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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einem Energiespeicher, einer elektrischen Maschine und einer Leistungselektronik zwischen dem Energiespeicher und der elektrischen Maschine.
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Elektrische Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge sind vorzugsweise als rein elektrische Antriebssysteme oder als Hybridantriebe ausgebildet. So handelt es sich bei einem Hybridfahrzeug um ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben. Energiewandler sind beispielsweise Elektro-, Otto- und Dieselmotoren, Energiespeicher sind beispielsweise Batterie oder Kraftstofftank. Auch andere Kombinationen sind möglich, beispielsweise die Ausführung des Energiespeichers als Schwungradspeicher.
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Den Systemkomponenten des elektrischen Antriebssystems für das Fahrzeug kommen unterschiedliche Funktionen zu: Die elektrische Maschine hat zwei Funktionen. Als Motor treibt sie das Fahrzeug elektrisch an. Als Generator hilft sie die Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die Leistungselektronik ist das Bindeglied zwischen dem Energiespeicher und der elektrischen Maschine. Die Leistungselektronik wandelt die Gleichspannung des Energiespeichers in die Wechselspannung, die zum Betrieb der elektrischen Maschine gebraucht wird, um. Der Energiespeicher versorgt die elektrische Maschine beim elektrischen Fahren mit elektrischer Energie. Bei einem Hybridfahrzeug wird beim Fahren mit dem Verbrennungsmotor und beim regenerativen Bremsen Energie im Energiespeicher gespeichert. Ist der Energiespeicher als Batterie, insbesondere Hochvoltbatterie ausgebildet, versorgt die Batterie die elektrische Maschine beim elektrischen Fahren mit elektrischer Energie. Beim Fahren mit Verbrennungsmotor und beim regenerativen Bremsen wird die Batterie von der elektrischen Maschine aufgeladen.
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Die Leistungselektronik umfasst insbesondere Leistungsstellglieder, wie Umrichter, Stromrichter und/oder Wandler.
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Bei bekannten elektrischen Antriebssystemen ist die Leistungselektronik an einem anderen Ort unterbracht, als die elektrische Maschine, und ist mit dieser verkabelt. Ein Positionssensor zur Erfassung der Rotorlage der elektrischen Maschine ist in der elektrischen Maschine gelagert und es wird vom Positionssensor die erfasste Rotorlage einer Auswerteeinheit übermittelt.
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Die separate Anordnung von Leistungselektronik und elektrischer Maschine und deren erforderliche Verkabelung ist unter dem Aspekt der elektromagnetischen Verträglichkeit nachteilig und bedingt überdies ein erhöhtes Gewicht der Anordnung. Überdies bedingt die Lagerung des Positionssensors in der elektrischen Maschine einen erhöhten Verkabelungs- und Bauaufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Energiespeicher, eine elektrische Maschine und eine Leistungselektronik zwischen Energiespeicher und elektrischer Maschine aufweist, so weiter zu bilden, dass das Antriebssystem im Bereich von Leistungselektronik und elektrischer Maschine sowie deren elektrischer Verbindung eine besonders gute elektromagnetische Verträglichkeit besitzt und sich zudem durch ein geringes Gewicht auszeichnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug vor, mit einem Energiespeicher, einer elektrischen Maschine und einer Leistungselektronik zwischen Energiespeicher und elektrischer Maschine, wobei die Leistungselektronik eine Baueinheit bildet und die Baueinheit an der elektrischen Maschine befestigt ist, sowie die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Maschine unmittelbar mit den maschinenseitigen Anschlüssen der Leistungselektronik verbunden sind.
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Bei dem elektrischen Antriebssystem ist somit die Leistungselektronik-Baueinheit direkt an der elektrischen Maschine befestigt. Des Weiteren sind die elektrischen Anschlüsse von elektrischer Maschine und Leistungselektronik unmittelbar miteinander verbunden, so dass keine Verkabelung erforderlich ist. Hierdurch lässt sich das Gewicht des Antriebssystems in diesem Bereich reduzieren und es weist das Antriebssystem in diesem Bereich eine besonderes gute elektromagnetische Verträglichkeit auf, insbesondere weil allenfalls eine geringe Störung im Stromübergang von der Leistungselektronik zur elektrischen Maschine wegen deren unmittelbaren Anschlüssen zu verzeichnen ist.
