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WO2010004007A2 - Hybridantriebsstrang für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Hybridantriebsstrang für ein kraftfahrzeug Download PDF

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WO2010004007A2
WO2010004007A2 PCT/EP2009/058760 EP2009058760W WO2010004007A2 WO 2010004007 A2 WO2010004007 A2 WO 2010004007A2 EP 2009058760 W EP2009058760 W EP 2009058760W WO 2010004007 A2 WO2010004007 A2 WO 2010004007A2
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WO
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gear
combustion engine
internal combustion
transmission
drive unit
Prior art date
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PCT/EP2009/058760
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English (en)
French (fr)
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WO2010004007A3 (de
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Ferdinand Tangl
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.)
Magna Steyr Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Steyr Daimler Puch Fahrzeugtechnik AG and Co KG
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Priority to US13/003,184 priority patent/US8535188B2/en
Priority to DE112009001640T priority patent/DE112009001640A5/de
Priority to CN200980135147.9A priority patent/CN102149584B/zh
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    • F16H3/728—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously with at least two dynamo electric machines for creating an electric power path inside the gearing, e.g. using generator and motor for a variable power torque path with means to change ratio in the mechanical gearing
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    • F16H37/084—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts with differential gearing with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts, i.e. with two or more internal power paths at least one power path being a continuously variable transmission, i.e. CVT
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    • F16H2037/0873—Power-split transmissions with distributing differentials, with the output of the CVT connected or connectable to the output shaft with switching means, e.g. to change ranges
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    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the invention relates to a hybrid drive train of a vehicle, in particular a motor vehicle, with a drive system, with an internal combustion engine and a first electric auxiliary drive unit, and a drive system downstream transmission for controllable speed and torque distribution of the drive power to an output shaft.
  • the planetary gear can be used in various embodiments.
  • the planetary gear may have a structure with a sun gear, various arranged on a planet carrier planetary gears and a ring gear.
  • the planetary gear could for example have two sun gears or two ring gears each in conjunction with a planet carrier and so-called double planetary gears.
  • the invention may have a structure with a sun gear, various arranged on a planet carrier planetary gears and a ring gear.
  • the planetary gear could for example have two sun gears or two ring gears each in conjunction with a planet carrier and so-called double planetary gears.
  • Hybrid powertrain allows this in several operating points a direct mechanical drive of the internal combustion engine to the output shaft or to be driven axle. Because in such Operating points no electrical power shift, ie no conversion of mechanical energy into electrical energy takes place, similar to conventional, in particular purely mechanical, transmissions very good efficiency can be achieved. According to a particular embodiment of the invention
  • Hybrid powertrain allows this by an appropriate control of the transmission used optimal utilization of the operating points of the internal combustion engine.
  • the transmission is controlled so that the rotational speed of the transmission and / or the load acting on the internal combustion engine are adapted to the optimal operating points of the internal combustion engine.
  • a reduction in fuel consumption is possible in that the drive systems are operated in their optimal or at least optimized operating points, ie at operating points of the drive system guarantee a good efficiency.
  • the optimum operating point of the drive system depends on the optimum operating points of the components of the drive system.
  • Hybrid powertrain operated so that the output shaft is operated either by one of the electric auxiliary drive units of the drive system, in the sense of an electric driving, or by a direct drive of the internal combustion engine, in the sense of a direct mechanical gear.
  • the hybrid powertrain according to the invention proves to be particularly cost-effective, since a starting clutch can be omitted.
  • the internal combustion engine via the direct power path with at least one in the order of the gear ratios straight gear stage of the transmission rotatably and not separable connected to the internal combustion engine, optionally via a dual mass flywheel.
  • the internal combustion engine via the direct power path with at least one straight in the order of the gear ratios gear ratio of the transmission without intermediate starting clutch, in particular friction clutch connected.
  • the hybrid powertrain according to the invention proves to be particularly cost-effective, since, by the use of electric auxiliary drive units, a smaller internal combustion engine, so an internal combustion engine with power can be used. By this measure, the weight of the drive system can be further reduced.
  • the hybrid powertrain according to the invention proves to be particularly cost-effective, since the function of a starter and the function of a generator can be integrated into the transmission.
  • the first and the second gearbox unit are independently operable.
  • the first transmission unit is adapted to shift between a first neutral position, a first short transmission ratio and a first long transmission ratio and the second transmission ratio unit for shifting between a second neutral position, a second short transmission ratio and a second long transmission ratio.
  • the third component of the planetary gear on the one hand with the first short and / or first long gear ratio and on the other hand with the coupled second short and / or second long gear ratio.
  • the first and / or second coupling device is designed as a positive coupling device, in particular as a dog clutch.
  • the synchronization of the various gears of the transmission by an electric auxiliary drive unit in particular the first electric auxiliary drive unit.
  • the coupling devices can be designed as simple jaw clutches.
  • synchronized clutches may be used for one or more of the clutch devices.
  • the first electric auxiliary drive unit is operative with a first of the two gears of the planetary gear, in particular the sun gear, the internal combustion engine acting with the planet carrier of the planetary gear and the first and the second gearbox unit acting with a second of the two gears of the planetary gear, in particular connected to the ring gear.
  • a second electric auxiliary drive unit is provided, which is connected via the first and / or second gearbox unit with the planetary gear and a direct mechanical power path to the output shaft.
  • the first and / or the second electrical auxiliary drive unit is / are arranged so that it can be operated as a generator.
  • the direct power path of the internal combustion engine is connected by bridging the planetary gear directly to the first transmission.
  • the invention is characterized by a method according to claim 13.
  • the internal combustion engine via the direct power path with at least one in the order of the gear ratios straight gear ratio of the transmission rotatably and not separable connected to the internal combustion engine, optionally via a dual mass flywheel.
  • the internal combustion engine via the direct power path with at least one in the order of the gear ratios straight gear stage of the transmission without intermediate starting clutch, in particular friction clutch connected.
  • the first electrical auxiliary drive unit and the third component synchronize the first and second gearboxes.
  • the direct power path is set up as a function of the selected mechanical gear via the first and / or second gearbox.
  • the internal combustion engine is directly, that is, bypassing the planetary gear, operatively connected to the input member of the first coupling device.
  • the first and / or the second gearbox unit is / are adapted to switch between a neutral position, a first gear ratio and a second gear ratio.
  • Fig. 1 is a schematicêtssskizze a possible arrangement of the inventive hybrid drive train
  • FIG. 1 Shown in FIG. 1 is a preferred embodiment of the hybrid powertrain of a vehicle having a drive system 1 that includes a transversely arranged internal combustion engine 3.
  • an output shaft 2 is aligned parallel to the drive axle of the vehicle and the arrangement of the internal combustion engine 3 in the transverse direction relates to the longitudinal axis (not shown) of the vehicle.
  • the internal combustion engine 3 is coupled by means of a motor output shaft 4 with a planetary gear 5 in such a way that the motor output shaft 4 is rotatably connected to the planet carrier 6 of the planetary gear 5.
  • the sun gear 7 of the planetary gear 5 is connected to a first electric auxiliary drive unit 8 (EMI), which is designed as an electric motor or electric motor / generator, and thus used for delivering mechanical power, in particular a torque, as well as for generating electrical energy can be.
  • EMI electric auxiliary drive unit 8
  • the ring gear 9 of the planetary gear 5 is connected via a first transmission shaft 10 with a first auxiliary drive unit 8 (EMI), which is designed as an electric motor or electric motor / generator, and thus used for delivering mechanical power, in particular a torque, as well as for generating electrical energy can be.
  • EMI electric auxiliary drive unit 8
  • Gearbox unit 11 is connected, which has a first coupling device 12.
  • the first coupling device 12 itself is in the form of a dog clutch, with a first input member 13, a first translate short output member 14 and a first long translate output member 15.
  • the first input member 13 has, for example, on two sides corresponding claws, wherein by moving the input member 13 is a positive contact of the jaws on the input member 13 with the corresponding jaws on the first short-translated output member 14 or the corresponding jaws on the first long translated output member 15 can be produced.
  • a neutral position 16 of the input member 14 between the two first output members 14, 15 is possible without the production of a positive contact, which is otherwise shown in Fig. 1.
  • FIG. 1 As can also be seen from FIG.
  • the motor output shaft 4 is coupled in a rotationally fixed manner to the first input member 14.
