatzes in axialer Richtung verschoben.An alternative embodiment of the variant of the electric drive system according to the invention, in which the second element and the fourth element form two planet carriers, can alternatively provide that the first element no longer meshes with the first planet gears of the first planet carrier and thus of the second element, but that the first planet gears only mesh with a toothing of the third element and instead the second planet gears permanently mesh with a toothing of the first element, whereby here again the third planet gears permanently mesh with a toothing of the fifth element and one of the second planet gears meshes with one of the third planet gears on the one hand and one of the third planet gears with one of the first planet gears on the other hand. In this construction, the first element is ultimately displaced from one half of the planetary gear set to the other half of the planetary gear set in the axial direction.
In beiden Ausführungsvarianten des elektrischen Antriebssystems kann es dabei nun vorgesehen sein, dass die jeweilige Abtriebswelle im Leistungsfluss auf die jeweilige Abtriebswelle und das Koppelgetriebe folgend über eine erste bzw. zweite Übersetzungsstufe mit dem angetriebenen Element, beispielsweise den Rädern eines Fahrzeugs verbunden ist. Zwischen der Abtriebswelle und dem angetriebenen Element, also beispielsweise den Rädern, ist also eine Übersetzungsstufe angeordnet. Diese kann beispielsweise als Planetengetriebe, Stirnradgetriebe oder dergleichen realisiert werden. Besonders bevorzugt ist sie jeweils als Planetengetriebe ausgebildet.In both design variants of the electric drive system, it can now be provided that the respective output shaft in the power flow following the respective output shaft and the coupling gear is connected to the driven element, for example the wheels of a vehicle, via a first or second gear stage. A gear stage is therefore arranged between the output shaft and the driven element, for example the wheels. This can be implemented, for example, as a planetary gear, spur gear or the like. It is particularly preferably designed as a planetary gear.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung kann es außerdem vorsehen, dass das dritte Schaltelement dazu ausgebildet ist, den ersten Rotor drehfest mit dem dritten Element zu koppeln. Die Drehmomente werden dann also nicht mehr - wie prinzipiell auch denkbar - mittelbar von dem ersten Rotor über das dritte Schaltelement in das Koppelgetriebe bzw. dessen drittes Element eingeleitet, sondern diese beiden Elemente werden über das dritte Schaltelement direkt drehfest miteinander verbunden, um so einen noch kompakteren und einfacheren Aufbau umzusetzen. Vergleichbares gilt für das fünfte Schaltelement, welches gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung dazu eingerichtet ist, den zweiten Rotor drehfest mit dem ersten Element zu koppeln.A further very advantageous embodiment of the electric drive system according to the invention can also provide that the third switching element is designed to couple the first rotor to the third element in a rotationally fixed manner. The torques are then no longer introduced indirectly from the first rotor via the third switching element into the coupling gear or its third element - as is also conceivable in principle - but these two elements are directly connected to one another in a rotationally fixed manner via the third switching element in order to implement an even more compact and simpler structure. The same applies to the fifth switching element, which according to a particularly preferred embodiment of the electric drive system according to the invention is designed to couple the second rotor to the first element in a rotationally fixed manner.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann es ferner vorsehen, dass in der axialen Richtung gesehen, welche sich entsprechend der beiden Abtriebswellen definiert, das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement axial überlappend zu dem Koppelgetriebe angeordnet sind. Unter axial überlappend im Sinne der Erfindung ist dabei zu verstehen, dass die beiden Schaltelemente und das Koppelgetriebe sich in zumindest einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung entsprechend überschneiden. Die Schaltelemente sind also vorzugsweise umfangsseitig außen oder innen zu dem Koppelgetriebe angeordnet, was für einen sehr kompakten Aufbau, vor allem in der axialen Ausdehnung sorgt.Another very favorable embodiment of the electric drive system according to the invention can also provide that, viewed in the axial direction, which is defined by the two output shafts, the first switching element and the second switching element are arranged so as to axially overlap the coupling gear. In the sense of the invention, axially overlapping means that the two switching elements and the coupling gear overlap in at least one plane perpendicular to the axial direction. The switching elements are therefore preferably arranged on the outside or inside of the coupling gear on the circumference, which ensures a very compact structure, especially in the axial extension.