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Bei dem Energiespeicher handelt es sich insbesondere um eine Hochvoltbatterie. Diese ist vorzugsweise für hohe Spannungen bis zu 600 V und für hohe Ströme geeignet.
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Das elektrische Antriebssystem findet insbesondere Verwendung bei einem Hybridfahrzeug, das neben der elektrischen Maschine mit einem Otto- oder Dieselmotor ausgestattet ist.
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Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Maschine als Kontakte ausgebildet sind, die bei mit der elektrischen Maschine verbundener Leistungselektronik-Baueinheit Gegenkontakte der Leistungselektronik kontaktieren. Beim Anbringen der Leistungselektronik-Baueinheit an der elektrischen Maschine kontaktieren die Kontakte die Gegenkontakte. Somit ist eine besonders einfache mechanische und elektrische Verbindung von Leistungselektronik-Baueinheit und elektrischer Maschine möglich. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Kontakte bzw. Gegenkontakte als Steckkontakt ausgebildet sind. Beim mechanischen Verbinden von Leistungselektronik-Baueinheit und elektrischer Maschine werden demzufolge die Kontakte und die Gegenkontakte zusammengesteckt.
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Die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Maschine sind insbesondere in radialem Abstand zur Rotationsachse eines Rotors der elektrischen Maschine angeordnet. Hierdurch verbleibt Platz für andere elektrische oder elektronische Bauteile im Bereich der Rotationsachse des Rotors, die im Zusammenhang mit der elektrischen Maschine Verwendung finden können.
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Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in die Baueinheit ein Positionssensor zum Erfassen der Winkellage des Rotors der elektrischen Maschine integriert ist. Dieser Positionssensor ist vorteilhaft in der Verlängerung der Rotationsachse des Rotors der elektrischen Maschine angeordnet. Bei Integrierung des Positionssensors in die Leistungselektronik-Baueinheit ist es nicht erforderlich, den Positionssensor als Bestandteil der elektrischen Maschine auszubilden. Der Positionssensor ist Bestandteil der Leistungselektronik-Baueinheit und benachbart dem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet. Durch diese Anordnung des Positionssensors in der Leistungselektronik-Baueinheit ist gleichfalls keine weitere Verkabelung des Positionssensors erforderlich, mit der Konsequenz, dass die Anordnung in diesem Bereich eine besonders gute elektromagnetische Verträglichkeit besitzt und sich durch ein geringes Gewicht auszeichnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Gestaltung ist die Baueinheit auf der Seite der elektrischen Maschine angeordnet, die der Seite der elektrischen Maschine abgewandt ist, im Bereich derer die Rotorwelle der elektrischen Maschine aus einem Gehäuse der elektrischen Maschine herausgeführt ist. Die Leistungselektronik-Baueinheit ist somit hinten an der elektrischen Maschine befestigt, auf der der Ausgangsseite der elektrischen Maschine abgewandten Seite. Dort ist ausreichend Platz zum Anbringen der Baueinheit und überdies ein funktionell besonders günstiger Ort gewählt. Insbesondere liegt die Baueinheit im Bereich einer Stirnseite der elektrischen Maschine an dieser an. Diese Stirnseite ist insbesondere senkrecht zur Rotationsachse des Rotors der elektrischen Maschine angeordnet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Gestaltung ist die Baueinheit radial außen an der elektrischen Maschine angeordnet, somit nicht in Längserstreckung der elektrischen Maschine.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Leistungselektronik-Baueinheit und/oder die elektrische Maschine jeweils ein Gehäuse mit rotationssymmetrischer Außenkontur aufweist. Insbesondere sind die Außendurchmesser von Gehäuse der Baueinheit und Gehäuse der elektrischen Maschine gleich. Demzufolge stellt sich die Anordnung von Leistungselektronik-Baueinheit und elektrischer Maschine als homogener, langer, zylinderförmiger Körper dar. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Leistungselektronik-Baueinheit und die elektrische Maschine in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Der besondere Vorteil dieser Gestaltung ist darin zu sehen, dass die Einheit aus Leistungselektronik-Baueinheit und elektrischer Maschine einfach und schnell montiert werden kann, und überdies als Gesamteinheit, zwecks optimaler Integration in den Gesamtherstellungsprozess des elektrischen Antriebssystems, besonders gut handhabbar und transportierbar ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung und der Zeichnung selbst.