  • the first short-translated output member 14 is rotatably mounted on the engine output shaft 4 and the first long-translated output member 15 rotatably connected to the first transmission shaft 10 and via this with the ring gear 9 of the planetary gear 5.
  • the first short-translated output member 14 and the first long-translated output member 15 are each formed as gears, in particular as spur gears.
  • a further first gear, in particular spur gear, 17 is provided which is non-rotatably connected to the first gear shaft 10 and rotatably connected thereto with the ring gear 9 of the planetary gear 5.
  • the internal combustion engine is operatively connected to the ring gear 9 and the first transmission unit 11 via the first transmission shaft 10 with the planet carrier 6 of the planetary gear 5.
  • the first electric auxiliary drive unit 8 would accordingly be operatively coupled to the sun gear 7 of the planetary gear 5.
  • a second transmission shaft 18 is provided which is non-rotatably connected to a second input member 19 of a second clutch device 20 of a second gearbox unit 21.
  • the second coupling device 20 is also in the form of a
  • Claw clutch executed and has, in addition to the second input member 19, a second long-translated output member 22 and a second short-translated output member 23.
  • the second input member 19 has for this purpose on two (two) sides corresponding claws, whereby by moving the second input member 19, a positive contact with the corresponding jaws on the second long-translated output member 22 or the second short-translated output member 23 can be produced.
  • a neutral position 24 of the second input member 19 between the two second output members 22,23 possible without a corresponding positive contact with one of the two output members. This neutral position 24 is otherwise shown in Fig. 1.
  • the second transmission shaft 18 is rotatably connected to the second input member 19, while the second long-translated output member 22 and the second short-translated output member 23 are rotatably mounted on the second transmission shaft 18.
  • the second long-translated output member 22 and the second short-translated output member 23 are each formed as gears, in particular spur gears.
  • a second gear 25, in particular a spur gear, as well as a third gear 26, in particular a spur gear are provided which are both non-rotatably connected to the second gear shaft 18.
  • a second electric auxiliary drive unit 29 is coupled to the second gear shaft 18 via a fourth gear 27, in particular a spur gear, and via a third gear shaft 28.
  • the output shaft 2 is, for example, as shown, as part of a differential 31 executed.
  • a flywheel for example, a dual-mass flywheel, as disclosed in US 5,856,709.
  • the implementation of the invention of FIG. 1 allows nine different modes of operation.
  • a first operating mode the first input member 13 of the first clutch means 12 is coupled by disengagement with the first short-translated output member 14 and the second input member 19 of the second clutch means 20 by disengagement with the second long-translated output member 22.
  • the second and the third gear of the transmission are engaged.
  • the drive torque can be moved as desired for 2nd or 3rd gear, whereby an interpretation of each unloaded gear is possible and the transmission can be operated either in 2nd or 3rd gear.
  • This switching position is therefore primarily in the Circuit from 2nd to 3rd gear or from 3rd to 2nd gear temporarily occur.
  • a purely mechanical dual-clutch transmission is carried out in the illustrated embodiment by a combined mechanical and electrical varnishverze Trent no interruption in traction when switching between gears.
  • Hybrid powertrain is possible. If no supporting torque is applied when the second gear is engaged via the first electric auxiliary drive unit 8, the third gear, which is also engaged, runs in the transmission without load and causes no appreciable power losses.
  • the first mode of operation is functionally the same as the second mode of operation (see the following discussion of the same).
  • the full power of the internal combustion engine can be transmitted mechanically, that is to say without electrical power branching.
  • power branching is understood in particular to mean the conversion of a part of the mechanical energy into electrical energy and a subsequent reconversion of at least a part of this electrical energy into mechanical energy.
  • Such a conversion can be delayed in time, for example, by intermediate storage of electrical energy in an energy storage, in particular in a battery, take place.
  • the first input member 13 of the first clutch device 12 is coupled by appropriate disengagement with the short-translated output member 14 and the second input member 19 is positioned in its neutral position 24.
  • the transmission is thus operated in 2nd gear.
  • the Hybrid driveline on a so-called rigid mechanical drive of the internal combustion engine 3 to the output shaft 2, whereby no electrical power losses occur and thus a particularly efficient operation of the hybrid powertrain is possible.
  • the odd gear can be synchronized in a simple and efficient manner when changing from a straight to an odd gear. For example, starting from the second operating mode, ie from 2nd gear, over the first
  • Planetary gear 5 the first gear shaft 10 and the first long-translated output member 15, the second long-translated output member 22 to a speed corresponding to the current speed of the second transmission shaft 18.
  • the second clutch means 20 between the second long-translated output member 22 and the second input member 19 is closed, whereby a transition to the first operating mode.
  • a third operating mode of the transmission the second and the first gear of the transmission are simultaneously inserted according to the configuration of the transmission.
  • the drive torque can be moved as desired to the 2nd or 1st gear, whereby an interpretation of each unloaded gear is possible.
  • the third mode of operation will occur primarily when switching between 1st and 2nd gear.
  • a direct mechanical drive through the internal combustion engine is possible for downforce via the second gear.
  • the first input member 13 is in the neutral position 16.
  • the second input member 19 is coupled by corresponding disengagement of the second clutch means 20 with the second long-translated output member 22.
  • driving in the 3rd gear of the transmission is possible.
  • the power is transmitted via a support by the first electric auxiliary drive unit 8.
  • the first electric auxiliary drive unit 8 can be done in this way, an adjustment of the speed of the internal combustion engine 3 to the desired output speed of the drive train.
  • a linear relationship between the rotational speed of the internal combustion engine and the first electrical results at a given output speed on the geometric relationships of the selected planetary gear set
  • each speed of the internal combustion engine is assigned a speed of the first electric auxiliary drive unit 8 at a given output speed.
  • the possible speed combinations are on the one hand by limiting speeds and on the other hand by the possible
  • the first input member 13 is positioned in the neutral position 16 and the second input member 19 in its neutral position 24.
  • an electric driving of the vehicle or an electrical operation of the hybrid drive train and / or the operation of the transmission as an electrical return gear are possible.
  • the drive is done via the second electrical (additional) drive unit 29.
  • the energy for the operation of the second electric auxiliary drive unit For example, for "purely" electric driving is provided from an energy storage, in particular a suitable battery (not shown).
  • the first input member 13 is in the neutral position 16.
  • the second input member 19 of the second clutch device 20 is coupled by appropriate disengagement with the second short-translated output member 23.
  • a start of the vehicle without a clutch is possible in the sixth operating mode.
  • the first electric auxiliary drive unit 8 in particular the electric motor / generator unit (EMI).
  • EMI electric motor / generator unit
  • the torque increases at the first transmission shaft 10 (transmission input shaft to 1st gear), whereby a start without clutch can be realized.
  • Additional drive unit 29 can be used, which can be operated, for example, with the obtained at the first electric auxiliary drive unit 8 electrical energy. In this way, an additional, generated by the second electric auxiliary drive unit 29, drive torque for starting the vehicle can be provided. In this case, for example, the energy regeneratively generated by the electric auxiliary drive unit 8 can be supplied to the second electric auxiliary drive unit 29.
  • the sixth operating mode according to the embodiment of the transmission, the first gear of the transmission is engaged.
  • an adaptation of the rotational speed of the internal combustion engine 3 is possible in the sixth operating mode by the first electric auxiliary drive unit 8.
  • a seventh mode of operation the first input member 13 of the first clutch device 12 coupled by appropriate disengagement via the long translated output member 15 to the transmission shaft 10, wherein the planetary gear set blocked and the electric auxiliary drive unit 8 is directly coupled to the internal combustion engine 3. Furthermore, the second input member 19 of the second clutch device 20 is coupled by appropriate disengagement with the second long-translated output member 22.
  • the hybrid powertrain has a so-called rigid drive of the internal combustion engine 3 to the output shaft 2 in 3rd gear, whereby the power losses are minimized and a particularly efficient operation of the hybrid powertrain is possible.
  • the seventh operating mode according to the configuration of the transmission, the third gear of the transmission is engaged, and realizes a rigid drive in the upper speed range ("highway mode").
  • the first input member 13 of the first clutch means 12 is coupled by appropriate disengagement over long translated output member 15 with the first transmission shaft 10, wherein the planetary gear set blocked by connecting ring gear and planet carrier and thus the electric
  • Additional drive unit 8 is directly coupled to the internal combustion engine 3. Furthermore, the second input member 19 is positioned in its neutral position 24.