Eine weitere günstige Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung kann es außerdem vorsehen, dass das erste Element als ein Sonnenrad, das dritte Element als ein erstes Hohlrad und das fünfte Element als ein zweites Hohlrad ausgebildet sind. Dies erlaubt ein sehr kompaktes und effizientes Koppelgetriebe, welches zusammen mit den Schaltelementen ein hoch flexibles elektrisches Antriebssystem in kompakter Bauart gewährleistet.A further advantageous embodiment of the electric drive system according to the invention can also provide that the first element is designed as a sun gear, the third element as a first ring gear and the fifth element as a second ring gear. This allows a very compact and efficient coupling gear, which together with the switching elements ensures a highly flexible electric drive system in a compact design.
Eine weitere außerordentlich günstige Weiterbildung des elektrischen Antriebssystems kann es nun außerdem vorsehen, dass ein sechstes Schaltelement vorgesehen ist. Dieses ist dazu ausgebildet, den ersten Rotor drehfest mit dem zweiten Rotor zu koppeln. Über dieses sechste Schaltelement können die beiden elektrischen Maschinen also zusammengeschaltet werden, um gemeinsam Drehmomente in das Kopplungsgetriebe einzuleiten. Dies ermöglicht in Ergänzung zu den beiden oben beschriebenen Modi des Torque-Vectoring und des Effizienzbetriebs nun außerdem einen Boostbetrieb.Another extremely advantageous development of the electric drive system can now also provide for a sixth switching element. This is designed to couple the first rotor to the second rotor in a rotationally fixed manner. The two electric machines can therefore be connected together via this sixth switching element in order to jointly introduce torque into the coupling gear. In addition to the two modes of torque vectoring and efficiency mode described above, this now also enables boost mode.
Verfahrensgemäß kann diese besonders günstige Ausführungsvariante des elektrischen Antriebssystems gemäß Anspruch 13 so verwendet werden, dass für den Boostbetrieb das erste Schaltelement geöffnet, das zweite Schaltelement geschlossen, das dritte Schaltelement geöffnet, das vierte Schaltelement geschlossen, das fünfte Schaltelement geöffnet und das sechste Schaltelement entsprechend geschlossen wird. In diesem Boostbetrieb ist dann ein Vortrieb über beide elektrische Maschinen gleichzeitig, an einem Eingang des Koppelgetriebes möglich. Das Koppelgetriebe wirkt als Differentialgetriebe mit einer gleichmäßigen 1:1-Verteilung des Drehmoments auf die beiden Abtriebswellen und damit zumindest mittelbar auf die beiden angetriebenen Räder. Bei einer Kurvenfahrt, bei welcher die Drehzahlen der beiden Räder unterschiedlich sind, je nachdem, ob sie innen oder außen in der Kurve liegen, bleiben dann die Drehmomente an beiden Rädern dennoch gleich.According to the method, this particularly favorable embodiment of the electric drive system according to claim 13 can be used in such a way that for boost operation the first switching element is opened, the second switching element is closed, the third switching element is opened, the fourth switching element is closed, the fifth switching element is opened and the sixth switching element is closed accordingly. In this boost operation, propulsion via both electric machines is then possible simultaneously at one input of the coupling gear. The coupling gear acts as a differential gear with an even 1:1 distribution of the torque to the two output shafts and thus at least indirectly to the two driven wheels. When cornering, where the speeds of the two wheels are different depending on whether they are on the inside or outside of the curve, the torques on both wheels still remain the same.