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Das Antriebssystem weist vorzugsweise eine Portalachse auf, die zwei elektrische Maschinen zum Antreiben von Rädern einer Achse, insbesondere einer Vorderachse oder einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs aufnimmt. Jede Achse kann hierbei als Portalachse ausgebildet sein. Hierbei sind die beiden elektrischen Maschinen beispielsweise hintereinander angeordnet, wobei sich deren Rotoren um dieselbe Achse drehen. In diesem Fall lassen sich die elektrischen Maschinen in demselben Gehäuse unterbringen. Dies vereinfacht die Gestaltung der Portalachse erheblich. Eine andere bevorzugte Gestaltung sieht vor, dass die Rotationsachsen der beiden elektrischen Maschinen parallel nebeneinander angeordnet sind. Bei ausreichend großem Abstand der Rotationsachsen lassen sich die, Bestandteile der Portalachse bildenden beiden elektrischen Maschinen überlappend nebeneinander anordnen. In diesem Fall ist die Portalachse geteilt ausgebildet. Die Anordnung der Rotationsachsen der elektrischen Maschinen nebeneinander hat den Vorteil, dass aufgrund der Möglichkeit, die elektrischen Maschinen überlappend anzuordnen, eine Variation der Baulänge der elektrischen Maschinen ohne weiteres möglich ist. Die jeweilige elektrische Maschine kann sich somit über eine Baulänge erstrecken, die wesentlich größer ist als diejenige von zwei elektrischen Maschinen mit gemeinsamer Rotationsachse. Da die Länge der elektrischen Maschinen veränderbar ist, ist demzufolge auch deren Leistung skalierbar. Die Rotationsachsen sind insbesondere, bezogen auf eine Horizontale, nebeneinander angeordnet.
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Das elektrische Antriebssystem ist stark vereinfacht und nur für den Bereich der Leistungselektronik und der elektrischen Maschine in der Zeichnung dargestellt und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine Seitenansicht von Leistungselektronik und elektrischer Maschine, mit zusätzlich veranschaulichten, im Inneren der Anordnung befindlichen Elementen, nämlich Wicklungsanschlüssen und Positionssensor,
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2 eine Stirnansicht der Leistungselektronik, von der elektrischen Maschine her gesehen,
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3 ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges für den Bereich der als Portalachse ausgebildeten Vorderachse, in Längsrichtung des Fahrzeuges gesehen,
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4 in einer Draufsicht ein gegenüber der Ausführungsform nach der 3 modifiziertes Fahrwerk mit nebeneinander angeordneten elektrischen Maschinen, in einer Draufsicht.
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1 zeigt eine zylindrisch gestalte elektrische Maschine 1 und eine zylindrisch gestaltete Leistungselektronik-Baueinheit 2, die miteinander verbunden sind. Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 3 und die Leistungselektronik-Baueinheit 2 ein Gehäuse 4 auf. Die Außendurchmesser der Gehäuse 3 und 4 sind identisch. Die Gehäuse 3 und 4 sind rotationssymmetrisch zur veranschaulichten Achse 5 angeordnet. Die Trennebene 6 zwischen elektrischer Maschine 1 und Leistungselektronik-Baueinheit 2 ist somit als Kreisscheibe ausgebildet. Im konkreten Fall sind das Gehäuse 3 und das Gehäuse 4 ein Teil, womit dieses eine Gehäuse einerseits die Leistungselektronik-Baueinheit 2, andererseits die elektrische Maschine 1 aufnimmt. Die elektrische Maschine 1 und die Leistungselektronik-Baueinheit 2 sind somit mechanisch miteinander verbunden. Die elektrische Verbindung von elektrischer Maschine 1 und Leistungselektronik-Baueinheit 2 erfolgt mittels Kontakten bzw. Gegenkontakten, die als Steckkontakte ausgebildet sind, so dass die Kontaktierung beim Annähern der elektrischen Maschine 1 und der Leistungselektronik-Baueinheit 2 zum Zwecke deren mechanische Verbindung erfolgt. Im Detail weist die elektrische Maschine 1 drei Anschlüsse 7 an die Wicklungen der elektrischen Maschine 1 auf, wobei diese Anschlüsse 7 als Stecker ausgebildet sind und es weist die Leistungselektronik-Baueinheit 2 entsprechend drei Gegenkontakte auf, die als Steckeraufnahmen 8 ausgebildet sind, wie es insbesondere der Darstellung der 2 zu entnehmen ist. Demzufolge sind die elektrischen Anschlüsse 7 der elektrischen Maschine 1 unmittelbar mit den der elektrischen Maschine 1 zugewandten Anschlüssen 8 der Leistungselektronik verbunden.