  • the planetary gear 5 is blocked or blocked for starting the internal combustion engine 3, so that the internal combustion engine by the first electric auxiliary drive unit 8 (EMI) can be started. It will by the switching position of the first clutch device 12, the ring gear 9 rigidly connected to the planet carrier 6 and the planetary gear set 5 blocks it. Subsequently, the first electric auxiliary drive unit 8 (EMI) is brought to speed, wherein the first electric auxiliary drive unit 8, the internal combustion engine 3 rotates and starts.
  • EMI first electric auxiliary drive unit 8
  • the return or reverse gear is made possible by an electric motor by the second electric auxiliary drive unit 29 (EM2).
  • the second electric auxiliary drive unit 29 is operated by the motor with the corresponding direction of rotation.
  • the energy for the operation is either driven by an energy storage or in blocked planetary gear 5 by operation of the first electric auxiliary drive unit 8 (EMI) as a generator via the internal combustion engine 3.
  • the first input member 13 of the first clutch device 12 is coupled by appropriate disengagement via the long-translated output member 15 with the first transmission shaft 10 and the second input member 19 of the second clutch means 20 by corresponding disengagement with the second short-translated output member 23.
  • the planetary gearset 5 is blocked by connecting the ring gear and planetary carrier, i. the first electric auxiliary drive unit 8 is fixedly coupled to the internal combustion engine 8.
  • the hybrid drive train has a so-called rigid drive of the internal combustion engine 3 to the output shaft 2, whereby the power losses are minimized and a particularly efficient operation of the hybrid powertrain is possible.
  • the first gear of the transmission is engaged, thus realizing a rigid drive in the lower speed range ("city mode").
  • both the first and / or second electrical auxiliary drive units 8, 29 provide boosting (Support the internal combustion engine 3) as well as a recuperation, so a recovery of electrical energy, if at least one of the electrical auxiliary drive units 8,29 operated as a generator possible.
  • boosting or recuperation is possible in all modes of operation apart from the fifth mode of operation.
  • additional torque is introduced via the first or the second electric drive unit 8, 29.
  • the additional torque can be fed in all 9 operating modes.
  • this is only possible if the planetary gear set 5 is closed, so 2 members of the planetary gear set are connected, otherwise, apart from operating modes with a direct mechanical drive, the first electric auxiliary drive unit 8 for supporting the
  • Additional drive unit 8 and the internal combustion engine 3 via the selected shift position or the selected gear and the driving speed of a vehicle specified. It follows that the power of the electric auxiliary drive unit 8, as a function of the required power of the internal combustion engine 3, is also predetermined and the electrical
  • Additional drive unit 8 in this gear or operating mode can not be used arbitrarily for boosting and / or Rekuper Schl the torque or power.
  • a predetermined power is picked up by the electric auxiliary drive unit 8 or emitted as a generator and thus either the second electric auxiliary drive unit 29 ("electrical power path") or an electrical energy store (not shown), in particular one Battery, withdrawn and / or supplied.
  • the hybrid powertrain according to the invention has a planetary drive 5 with an electric motor 8 arranged on the sun gear 7 of the planetary drive, the electric motor acting as a starting element and / or for synchronizing the gearbox units 11, 21 of the hybrid drive train, in particular the different gear stages of the gearbox units 11 , 21 and / or for variation / adjustment of the rotational speed of the internal combustion engine 3 at certain gears, in particular odd gears, can be used.
  • the transmission structure of the hybrid drive train has two independent load paths.
  • the second electric auxiliary drive unit 29 is rotatably connected to the output.
  • An arrangement as shown in Fig. 1 appears favorable in terms of translation, in particular with regard to the size of the hybrid drive train and the electric motors used.
  • With the illustrated embodiment are also an electric driving, a recuperation of electrical energy and a boost, so an increase in torque by the supporting operation of the electric motor, in addition to the operation of the internal combustion engine.
  • the subject invention can be carried out at a ratio change from an odd to a straight gear through the, in particular first, electric auxiliary drive unit 8, a synchronization of the gear stages.
  • the 2nd gear can be synchronized by the first electric auxiliary drive unit 8.
  • a corresponding speed is set at the first electric auxiliary drive unit 8, which ensures that at the first clutch device 12, a speed equality prevails. With equal speed can in this way the 2nd gear in addition to current gear are engaged.
  • After adjusting the corresponding moment on the first electric auxiliary drive unit 8 can then be changed without interruption of traction in the 2nd gear and the additional engaged odd gear are designed.
  • a direct gear is a direct
  • hybrid drive train can be achieved by expanding and / or reduction of the transmission by arranging additional pairs of gears and / or clutches any number of gears, for example, 2, 3, 4, 5, 6, or more mechanical gears.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang (1) eines Fahrzeuges, welches ein Antriebssystem mit einer Verbrennungskraftmaschine (3) und einer ersten elektrische Zusatzantriebseinheit (8) sowie einem dem Antriebssystem nachgeordneten Getriebe zur steuerbaren Drehzahl- und Drehmomentverteilung der Antriebsleistung des Antriebssystems auf eine Abtriebswelle aufweist, wobei das Getriebe eine erste und eine zweite Schaltgetriebeeinheit (11, 21) und ein Planetenradgetriebe (5) mit vier Bauelementen, nämlich einem Planetenelement, einem Planetenträger, und zwei mit dem Planetenelement in Eingriff stehenden Zahnrädern aufweist und ferner die Verbrennungskraftmaschine (3) über einen direkten Leistungspfaddurch Überbrückung der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit (8) - über mehrere mechanische Gänge des ersten und/oder zweiten Schaltgetriebes mit der Abtriebswelle koppelbar ist, wobei dazu das erste Schaltgetriebe eine erste Kupplungseinrichtung (12) und das zweite Schaltgetriebe (21) eine zweite Kupplungseinrichtung (20) aufweist.

Description

HybridantriebsStrang für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Antriebssystem, mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit, sowie einem dem Antriebssystem nachgeordneten Getriebe zur steuerbaren Drehzahl- und Drehmomentverteilung der Antriebsleistung auf eine Abtriebswelle .
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen von derartigen Hybridantriebssträngen bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind durch einen hohen elektrischen Energiebedarf gekennzeichnet und benötigen Elektromotoren mit entsprechend hoher elektrischer Leistung. In der Folge ergibt sich ein schlechter Wirkungsgrad solcher Getriebesysteme . Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen
Hybridantriebsstrang zu entwickeln der sich durch eine bessere Effizienz und damit einen niedrigeren Treibstoffverbrauch auszeichnet .
Diese Aufgabe wird durch einen Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1 gelöst.
Nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann das Planetenradgetriebe in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden. Beispielsweise kann das Planetenradgetriebe einen Aufbau mit einem Sonnenrad, verschiedenen an einem Planetenträger angeordneten Planetenrädern und einem Hohlrad aufweisen. Nach einer anderen möglichen Ausführungsform könnte das Planetenradgetriebe beispielsweise zwei Sonnenräder oder zwei Hohlräder jeweils in Verbindung mit einem Planetenträger und so genannten Doppelplanetenräder aufweisen. Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Hybridantriebsstranges ermöglicht dieser in mehreren Betriebspunkten einen direkten mechanischen Durchtrieb der Verbrennungskraftmaschine zur Abtriebswelle bzw. zur anzutreibenden Achse. Da in solchen Betriebspunkten keine elektrische Leistungsverschiebung, d.h. keine Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, erfolgt, kann ähnlich wie in konventionellen, insbesondere rein mechanischen, Getrieben ein sehr guter Wirkungsgrad erzielt werden. Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Hybridantriebsstranges ermöglicht dieser durch eine entsprechende Steuerung des verwendeten Getriebes eine optimale Ausnutzung der Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine. Das Getriebe wird dabei so gesteuert, dass die Drehzahl des Getriebes und/oder die auf die Verbrennungskraftmaschine rückwirkende Last an die optimalen Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden.
Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstranges ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauches dadurch möglich, dass die Antriebssysteme in ihren optimalen bzw. zumindest optimierten Betriebspunkten betrieben werden, also in Betriebspunkten des Antriebssystems die einen guten Wirkungsgrad garantieren. Dabei richtet sich der optimale Betriebspunkt des Antriebssystems selbstverständlich nach den optimalen Betriebspunkten der Komponenten des Antriebssystems. Dabei wird beispielsweise im Stadtbetrieb eines Fahrzeuges der
Hybridantriebsstrang so betrieben, dass die Abtriebswelle entweder durch eine der elektrischen Zusatzantriebseinheiten des Antriebssystems, im Sinne eines elektrisches Fahrens, oder durch einen direkter Durchtrieb der Verbrennungskraftmaschine, im Sinne eines direkten, mechanischen Gangs, betrieben wird. Bei
Überlandfahrten dagegen, kann durch einen direkten Durchtrieb der Verbrennungskraftmaschine (direkter Gang) , gegebenenfalls ergänzt durch eine durch das Getriebe abgestimmte Lastpunktanhebung und/oder Lastpunktabsenkung und/oder eine Drehzahlanpassung, ein besonders effizienter Betrieb des Hybridantriebsstranges gewährleistet werden.
Nach einer weiteren besonderen Ausführungsform erweist sich der erfindungsgemäße Hybridantriebsstrang als besonders kostengünstig, da eine Anfahrkupplung entfallen kann.
Nach einer besonderen Ausführungsform des Hybridantriebsstrangs ist die Verbrennungskraftmaschine über den direkten Leistungspfad mit zumindest einer in der Reihenfolge der Gangstufen geraden Gangstufe des Getriebes drehfest und nicht trennbar mit der Verbrennungskraftmaschine, gegebenenfalls über ein Zweimassenschwungrad, verbunden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Hybridantriebsstrangs ist die Verbrennungskraftmaschine über den direkten Leistungspfad mit zumindest einer in der Reihenfolge der Gangstufen geraden Gangstufe des Getriebes ohne zwischengeschaltete Anfahrkupplung, insbesondere Reibkupplung, verbunden.
Nach einer besonderen Ausführungsform erweist sich der erfindungsgemäße Hybridantriebsstrang als besonders kostengünstig, da, durch die Verwendung von elektrischen Zusatzantriebseinheiten, ein kleinere Verbrennungskraftmaschine, also eine Verbrennungskraftmaschine mit Leistung verwendet werden kann. Durch diese Maßnahme kann das Gewicht des Antriebssystems weiter verringert werden.
Nach einer besonderen Ausführungsform erweist sich der erfindungsgemäße Hybridantriebsstrang als besonders kostengünstig, da die Funktion eines Starters und die Funktion eines Generators in das Getriebe integriert werden kann.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die erste und die zweite Schaltgetriebeeinheit unabhängig von einander betätigbar. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die erste Schaltgetriebeeinheit zum Schalten zwischen einer ersten Neutralstellung, einer ersten kurzen Getriebeübersetzung und einer ersten langen Getriebeübersetzung und die zweite Schaltgetriebeeinheit zum Schalten zwischen einer zweiten Neutralstellung, einer zweiten kurzen Getriebeübersetzung und einer zweiten langen Getriebeübersetzung eingerichtet.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das dritte Bauelement des Planetenradgetriebes einerseits mit der ersten kurzen und/oder ersten langen Getriebeübersetzung und andererseits mit der zweiten kurzen und/oder zweiten langen Getriebeübersetzung gekoppelt .
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die erste und/oder zweite Kupplungseinrichtung als formschlüssige Kupplungseinrichtung, insbesondere als Klauenkupplung, ausgeführt.
Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstranges erfolgt die Synchronisation der verschiedenen Gänge des Getriebes durch eine elektrische Zusatzantriebseinheit, insbesondere die erste elektrische Zusatzantriebseinheit. Durch diese Maßnahme können die Kupplungseinrichtungen als einfache Klauenkupplungen ausgeführt werden. Nach einer anderen Ausführungsform kann jedoch für eine oder mehrere der Kupplungseinrichtungen synchronisierte Kupplungen verwendet werden.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die erste elektrische Zusatzantriebseinheit wirkend mit einem ersten der beiden Zahnräder des Planetenradgetriebes, insbesondere dem Sonnenrad, die Verbrennungskraftmaschine wirkend mit dem Planetenträger des Planetenradgetriebe und die erste und die zweite Schaltgetriebeeinheit wirkend mit einem zweiten der beiden Zahnräder des Planetenradgetriebes, insbesondere dem Hohlrad verbunden.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist eine zweite elektrische Zusatzantriebseinheit vorgesehen, die über die erste und/oder zweite Schaltgetriebeeinheit mit dem Planetenradgetriebe und über einen direkten mechanischen Leistungspfad mit der Abtriebswelle verbunden ist.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist/sind die erste und/oder die zweite elektrische Zusatzantriebseinheit so eingerichtet ist, dass sie als Generator betrieben werden kann.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der direkte Leistungspfad der Verbrennungskraftmaschine durch Überbrückung des Planetenradgetriebes direkt mit dem ersten Schaltgetriebe verbunden.
Nach einer besonderen Ausführungsform ist die Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 13 gekennzeichnet. Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verbrennungskraftmaschine über den direkten Leistungspfad mit zumindest einer in der Reihenfolge der Gangstufen geraden Gangstufe des Getriebes drehfest und nicht trennbar mit der Verbrennungskraftmaschine, gegebenenfalls über ein Zweimassenschwungrad, verbunden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verbrennungskraftmaschine über den direkten Leistungspfad mit zumindest einer in der Reihenfolge der Gangstufen geraden Gangstufe des Getriebes ohne zwischengeschaltete Anfahrkupplung, insbesondere Reibkupplung, verbunden.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird über die erste elektrische Zusatzantriebseinheit und das dritte Bauelement ein zumindest teilweise über die Verbrennungskraftmaschine eingebrachtes Drehmoment zwischen mehreren über die Schaltgetriebe parallel eingelegten mechanischen Gängen verteilt.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt über die erste elektrische Zusatzantriebseinheit und das dritte Bauelement eine Synchronisation des ersten und oder zweiten Schaltgetriebes. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der direkte Leistungspfad in Abhängigkeit des gewählten mechanischen Ganges über das erste und/oder zweite Schaltgetriebe eingerichtet.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Verbrennungskraftmaschine direkt, das heißt unter Umgehung des Planetenradgetriebes, wirkend mit dem Eingangsglied der ersten Kupplungseinrichtung verbunden.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist/sind die erste und/oder die zweite Schaltgetriebeeinheit zum Schalten zwischen einer Neutralstellung, einer ersten Getriebeübersetzung und einer zweiten Getriebeübersetzung eingerichtet.