Alles in allem lässt sich so ein elektrisches Antriebssystem in kompakter Bauweise umsetzen, welches besondere Effizienz- und Dynamikfunktionalitäten ermöglicht. All in all, this makes it possible to implement an electric drive system in a compact design that enables special efficiency and dynamic functionalities.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Antriebssystems sowie der Verfahren zum Betreiben des elektrischen Antriebssystems ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.Further advantageous embodiments of the electric drive system and of the methods for operating the electric drive system also emerge from the exemplary embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung; -
2 eine alternative Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems gemäß1 ; und -
3 eine Schalttabelle zur Verdeutlichung der verschiedenen Betriebsmodi; -
4 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems gemäß1 .
-
1 a schematic representation of a first possible embodiment of an electric drive system according to the invention; -
2 an alternative design of the electric drive system according to1 ; and -
3 a switching table to clarify the different operating modes; -
4 a further advantageous embodiment of the electric drive system according to1 .
In der Darstellung der
Das Koppelgetriebe 30 umfasst in dem Ausführungsbeispiel der
Der erste Rotor 110, beziehungsweise eine drehfest mit dem ersten Rotor 110 verbundene erste Rotorwelle 11, der ersten elektrischen Maschine 10 kann nun über ein drittes Schaltelement S3 oder ein viertes Schaltelement S4 wahlweise mit dem dritten Element 33 oder dem zweiten Element 32 des Koppelgetriebes 30 verbunden werden. Hierdurch lassen sich Drehmomente von der ersten elektrischen Maschine 10 in das Koppelgetriebe 30 einleiten. Über ein erstes Schaltelement S1 bzw. ein zweites Schaltelement S2 wird die zweite Abtriebswelle 42 nun entweder mit dem dritten Element 33 des Koppelgetriebes 3 oder dem vierten Element 34 verbunden. Die erste Abtriebswelle 41 ist dahingegen dauerhaft drehfest mit dem fünften Element 35 des Koppelgetriebes 30 verbunden.The first rotor 110, or a
Beide Abtriebswellen 41, 42 könnten nun direkt die angetriebenen Elemente, beispielsweise die Räder eines Fahrzeugs antreiben. Optional und besonders bevorzugt befindet sich jedoch hinsichtlich eines Leistungsflusses hinter der ersten Abtriebswelle 41 und hinter dem Koppelgetriebe 30 eine erste Übersetzungsstufe 51 und dementsprechend hinsichtlich des Leistungsflusses hinter der zweiten Abtriebswelle 42 und dem Koppelgetriebe 30 eine zweite Übersetzungsstufe 52. Über diese Übersetzungsstufen 51, 52, welche hier vorteilhaft als Planetengetriebe angedeutet sind, lassen sich dann die angetriebenen Räder mittelbar über die beiden Abtriebswellen 41, 42 antreiben.Both
Mit dem Begriff des Leistungsflusses ist dabei ein Fluss einer von den elektrischen Maschinen ausgehenden und zu den Abtriebswellen 41 und 42 gerichteten Antriebsleistung gemeint.The term power flow refers to a flow of drive power emanating from the electrical machines and directed to the
Um nun die zweite elektrische Maschine 20 in die Antriebsleistung mit einzubeziehen, ist außerdem ein fünftes Schaltelement S5 vorgesehen, über welches die zweite elektrische Maschine 20 bzw. ihr Rotor 210 mit dem ersten Element 31 des Koppelgetriebes 30, also dem Sonnenrad gekoppelt werden kann. Im Ausführungsbeispiel der
