Getriebe mit integrierter E- Maschine

Obwohl E-Maschinen eine ideale Lieferkennlinie aufweisen und ihr Wirkungsgrad gegenüber Verbrennungsmotoren sehr hoch ist, sind auch bei ihnen Übersetzungen sinnvoll bzw. manchmal auch notwendig. So gibt es bei E-Maschinen, analog zu den Verbrennungsmotoren, Drehzahlgrenzen und Betriebsbereiche mit einem verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad (Bild Hyx3).

Für Hybridgetriebe ergeben sich demzufolge Anforderungen bezüglich:

• Leistungsaufteilung und -zusammenführung
• Betriebspunktanpassung an den Verbrennungsmotor
• Betriebspunktanpassung an die E-Maschine(n)
• rein mechanischem Leistungszweig (vom Verbrennungsmotor bis zum Rad)
• rein elektrischem Leistungszweig (von der E-Maschine bis zum Rad)
• Start des Verbrennungsmotors über die E-Maschine
• Rückwärtsgang.

Für eine Lösung steht das gesamte Spektrum der Getriebebauarten zur Verfügung, jedoch eignen sich insbesondere Konzepte mit Planetenradgetrieben, weil sie ohne Zugkraftunterbrechung geschaltet werden können und sie zudem 2 Freiheitsgrade bieten.
In Verbindung mit E-Maschinen werden diese Getriebe auch ECVT (Electronically controlled Continuously Variable Transmission) genannt.
Im Folgenden sind in aufsteigender Komplexität verschiedene Getriebelösungen dargestellt. In Bild Hyx4 ist das System THS (Toyota Hybrid System ) abgebildet. Die beiden E-Maschinen und der Verbrennungsmotor sind über einen Planetenradsatz miteinander verbunden, nämlich der Verbrennungsmotor mit dem Planetenträger, die eine E-Maschine mit dem Sonnenrad und der Abtrieb sowie die zweite E-Maschine mit dem Hohlrad. Bei dieser Anordnung wird immer ein Teil der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische umgewandelt, da sich der Verbrennungsmotor über das Sonnenrad abstützt. Diese Leistung kann mit den entsprechenden Wechselverlusten von der zweiten E-Maschine wieder hinzugefügt werden. Bei konstanter Fahrt oder auch maximaler Leistung führt dies zu Wirkungsgradverlusten.

Ein weiteres Hybridgetriebekonzept ist das Dualdrive von der Firma Nexxtdrive. Es handelt sich dabei um eine Kombination aus verschiedenen Planetenradsätzen und zwei E-Maschinen (Bild Hyx5, Bild Hyx6). Der Verbrennungsmotor treibt den Planetenträger an, auf dessen drei Achsen sich jeweils drei Zahnräder befinden. Die eine E-Maschine ist direkt über ein Sonnenrad mit einer 3er Gruppe gekoppelt, die zweite E-Maschine ist über ein weiteres Sonnenrad und einer zusätzlichen Übersetzung verbunden [2]. Diese unterschiedlichen Übersetzungen haben den Vorteil, dass die E-Maschine drehzahlstark und die andere drehmomentenstark ausgelegt werden kann. Der Abtrieb erfolgt über das dritte Planetentrio und einem Sonnenrad.

In Bild Hyx7 ist eine Weiterentwicklung des THS für den Lexus GS450h abgebildet. Gegenüber dem zuvor beschriebenen Planetenradsatz ist nun ein Ravigneaux-Satz (bestimmte Kombination zweier Planetenradsätze) zwischen dem Elektromotor und der Abtriebswelle geschaltet. Folglich kann die Leistung des E-Motors mit zwei verschiedenen Übersetzungen (hier: Untersetzung 1,9 und 3,9) und somit mit einem besseren Wirkungsgrad eingekoppelt werden. Das Schalten erfolgt mittels der beiden Kupplungen K1 und K2. Auch bei diesem Getriebe wird immer ein Teil der mechanischen Leistung in elektrische umgewandelt.

Dieser Nachteil wird u. a. vom Two-Mode Getriebe (entwickelt von GM-DC-BMW) umgangen. Neben dem kombinierten Betrieb mit verschiedenen Übersetzungen ist darüber hinaus sowohl der rein elektrische Antrieb als auch der direkte, mechanische Durchtrieb des Verbrennungsmotors möglich. Das Schema des Two-Mode Getriebes ist in Bild Hyx8 dargestellt. Ein Schnitt durch das Getriebe zeigt Bild Hyx9.

Die aufgeführten Beispiele verdeutlichen das breite Spektrum an Lösungsansätzen. Ebenfalls denkbar ist die Kombination zweier CVT-Getriebe, um sowohl den Verbrennungsmotor als auch die E-Maschine immer im Bestpunkt zu betreiben. Der Komplexität des Getriebes sind jedoch insofern Grenzen gesetzt, als dass der Nutzen in Form eines günstigeren Betriebspunktes größer sein muss als der eventuelle Wirkungsgradverlust des Getriebes.




[1] Toyota
[2] F. Möller, W. Vocht,"DualDrive® E-CVT Getriebe- Ein innovatives E-CVT Getriebe – nicht nur für den Einsatz im Hybrid-Fahrzeug",5. Internationales CTI Symposium Innovative Fahrzeug-Getriebe, Berlin, 2006
[3] G. Killmann: "Toyota Hybrid Vehicles, Technology Evolution from 1997 to 2007", Hybrid Drivetrains and Transmissions”, 4th Symposium Hybrid Vehicles and Energy Management, Braunschweig, 2007
[4] B. Kaehler, K. Kersting, M. Brouwer, T. Christ: "Entwicklungskriterien, Analysemethoden und Beurteilung von leistungsverzweigten Hybridgetrieben, am Beispiel eines Two–Mode Hybridantriebs", 16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, Aachen, 2007