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Nicht veranschaulicht ist ein Rotor der elektrischen Maschine 1. Mit der Bezugsziffer 9 ist die aus dem Gehäuse 3 der elektrischen Maschine 1 ragende Rotorwelle bezeichnet, die kraftschlüssig mit dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges, das insbesondere als Hybridfahrzeug ausgebildet ist, verbindbar ist. Mit der Bezugsziffer 10 ist eine elektrische Leitung bezeichnet, die die Leistungselektronik-Baueinheit 2 mit einem Energiespeicher, der insbesondere als Hochvoltbatterie ausgebildet ist, verbindet.
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In der Verlängerung der Achse 5 der Anordnung von elektrischer Maschine 1 und Leistungselektronik-Baueinheit 2 ist in die Leistungselektronik-Baueinheit 2 ein Positionssensor 11 zum Erfassen der Winkellage des Rotors der elektrischen Maschine 1 integriert. Mit diesem lässt sich die Rotorlage erfassen.
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Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem ist somit keine Verkabelung zwischen elektrischer Maschine 1 und Leistungselektronik-Baueinheit 2 und auch keine Verkabelung des Positionssensors 11 erforderlich. Demnach lässt sich das Gewicht des elektrischen Antriebssystems minimieren und es weist dieses System im Bereich von elektrischer Maschine 1 und Leistungselektronik-Baueinheit 2 eine günstige elektromagnetische Verträglichkeit auf.
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3 veranschaulicht ein Fahrwerk 12 des Fahrzeuges, das eine als Portalachse 13 gestaltete elektrische Achse aufweist. Die Portalachse 13 weist einen als Rohr ausgebildeten Portalachsabschnitt 14 auf, in dem die beiden erfindungsgemäß gestalteten Anordnungen aus jeweils elektrischer Maschine 1 und Leistungselektronik-Baueinheit 2 angeordnet sind, wobei die Drehachsen der beiden elektrischen Maschinen 1 übereinstimmen. Der Portalachsabschnitt 14, somit das Rohr, kann durchaus das Gehäuse der elektrischen Maschinen 1 und Baueinheiten 2 bilden. Die jeweilige elektrische Maschine 1 treibt über deren Rotorwelle 9 und ein Untersetzungsgetriebe, das durch ein Planetengetriebe 15 und eine Stirnradstufe 16 gebildet ist, eine Gelenkwelle 17 an, die drehfest mit einem Vorderrad 18 des Fahrzeuges verbunden ist. Der Darstellung der 3 ist anschaulich zu entnehmen, dass die Rotorwelle 9, somit die Rotationsachse der beiden elektrischen Maschinen 1 wesentlich tiefer angeordnet ist, als die Gelenkwellen 17 der Vorderräder 18.
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4 veranschaulicht für die gegenüber der Ausführungsform nach 3 modifizierte Gestaltung der Portalachse, dass die Rotationsachsen 19 der beiden elektrischen Maschinen 1 horizontal nebeneinander angeordnet sind, und zwar soweit, dass die beiden elektrischen Maschinen 1 zwar auf demselben Höhenniveau wie bei der Ausführungsform nach der 3 angeordnet sind, aber nebeneinander positioniert und im Überlappungsbereich miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht eine Skalierung der elektrischen Maschinen 1. So kann die Anordnung von elektrischer Maschine 1 und Leistungselektronik-Baueinheit 2 eine so große Länge aufweisen, dass sie von deren Getriebeanordnung, gebildet durch das Planetengetriebe 15 und die Stirnradstufe 16, bis zur Getriebeanordnung der anderen elektrischen Maschine 1 reicht.