Der Erfindungsgegenstand ist nachfolgend in beispielhafter und nichteinschränkender Weise anhand mehrerer Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Funktionsskizze einer möglichen Anordnung des erfindungsgemäßes Hybridantriebsstranges
In Fig. 1 dargestellt ist eine bevorzugte Ausführungsform des Hybridantriebsstranges eines Fahrzeuges mit einem Antriebssystem 1, das eine in Querrichtung angeordnete Verbrennungskraftmaschine 3 aufweist. In diesem Zusammenhang sei angenommen, dass eine Abtriebswelle 2 parallel zur Antriebsachse des Fahrzeuges ausgerichtet ist und die Anordnung der Verbrennungskraftmaschine 3 in Querrichtung sich auf die Längsachse (nicht dargestellt) des Fahrzeuges bezieht. Die Verbrennungskraftmaschine 3 ist mittels einer Motorabtriebswelle 4 mit einem Planetenradgetriebe 5 in der Weise gekoppelt, dass die Motorabtriebswelle 4 mit dem Planetenträger 6 des Planetenradgetriebes 5 drehfest verbunden ist. Das Sonnenrad 7 des Planetenradgetriebes 5 ist mit einer ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 (EMI) verbunden, die als elektrischer Motor bzw. elektrischer Motor/Generator ausgebildet ist, und damit zur Abgabe mechanischer Leistung, insbesondere eines Drehmoments, als auch zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden kann. Das Hohlrad 9 des Planetenradgetriebes 5 ist über eine erste Getriebewelle 10 mit einer ersten
Schaltgetriebeeinheit 11 verbunden, welche eine erste Kupplungseinrichtung 12 aufweist. Die erste Kupplungseinrichtung 12 selbst ist in Form einer Klauenkupplung, mit einem ersten Eingangsglied 13, einem ersten kurz übersetzen Ausgangsglied 14 und einem ersten lang übersetzen Ausgangsglied 15 ausgeführt. Das erste Eingangsglied 13 weist dazu beispielsweise auf zwei Seiten entsprechende Klauen auf, wobei durch Verschieben des Eingangsgliedes 13 ein formschlüssiger Kontakt der Klauen auf dem Eingangsglied 13 mit den korrespondierenden Klauen an dem ersten kurz übersetzten Ausgangsglied 14 oder den korrespondierenden Klauen an dem ersten lang übersetzten Ausgangsglied 15 hergestellt werden kann. Ferner ist eine Neutralstellung 16 des Eingangsgliedes 14 zwischen den beiden ersten Ausgangsgliedern 14, 15 ohne die Herstellung eines formschlüssigen Kontaktes möglich, welche man im Übrigen in Fig. 1 dargestellt findet. Wie aus Fig. 1 ferner ersichtlich, ist die Motorabtriebswelle 4 mit dem ersten Eingangsglied 14 drehfest gekoppelt. Dagegen ist das erste kurz übersetzte Ausgangsglied 14 drehbar auf der Motorabtriebswelle 4 gelagert und das erste lang übersetzte Ausgangsglied 15 drehfest mit der ersten Getriebewelle 10 und über diese mit dem Hohlrad 9 des Planetenradgetriebes 5 verbunden. Das erste kurz übersetzte Ausgangsglied 14 und das erste lang übersetzte Ausgangsglied 15 sind jeweils als Zahnräder, insbesondere als Stirnräder, ausgebildet. Ferner ist ein weiteres erstes Zahnrad, insbesondere Stirnrad, 17 vorgesehen, das drehfest mit der ersten Getriebewelle 10 und über diese drehfest mit dem Hohlrad 9 des Planetenradgetriebes 5 verbunden ist.
An dem Planetenradgetriebe 5 sind nach anderen Ausführungsbeispielen unterschiedliche Anordnungen der Antriebs- bzw. Abtriebsglieder möglich. So ist nach einer anderen Ausführungsform beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine wirkend mit dem Hohlrad 9 und die erste Schaltgetriebeeinheit 11 über die erste Getriebewelle 10 mit dem Planetenträger 6 des Planetenradgetriebes 5 verbunden. Die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 wäre demnach wirkend mit dem Sonnenrad 7 des Planetenradgetriebes 5 gekoppelt.
Wie in Fig. 1 ersichtlich ist eine zweite Getriebewelle 18 vorgesehen, die drehfest mit einem zweiten Eingangsglied 19 einer zweiten Kupplungseinrichtung 20 einer zweiten Schaltgetriebeeinheit 21 verbunden ist. Die zweite Kupplungseinrichtung 20 ist ebenfalls in Form einer
Klauenkupplung ausgeführt und weist neben dem zweiten Eingangsglied 19 ein zweites lang übersetztes Ausgangsglied 22 und ein zweites kurz übersetztes Ausgangsglied 23 auf. Das zweite Eingangsglied 19 weist dazu auf zwei (beiden) Seiten entsprechende Klauen auf, womit durch Verschieben des zweiten Eingangsgliedes 19 ein formschlüssiger Kontakt mit den korrespondierenden Klauen an dem zweiten lang übersetzten Ausgangsglied 22 oder dem zweiten kurz übersetzten Ausgangsglied 23 hergestellt werden kann. Ferner ist eine Neutralstellung 24 des zweiten Eingangsgliedes 19 zwischen den beiden zweiten Ausgangsgliedern 22,23 ohne einen entsprechenden formschlüssigen Kontakt mit einem der beiden Ausgangsglieder möglich. Diese Neutralstellung 24 ist im Übrigen in Fig. 1 dargestellt . Wie aus Fig. 1 ferner ersichtlich, ist die zweite Getriebewelle 18 drehfest mit dem zweiten Eingangsglied 19 verbunden, während das zweite lang übersetzte Ausgangsglied 22 und das zweite kurz übersetzte Ausgangsglied 23 drehbar auf der zweiten Getriebewelle 18 gelagert sind. Das zweite lang übersetzte Ausgangsglied 22 und das zweite kurz übersetzte Ausgangsglied 23 sind jeweils als Zahnräder, insbesondere Stirnräder, ausgebildet. Ferner ist ein zweites Zahnrad 25, insbesondere Stirnrad, sowie ein drittes Zahnrad 26, insbesondere Stirnrad, vorgesehen, die beide drehfest mit der zweiten Getriebewelle 18 verbunden sind. Über das zweite Zahnrad 25 ist über ein viertes Zahnrad 27, insbesondere Stirnrad, und über eine dritte Getriebewelle 28 eine zweite elektrische Zusatzantriebseinheit 29 mit der zweiten Getriebewelle 18 gekoppelt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die zweite Getriebewelle 18 mit dem dritten Zahnrad 26 und einem fünften Zahnrad 30, insbesondere Stirnrad, mit der Abtriebswelle 2 verbunden. Die Abtriebswelle 2 ist beispielsweise, wie dargestellt, als Teil eines Differentials 31 ausgeführt.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Planetenradgetriebe ein Schwungrad, beispielsweise ein Zweimassenschwungrad, wie in der US 5,856,709 geoffenbart, vorgesehen sein.
Nachfolgend sind anhand einer Tabelle die verschiedenen Betriebsmodi des Hybridantriebsstranges nach Fig. 1 erläutert:
Wie Tabelle 1 im Detail erläutert, ermöglicht die Ausführung der Erfindung nach Fig. 1 neun verschiedene Betriebsmodi. In einem ersten Betriebsmodus ist das erste Eingangsglied 13 der ersten Kupplungseinrichtung 12 durch Ausrückung mit dem ersten kurz übersetzten Ausgangsglied 14 und das zweite Eingangsglied 19 der zweiten Kupplungseinrichtung 20 durch Ausrückung mit dem zweiten lang übersetzten Ausgangsglied 22 gekoppelt. In dem ersten Betriebsmodus sind nach einer Ausführungsform einer Ausgestaltung des Getriebes der zweite und der dritte Gang des Getriebes eingelegt. Durch entsprechende Wahl des Drehmomentes an der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 und Verteilung des Drehmomentes und/oder der Leistung über das Planetenradgetriebe 5 kann das Antriebsmoment beliebig zum 2. oder 3. Gang verschoben werden, wodurch ein Auslegen des jeweils unbelasteten Ganges möglich wird und das Getriebe entweder im 2. oder im 3. Gang betrieben werden kann. Diese Schaltstellung wird daher primär bei der Schaltung vom 2. auf den 3. Gang bzw. vom 3. auf den 2. Gang temporär auftreten. Im Unterschied zu einem rein mechanischen Doppelkupplungsgetriebe erfolgt in der dargestellten Ausführungsform durch eine kombinierte mechanische und elektrische Leistungsverzeigung keine Zugkraftunterbrechung beim Schalten zwischen den Gängen.
In dem ersten Betriebsmodus ist über den 2. Gang ein so genannter starrer mechanischen Durchtrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 zur Abtriebswelle 2 möglich, wodurch die Verlustleistungen minimiert werden und ein besonders effizienter Betrieb des
Hybridantriebsstranges möglich ist. Wird bei eingelegtem 2. Gang über die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 kein Stützmoment aufgebracht läuft der ebenfalls eingelegte 3. Gang im Getriebe lastfrei mit und verursacht keine nennenswerten Leistungsverluste. In dieser Konfiguration entspricht der erste Betriebsmodus funktionell dem zweiten Betriebsmodus (siehe nachfolgende Besprechung desselben) . Bei starrem Durchtrieb kann die volle Leistung der Verbrennungskraftmaschine mechanisch, also ohne elektrische Leistungsverzweigung, übertragen werden. Unter Leistungsverzweigung wird in diesem Zusammenhang insbesondere die Umwandlung eines Teiles der mechanischen Energie in elektrische Energie sowie eine darauf folgende Rückumwandlung zumindest eines Teiles dieser elektrischen Energie in mechanische Energie verstanden. Eine solche Rückwandlung kann dabei zeitversetzt beispielsweise durch Zwischenspeicherung der elektrischen Energie in einem Energiespeicher, insbesondere in einer Batterie, erfolgen. Im Zuge der elektrischen Leistungsverzweigung geht ein Teil der Antriebsenergie aus dem Antriebssystem, insbesondere durch Umwandlung in Wärmeenergie, verloren. In einem zweiten Betriebsmodus ist das erste Eingangsglied 13 der ersten Kupplungseinrichtung 12 durch entsprechende Ausrückung mit dem kurz übersetzten Ausgangsglied 14 gekoppelt und das zweite Eingangsglied 19 in seiner Neutralstellung 24 positioniert. Im zweiten Betriebsmodus wird das Getriebe auf diese Weise in dem 2. Gang betrieben. In dem zweiten Betriebsmodus weist der Hybridantriebsstrang einen so genannten starren mechanischen Durchtrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 zur Abtriebswelle 2 auf, wodurch keine elektrischen Verlustleistungen auftreten und damit ein besonders effizienter Betrieb des Hybridantriebsstranges möglich ist.