Optional kann ein weiteres sechstes Schaltelements S6 vorgesehen sein. Über dieses sechste Schaltelement S6 kann der zweite Rotor 210 der zweiten elektrischen Maschine 20 mit dem ersten Rotor 110 der ersten elektrischen Maschine 10 drehfest gekoppelt werden, um so mit beiden elektrischen Maschinen 10, 20 gleichermaßen Drehmoment an das Koppelgetriebe 30, beispielsweise bei geschlossenem vierten Schaltelement S4 abzugeben.Optionally, a further sixth switching element S6 can be provided. Via this sixth switching element S6, the
Die Ausführung des elektrischen Antriebssystems 1 gemäß
In axialer Richtung a benachbart zu der zweiten elektrischen Maschine 20 kann dann die optionale erste Übersetzungsstufe 51 und benachbart zu dem Koppelgetriebe 30 die optionale zweite Übersetzungsstufe 52 angeordnet sein.In the axial direction a adjacent to the second
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Jedes der Schaltelemente S1 bis S5 bzw. S6, sofern vorhanden, ist dabei in der Lage, sowohl zu koppeln als auch zu entkoppeln. In der Darstellung der
Im ersten Modus, dem Torque-Vectoring-Modus, ist es nun so, dass das erste Schaltelement S1 geschlossen, das zweite Schaltelement S2 geöffnet, das dritte Schaltelement S3 geschlossen, das vierte Schaltelement S4 geöffnet und das fünfte Schaltelement S5 geschlossen ist. Sofern das optionale sechste Schaltelement vorhanden ist, wäre dieser geöffnet.In the first mode, the torque vectoring mode, the first switching element S1 is closed, the second switching element S2 is open, the third switching element S3 is closed, the fourth switching element S4 is open and the fifth switching element S5 is closed. If the optional sixth switching element is present, this would be open.
Der Antrieb der zweiten Abtriebswelle 42 erfolgt so nun also bei geschlossenem ersten Schaltelement S1 über eine drehfeste Verbindung zum vierten Element 34, also dem zweiten Planetenträger. Die erste Abtriebswelle 41 wird durch ihre dauerhafte drehfeste Verbindung mit dem zweiten Hohlrad, dem fünften Element 35 in allen Modi über dieses angetrieben. Das geschlossene dritte Schaltelement S3 sorgt für einen Leistungseintrag ausgehend von der ersten elektrischen Maschine 10 bzw. ihrem ersten Rotor 110 über das dritte Element 33, also das erste Hohlrad des Koppelgetriebes 30. Das vierte Schaltelement S4 ist ebenso wie das zweite Schaltelement S2 entsprechend geöffnet. Das fünfte Schaltelement S5 ist wiederum geschlossen und sorgt für einen Eintrag von Leistung bzw. Drehmoment ausgehend von der zweiten elektrischen Maschine 20 bzw. ihrem zweiten Rotor 210 über das erste Element 31 des Koppelgetriebes 30, also das Sonnenrad, je nach Ausführungsvariante über die ersten Planetenräder 36 oder die zweiten Planetenräder 37. In diesem Torque-Vectoring-Modus liefern also beide elektrischen Maschinen 10, 20 nennenswertes Drehmoment über das Koppelgetriebe 30 für den Vortrieb. Die beiden elektrischen Maschinen 10, 20 können dafür gleichartig ausgebildet sein, sie müssen dies jedoch nicht. Insbesondere können unterschiedlich starke elektrische Maschinen 10, 20 zum Einsatz kommen, also z.B. elektrische Maschinen mit unterschiedlicher Nennleistung. Durch die Wahl der von der jeweiligen elektrischen Maschine 10, 20 abgegebenen Drehmomente, was über deren Ansteuerung über ihre Elektronik bzw. Leistungselektronik erreicht wird, lässt sich so eine Drehmomentverteilung auf die beiden Abtriebswellen 41, 42 und damit auf die durch diese zumindest mittelbar angetriebenen Räder erreichen. Eine solche entsprechend einer gewählten Vorgabe erfolgende Aufteilung des Drehmoments auf die unterschiedlichen Räder ermöglicht insbesondere Vorteile beim dynamischen Fahren in Kurven und erlaubt eine Verbesserung der Fahrleistung und eine Steigerung der Fahrsicherheit.The