Nach einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei einem Wechsel von einer geraden zu einer ungeraden Gangstufe der ungerade Gang auf einfache und effiziente Weise synchronisiert werden. Beispielsweise kann ausgehend vom zweiten Betriebsmodus, also vom 2. Gang, über den ersten
Betriebsmodus der 3. Gang synchronisiert und nachfolgend eingelegt werden. Dazu wird durch die erste elektrische Zusatzantriebeinheit 8 zwischen dem zweiten lang übersetzten Ausgangsglied 22 und dem zweiten Eingangsglied 19 Drehzahlgleichheit hergestellt. Dabei prägt die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 über das
Planetenradgetriebe 5, die erste Getriebewelle 10 und das erste lang übersetzte Ausgangsglied 15, dem zweiten lang übersetzten Ausgangsglied 22 eine Drehzahl auf, die der aktuellen Drehzahl der zweiten Getriebewelle 18 entspricht. Nach dieser Synchronisation wird die zweite Kupplungseinrichtung 20 zwischen dem zweiten lang übersetzten Ausgangsglied 22 und dem zweiten Eingangsglied 19 geschlossen, wodurch ein Übergang in den ersten Betriebsmodus erfolgt. Durch Aufbau eines entsprechenden Drehmomentes an der elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 und eine Entlastung der ersten Kupplungseinrichtung kann der 2. Gang wiederum ohne
Zugkraftunterbrechung durch Ausrücken des ersten Eingangsglieds 13 in die Neutralstellung 16 der ersten Kupplungseinrichtung 12 ausgelegt werden. Damit erfolgt ein Übergang in einen vierten Betriebsmodus (vgl. auch die nachfolgenden Erläuterungen zum vierten Betriebsmodus) und ein Betrieb des Getriebes im 3. Gang.
In einem dritten Betriebsmodus des Getriebes sind entsprechend der Ausgestaltung des Getriebes gleichzeitig der zweite und der erste Gang des Getriebes eingelegt. Durch entsprechende Wahl des Drehmomentes an der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 kann das Antriebsmoment beliebig zum 2. oder 1. Gang verschoben werden, wodurch ein Auslegen des jeweils unbelasteten Ganges möglich wird. Der dritte Betriebsmodus wird primär beim Schalten zwischen dem 1. und dem 2. Gang auftreten. Im dritten Betriebsmodus ist ein direkter mechanischer Durchtrieb der Verbrennungskraftmaschine zum Abtrieb über den 2. Gang möglich.
In einem vierten Betriebsmodus befindet sich das erste Eingangsglied 13 in der Neutralstellung 16. Das zweite Eingangsglied 19 ist durch entsprechendes Ausrücken der zweiten Kupplungseinrichtung 20 mit dem zweiten lang übersetzten Ausgangsglied 22 gekoppelt. Hierdurch ist ein Fahren im 3. Gang des Getriebes möglich. Im vierten Betriebsmodus erfolgt die Übertragung der Leistung über eine Stützung durch die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8. Durch die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 kann auf diese Weise auch eine Anpassung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 3 auf die gewünschte Abtriebsdrehzahl des Antriebsstranges erfolgen. Nach einer besonderen Ausführungsform ergibt sich bei einer vorgegebenen Abtriebsdrehzahl über die geometrischen Zusammenhänge des gewählten Planetensatzes ein linearer Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und der ersten elektrischen
Zusatzantriebseinheit 8. Somit ist bei vorgegebener Abtriebsdrehzahl jeder Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine eine Drehzahl der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 zugeordnet. Die möglichen Drehzahlkombinationen werden einerseits durch Grenzdrehzahlen sowie andererseits durch die möglichen
Maximalleistungen der jeweiligen Antriebseinheiten begrenzt.
In einem fünften Betriebsmodus ist das erste Eingangsglied 13 in der Neutralstellung 16 und das zweite Eingangsglied 19 in seiner Neutralstellung 24 positioniert. In dem fünften Betriebsmodus sind ein elektrisches Fahren des Fahrzeuges bzw. ein elektrischer Betrieb des Hybridantriebsstranges und/oder der Betrieb des Getriebes als elektrischer Retourgang möglich. Der Antrieb erfolgt dazu über die zweite elektrische (Zusatz-) Antriebseinheit 29. Die Energie für den Betrieb der zweiten elektrischen Zusatzantriebseinheit, beispielsweise zum „rein" elektrischen Fahren wird aus einem Energiespeicher, insbesondere einer geeigneten Batterie (nicht dargestellt) bereitgestellt.
In einem sechsten Betriebsmodus befindet sich das erste Eingangsglied 13 in der Neutralstellung 16. Das zweite Eingangsglied 19 der zweiten Kupplungseinrichtung 20 ist durch entsprechendes Ausrücken mit dem zweiten kurz übersetzten Ausgangsglied 23 gekoppelt .
Nach einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist im sechsten Betriebsmodus ein Anfahren des Fahrzeuges ohne Kupplung möglich. Bei laufender Verbrennungskraftmaschine, stehendem Abtrieb sowie eingelegtem ersten Gang wird der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8, insbesondere der E- Motor/Generator Einheit (EMI) , eine Drehzahl aufgezwungen. Durch Abbremsen der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 (EMI), beispielsweise durch
Betreiben der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 (EMI) im Generatorbetrieb, steigt das Drehmoment an der ersten Getriebewelle 10 (Getriebeeingangswelle zum 1. Gang), wodurch ein Anfahren ohne Kupplung verwirklicht werden kann. Zur Erhöhung des Anfahrmomentes kann die zweite elektrische
Zusatzantriebseinheit 29 verwendet werden, die beispielsweise mit der an der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 gewonnenen elektrische Energie betrieben werden kann. Auf diese Weise kann ein zusätzliches, durch die zweite elektrische Zusatzantriebseinheit 29 erzeugtes, Antriebsmoment zum Anfahren des Fahrzeuges bereitgestellt werden. Dabei kann beispielsweise die von der elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 generatorisch erzeugte Energie der zweiten elektrischen Zusatzantriebseinheit 29 zugeführt werden. In dem sechsten Betriebsmodus ist entsprechend der Ausgestaltung des Getriebes der erste Gang des Getriebes eingelegt.
Nach einer Ausführungsform ist in dem sechsten Betriebsmodus durch die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 eine Anpassung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 3 möglich.
In einem siebten Betriebsmodus wird das erste Eingangsglied 13 der ersten Kupplungseinrichtung 12 durch entsprechende Ausrückung über das lang übersetzte Ausgangsglied 15 mit der Getriebewelle 10 gekoppelt, wobei der Planetensatz blockiert und die elektrische Zusatzantriebseinheit 8 direkt mit der Verbrennungskraftmaschine 3 gekoppelt wird. Ferner wird das zweite Eingangsglied 19 der zweiten Kupplungseinrichtung 20 durch entsprechende Ausrückung mit dem zweiten lang übersetzten Ausgangsglied 22 gekoppelt. In dem siebten Betriebsmodus weist der Hybridantriebsstrang einen so genannten starren Durchtrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 zur Abtriebswelle 2 im 3. Gang auf, wodurch die Verlustleistungen minimiert werden und ein besonders effizienter Betrieb des Hybridantriebsstranges möglich ist. In dem siebten Betriebsmodus ist entsprechend der Ausgestaltung des Getriebes der dritte Gang des Getriebes eingelegt, und ein starrer Durchtrieb im oberen Geschwindigkeitsbereich („Highway-Mode") verwirklicht.
In dem achten Betriebsmodus wird das erste Eingangsglied 13 der ersten Kupplungseinrichtung 12 durch entsprechende Ausrückung über lang übersetzte Ausgangsglied 15 mit der ersten Getriebewelle 10 gekoppelt, wobei der Planetensatz durch Verbinden von Hohlrad und Planetenträger blockiert und damit die elektrische
Zusatzantriebseinheit 8 direkt mit der Verbrennungskraftmaschine 3 gekoppelt wird. Ferner wird das zweite Eingangsglied 19 in seiner Neutralstellung 24 positioniert.
Im achten Betriebsmodus ist einerseits ein elektrisches Fahren durch die zweite elektrische Zusatzantriebseinheit 29 und/oder das Starten der Verbrennungskraftmaschine 3 und/oder die Erzeugung elektrischer Energie durch Zusammenwirken der Verbrennungskraftmaschine 3 und der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 und/oder die Verwirklichung eines elektrischen Retourganges möglich. Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zum Starten der Verbrennungskraftmaschine 3 das Planetenradgetriebe 5 verblockt bzw. blockiert, so dass die Verbrennungskraftmaschine durch die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 (EMI) gestartet werden kann. Dabei wird durch die Schaltstellung der ersten Kupplungseinrichtung 12 das Hohlrad 9 starr mit dem Planetenradträger 6 verbunden und der Planetensatz 5 damit blockiert. Nachfolgend wird die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 (EMI) auf Drehzahl gebracht, wobei die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 die Verbrennungskraftmaschine 3 dreht und startet.
Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Retour- oder Rückwärtsgang elektromotorisch durch die zweite elektrische Zusatzantriebseinheit 29 (EM2) ermöglicht. Dabei wird die zweite elektrische Zusatzantriebseinheit 29 mit der entsprechenden Drehrichtung motorisch betrieben. Die Energie für den Betrieb erfolgt entweder aus einem Energiespeicher oder bei verblockten Planetenradgetriebe 5 durch Betrieb der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 (EMI) als Generator über die Verbrennungskraftmaschine 3 angetrieben.
In einem neunten Betriebsmodus wird das erste Eingangsglied 13 der ersten Kupplungseinrichtung 12 durch entsprechende Ausrückung über das lang übersetzte Ausgangsglied 15 mit der ersten Getriebewelle 10 und das zweite Eingangsglied 19 der zweiten Kupplungseinrichtung 20 durch entsprechenden Ausrückung mit dem zweiten kurz übersetzten Ausgangsglied 23 gekoppelt. Damit wird der Planetensatz 5 durch Verbinden von Hohlrad und Planetenträger blockiert, d.h. die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 fix mit der Verbrennungskraftmaschine 8 gekoppelt. In dem neunten Betriebsmodus weist der Hybridantriebsstrang einen so genannten starren Durchtrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 zur Abtriebswelle 2 auf, wodurch die Verlustleistungen minimiert werden und ein besonders effizienter Betrieb des Hybridantriebsstranges möglich ist. In dem neunten Betriebsmodus ist entsprechend der Ausgestaltung des Getriebes der erste Gang des Getriebes eingelegt, und damit ein starrer Durchtrieb im unteren Geschwindigkeitsbereich („City-Mode") verwirklicht.
In verschiedenen Betriebsmodi ist durch die erste und/oder zweite elektrische Zusatzantriebseinheit 8,29 sowohl ein Boosten (Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine 3) als auch ein Rekuperieren, also ein Rückgewinnen von elektrischer Energie, falls zumindest eine der elektrischen Zusatzantriebseinheiten 8,29 als Generator betrieben wird, möglich. Solches Boosten oder Rekuperieren ist in allen Betriebsmodi abgesehen von dem fünften Betriebsmodus möglich .
Beim Boosten wird über die erste oder die zweite elektrische Antriebseinheit 8, 29 zusätzliches Drehmoment eingebracht. Über die zweite elektrische Zusatzantriebseinheit 29 kann dabei in allen 9 Betriebsmodi das zusätzliche Drehmoment eingespeist werden. Über die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 ist das nur möglich, wenn der Planetensatz 5 geschlossen ist, also 2 Glieder des Planetensatzes verbunden sind, andernfalls wird, abgesehen von Betriebmodi mit einem direkten mechanischen Durchtrieb, die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 zum Stützen der
Verbrennungskraftmaschine 3 benötigt. Beim Rekuperieren wird die erste und/oder zweite elektrische Antriebseinheit 8, 29 über die Verbrennungskraftmaschine 3 angetrieben.
Nach einer besonderen Ausführungsform des Hybridantriebsstranges sind beispielsweise die Drehzahlen der ersten elektrischen
Zusatzantriebseinheit 8 und der Verbrennungskraftmaschine 3 über die gewählte Schaltposition bzw. den gewählten Gang und die Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeuges vorgegeben. Dadurch folgt, dass die Leistung der elektrischen Zusatzantriebseinheit 8, in Abhängigkeit der geforderten Leistung der Verbrennungskraftmaschine 3, ebenfalls vorgegeben ist und die elektrische
Zusatzantriebseinheit 8 in diesem Gang bzw. Betriebsmodus nicht beliebig zum Boosten und/oder Rekuperieren des Drehmomentes bzw. der Leistung verwendet werden kann. Damit wird, wie oben beschrieben, anhängig vom Fahrzustand eine vorgegebene Leistung von der elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 motorisch aufgenommen oder generatorisch abgegeben und damit entweder der zweiten elektrischen Zusatzantriebseinheit 29 („elektrischer Leistungspfad") oder einem elektrischen Energiespeicher (nicht dargestellt) , insbesondere einer Batterie, entzogen und/oder zugeführt.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der erfindungsgemäße Hybridantriebsstrang einen Planetentrieb 5 mit einem am Sonnenrad 7 des Plantetentriebes angeordneten Elektromotor 8 auf, wobei der Elektromotor als Anfahrelement und/oder zum Synchronisieren der Schaltgetriebeeinheiten 11,21 des Hybridantriebsstranges, insbesondere der verschiedenen Gangstufen der Schaltgetriebeeinheiten 11,21 und/oder zur Variation/Anpassung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 3 bei bestimmten Gängen, insbesondere bei ungeraden Gängen, verwendet werden kann.
Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Getriebestruktur des Hybridantriebsstranges zwei unabhängige Lastpfade auf. Damit ist eine Schaltung ohne Zugkraftunterbrechung möglich. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die zweite elektrische Zusatzantriebseinheit 29 drehfest mit dem Abtrieb verbunden. Eine Anordnung wie in Fig. 1 dargestellt, erscheint bezüglich Übersetzung, insbesondere hinsichtlich der Baugröße des Hybridantriebsstranges und der verwendeten Elektromotoren günstig. Mit der dargestellten Ausführung sind zudem ein elektrisches Fahren, ein Rekuperieren von elektrischer Energie sowie ein Boosten, also eine Drehmomenterhöhung durch den unterstützenden Betrieb des E- Motors, zusätzlich zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 3.