Der Effizienzbetrieb dient, wie sein Name schon andeutet, dazu, das elektrische Antriebssystem 1 möglichst effizient, also mit minimalem Energieeinsatz für die erzeugte Antriebsleistung zu betreiben. Hierfür wird der Vortrieb alleine durch die erste elektrische Maschine 10 realisiert. Die zweite Abtriebswelle 42 ist dafür mit dem dritten Element 33, also dem ersten Hohlrad des Koppelgetriebes 30 verbunden, wozu das zweite Schaltelement S2 geschlossen und das erste Schaltelement S1 geöffnet ist. Bei geöffnetem dritten Schaltelement S3 und geschlossenem vierten Schaltelement S4 wird der erste Rotor 110 der ersten elektrischen Maschine 10 drehfest mit dem zweiten Element 32, also dem ersten Planetenträger des Koppelgetriebes 30 drehfest verbunden, um auf diesem Weg Leistung bzw. Drehmoment in das Koppelgetriebe 30 einzuleiten. Gleichzeitig ist das fünfte Schaltelement S5 geöffnet und sofern vorhanden auch das sechste Schaltelement S6 geöffnet, die zweite elektrische Maschine 20 ist also abgekoppelt. Das Koppelgetriebe 30 dient in diesem Effizienz-Modus als klassisches Differential mit einer 50:50-Drehmomentverteilung, auch in den Kurven, wobei dort trotzdem unterschiedliche Drehzahlen an den Rädern anliegen.Efficiency mode, as its name suggests, serves to operate the
Der dritte Betriebsmodus ist der Boost-Modus. Dieser benötigt zwingend das sechste Schaltelement S6. Er entspricht von der Stellung der Schaltelemente im Wesentlichen dem Betrieb im Effizienzmodus, nützt also das Koppelgetriebe 30 vergleichbar als klassisches Differentialgetriebe mit einer 50:50-Verteilung des Drehmoments auf beide Abtriebswellen 41, 42. Zusätzlich ist nun das sechste Schaltelement S6 geschlossen, sodass der erste Rotor 110 der ersten elektrischen Maschine 10 und der zweite Rotor 210 der zweiten elektrischen Maschine 20 drehfest miteinander verbunden sind und das von den beiden elektrischen Maschinen 10, 20 aufgebrachte Drehmoment gemeinsam in das Koppelgetriebe 30 einleiten. Hierdurch lässt sich im Boost-Betrieb die maximale Leistung beider elektrischen Maschinen 10, 20 gemeinsam zur Verfügung stellen, um ein Maximum an Antriebsleistung zu ermöglichen. Die Drehmomente bleiben dabei anders als beim Torque-Vectoring an beiden durch die beiden Abtriebswellen 41, 42 angetriebenen Räder gleich, auch wenn im Falle einer Kurvenfahrt die Drehzahlen voneinander abweichen, vergleichbar wie beim Effizienz-Modus.The third operating mode is boost mode. This requires the sixth switching element S6. In terms of the position of the switching elements, it essentially corresponds to operation in efficiency mode, i.e. it uses the
Besonders vorteilhaft ist die zweite Übersetzungsstufe 52 hinsichtlich des Leistungsflusses zwischen dem ersten Rotor 110 und dem dritten Schaltelement S3 sowie zwischen dem ersten Rotor 110 und dem vierten Schaltelement S4 angeordnet.Particularly advantageously, the
Die erste Übersetzungsstufe 51 ist dabei hinsichtlich des Leistungsflusses vorteilhaft zwischen dem zweiten Rotor 210 und dem Koppelgetriebe 30 angeordnet.The
Besonders vorteilhaft ist die erste Übersetzungsstufe 51 hinsichtlich des Leistungsflusses zwischen dem fünften Schaltelement S5 und dem Koppelgetriebe 30 angeordnet. The
Alternativ und ebenso vorteilhaft und hier nicht weiter dargestellt, kann die erste Übersetzungsstufe 51 auch zwischen dem zweiten Rotor 210 und dem fünften Schaltelement S5 angeordnet sein.Alternatively and equally advantageously and not further shown here, the
Selbstverständlich kann die in
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