Nach einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes kann bei einem Übersetzungswechsel ausgehend von einer ungeraden in eine gerade Gangstufe durch die, insbesondere erste, elektrische Zusatzantriebseinheit 8 eine Synchronisation der Gangstufen erfolgen. Beispielsweise kann ausgehend vom 1. oder 3. Gang des Getriebes der 2. Gang durch die erste elektrische Zusatzantriebseinheit 8 synchronisiert werden. Dazu wird an der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 eine entsprechende Drehzahl eingestellt, die gewährleistet, dass an der ersten Kupplungseinrichtung 12 eine Drehzahlgleichheit herrscht. Bei Drehzahlgleichheit kann auf diese Weise der 2. Gang zusätzlich zum aktuellen Gang eingelegt werden. Nach Einregeln des entsprechenden Momentes an der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit 8 kann dann ohne Zugkraftunterbrechung in den 2. Gang gewechselt und der zusätzlich eingelegte ungerade Gang ausgelegt werden. Nach einer besonderen Ausführungsform des vorliegenden Erfindungsgegenstandes ist ein direkter
Verbrennungskraftmaschinenbetrieb vorgesehen. Dazu stehen 3 direkte Fahrstufen zur Verfügung, in welchen eine direkte Koppelung der Abtriebswelle 2 mit der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet ist. Durch entsprechende Wahl der Übersetzungen kann damit für relevante Geschwindigkeitsbereiche der optimale Wirkungsgrad eines konventionellen Antriebsstranges genutzt werden. Der
Verbrauchsnachteil konventioneller Hybridantriebsstränge, die einen hohen Anteil von elektrischen Verlustleistungen aufweisen, entfällt somit.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Hybridantriebsstranges kann durch Erweiterung und/oder Reduktion des Getriebes durch Anordnung zusätzlicher Zahnradpaare und/oder Schaltkupplungen eine beliebige Gangzahl, mit beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, oder mehr mechanischen Gängen, verwirklicht werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Hybridantriebsstrang eines Fahrzeuges, welches ein Antriebssystem mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer ersten elektrische Zusatzantriebseinheit sowie einem dem Antriebssystem nachgeordneten Getriebe zur steuerbaren Drehzahl- und
Drehmomentverteilung der Antriebsleistung des Antriebssystems auf eine Abtriebswelle aufweist, wobei das Getriebe eine Reihenfolge von mehreren einlegbaren und/oder herausnehmbaren Gangstufen mit abgestufter und zunehmender Übersetzung mit einer ersten und einer zweiten Schaltgetriebeeinheit sowie ein Planetenradgetriebe mit vier Bauelementen, nämlich einem Planetenelement, einem Planetenträger, und zwei mit dem Planetenelement in Eingriff stehenden, vorzugsweise koaxialen, Zahnrädern, insbesondere einem Hohlrad und einem Sonnenrad, aufweist, wobei ein erstes der drei Bauelemente wirkend mit der Verbrennungskraftmaschine, ein zweites der drei Bauelemente wirkend mit der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit und ein drittes der drei Bauelemente wirkend mit der ersten und/oder der zweiten Schaltgetriebeneinheit verbunden ist und ferner die Verbrennungskraftmaschine über einen direkten Leistungspfad - durch Überbrückung der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit
- über mehrere mechanische Gänge des ersten und/oder zweiten Schaltgetriebes mit der Abtriebswelle koppelbar ist, wobei dazu das erste Schaltgetriebe eine erste Kupplungseinrichtung und das zweite Schaltgetriebe eine zweite Kupplungseinrichtung aufweist und die Verbrennungskraftmaschine zum Anfahren des Fahrzeuges über einen Abtrieb des Planetenradgetriebes, welcher eine variable Übersetzung und/oder Untersetzung aufweist, mit der ersten Gangstufe verbunden ist.
2. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine über den direkten Leistungspfad mit zumindest einer in der Reihenfolge der Gangstufen geraden Gangstufe des Getriebes
- drehfest und nicht trennbar mit der Verbrennungskraftmaschine, gegebenenfalls über ein Zweimassenschwungrad, und/oder
- ohne zwischengeschaltete Anfahrkupplung, insbesondere Reibkupplung, verbunden ist.
3. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schaltgetriebeeinheit unabhängig von einander betätigbar sind.
4. Hybridantriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltgetriebeeinheit zum Schalten zwischen einer ersten Neutralstellung, einer ersten kurzen Getriebeübersetzung und einer ersten langen Getriebeübersetzung und die zweite Schaltgetriebeeinheit zum Schalten zwischen einer zweiten Neutralstellung, einer zweiten kurzen Getriebeübersetzung und einer zweiten langen Getriebeübersetzung eingerichtet ist.
5. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauelement des Planetenradgetriebes einerseits mit der ersten kurzen und/oder ersten langen Getriebeübersetzung und andererseits mit der zweiten kurzen und/oder zweiten langen Getriebeübersetzung gekoppelt ist.
6. Hybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Kupplungseinrichtung als formschlüssige Kupplungseinrichtung, insbesondere als Klauenkupplung, ausgeführt ist.
7. Hybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Zusatzantriebseinheit wirkend mit einem ersten der beiden Zahnräder des Planetenradgetriebes, insbesondere dem Sonnenrad, die Verbrennungskraftmaschine wirkend mit dem Planetenträger des Planetenradgetriebe und die erste und die zweite
Schaltgetriebeeinheit wirkend mit einem zweiten der beiden Zahnräder des Planetenradgetriebes, insbesondere dem Hohlrad verbunden ist.
8. Hybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantriebsstrang eine zweite elektrische Zusatzantriebseinheit aufweist, wodurch neben dem mechanischen Leistungspfad ein zweiter, elektrischer, Leistungspfad entsteht.
9. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Zusatzantriebseinheit über die erste und/oder zweite Schaltgetriebeeinheit mit dem Planetenradgetriebe und über einen direkten mechanischen Leistungspfad mit der Abtriebswelle verbunden ist.
10. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische
Zusatzantriebseinheit so eingerichtet ist, dass sie als Motor und/oder Generator betrieben werden kann.
11. Hybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Zusatzantriebseinheit so eingerichtet ist, dass sie als Motor und/oder Generator betrieben werden kann.
12. Hybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der direkte Leistungspfad der
Verbrennungskraftmaschine durch Überbrückung des Planetenradgetriebes direkt mit dem ersten Schaltgetriebe verbunden ist.
13. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebsstranges eines Fahrzeuges mit einem Antriebssystem, welches eine
Verbrennungskraftmaschine und eine erste elektrische Zusatzantriebseinheit aufweist, und einem dem Antriebssystem nachgeordneten Getriebe zur steuerbaren Drehzahl- und Drehmomentverteilung der Antriebsleistung auf eine Abtriebswelle, wobei das Getriebe eine Reihenfolge von mehreren einlegbaren und/oder herausnehmbaren Gangstufen mit abgestufter und zunehmender Übersetzung mit einer ersten und einer zweiten Schaltgetriebeeinheit und ein Planetenradgetriebe mit vier Bauelementen, nämlich einem Planetenelement, einen Planetenträger, und zwei mit den Planetenelement in Eingriff stehenden, vorzugsweise koaxialen, Zahnrädern, insbesondere einem Hohlrad und einem Sonnenrad, aufweist, und ein erstes der drei Bauelemente wirkend mit der Verbrennungskraftmaschine, ein zweites der drei Bauelemente wirkend mit der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit und ein drittes der drei Bauelemente wirkend mit der ersten und/oder der zweiten der beiden Schaltgetriebeeinheiten verbunden wird und ferner die Verbrennungskraftmaschine über einen direkten Leistungspfad - durch Überbrückung der ersten elektrischen Zusatzantriebseinheit - über das erste und das zweite Schaltgetriebe mit der Abtriebswelle gekoppelt wird, wobei das erste Schaltgetriebe eine erste Kupplungseinrichtung und das zweite Schaltgetriebe eine zweite Kupplungseinrichtung aufweist, so dass ein direkter mechanischer Durchtrieb der Verbrennungskraftmaschine über das erste und/oder das zweite Schaltgetriebe in mehreren mechanischen Gängen möglich ist und die Verbrennungskraftmaschine zum Anfahren des Fahrzeuges über einen Abtrieb des Planetenradgetriebes, welcher eine variable Übersetzung und/oder Untersetzung aufweist, mit der ersten Gangstufe verbunden wird.
14. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebsstranges nach Anspruch 13, wobei die Verbrennungskraftmaschine in zumindest einem Betriebszustand über den direkten Leistungspfad mit zumindest einer in der Reihenfolge der Gangstufen geraden
Gangstufe des Getriebes ohne zwischengeschaltete Anfahrkupplung, insbesondere Reibkupplung, verbunden wird.
15. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebsstranges nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass über die erste elektrische Zusatzantriebseinheit und das dritte Bauelement ein zumindest teilweise über die Verbrennungskraftmaschine eingebrachtes Drehmoment zwischen mehreren über die Schaltgetriebe parallel eingelegten mechanischen Gängen verteilt wird.
16. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebsstranges nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass über die erste elektrische Zusatzantriebseinheit und das dritte Bauelement eine Synchronisation des ersten und oder zweiten Schaltgetriebes erfolgt.
17. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebsstranges nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite elektrische Zusatzantriebseinheit vorgesehen ist, die in zumindest einem Betriebszustand des Hybridantriebsstranges als Generator und/oder Zusatzantrieb wirksam wird.
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