DE102006051931A1 - Antriebsstrang für Hybridfahrzeug - Google Patents

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Ralf Schuler
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Anstriebsstrang für ein Hybridfahrzeug zur mechanischen Kopplung eines Verbrennungsmotors mit einer elektrischen Maschine, gekennzeichnet durch eine Kupplung, die den Verbrennungsmotor auswählbar vollständig mit der elektrischen Maschine selektiv verbindet oder von dieser vollständig trennt. Ferner betrifft die Erfindung einen Antrieb für Hybridfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor, einer elektrischen Maschine und einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang, wobei der Verbrennungsmototr selbststartfähig ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine umfasst. In verschiedenen Fahrsituation eines Hybridfahrzeugs, z.B. Rollen, Rekuperieren (generatorisches Bremsen) und elektrisches Fahren ist es aus energetischen Gründen von Vorteil, den Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang zu trennen. Die Trennung dient dazu, den Verbrennungsmotor in abgeschaltetem Zustand nicht mitdrehen zu müssen. Die Trennung erfolgt üblicherweise durch eine Trennkupplung (Reibkupplung). Durch proportionales, d.h. kontinuierliches oder impulsartiges Schließen der Trennkupplung kann die angeschlossene elektrische Maschine den Verbrennungsmotor aus der Ruhe auf eine Drehzahl beschleunigen, bei der der Verbrennungsmotor gezündet werden kann. Die elektrische Maschine dient somit als Anlasser und als Antriebsmaschine. In der Funktion als Anlasser wird ein Teil der Antriebsleistung aus der elektrischen Maschine abgezweigt und dem Verbrennungsmotor für die Startphase zugeführt. Dies führt beim Anlassen zu Drehzahleinbrüchen.
  • Die Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine wird dazu verwendet, den Verbrennungsmotor bei elektrischem Fahren und beim Rekuperieren abzutrennen. Dies ist erforderlich, um den Verbrennungsmotor nicht mitschleppen zu müssen, d.h. um den elektrischen Antrieb nicht durch das Reibmoment des Verbrennungsmotors abzubremsen. Gleichzeitig würde sich bei einem mitlaufenden Verbrennungsmotor ein zusätzlicher Verschleiß ergeben. Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads wird der Verbrennungsmotor in diesem Fall abgestellt. Aus dem gleichen Grund wird der Verbrennungsmotor auch bei längeren Fahrzeugstillständen ausgeschaltet.
  • Gemäß dem Stand der Technik wird die Reibkupplung genutzt, um den Verbrennungsmotor während der Startphase auf eine bestimmte Drehzahl zu bringen. Dies kann durch einen geregelten bzw. proportionalen oder einen impulsartigen Startvorgang geschehen. Daher ist eine Kupplung erforderlich, welche Drehzahlunterschiede anpassen und sowohl die Energiebeträge (beispielsweise thermische Belastung) als auch die notwendige mechanische Belastung aufnehmen kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird die elektrische Maschine nicht zum Starten des Verbrennungsmotors verwendet, so dass die entsprechende Kupplung zum Anlassen des Verbrennungsmotors entfallen beziehungsweise vereinfacht werden kann. Erfindungsgemäß wird eine kostengünstige Kupplung verwendet, die die Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine vollständig trennt oder formschlüssig vorsieht, nachdem der Verbrennungsmotor angelassen wurde, eine konstante Drehzahl aufweist und mit der elektrischen Maschine synchronisiert werden kann. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang gewährleistet auch beim Anlassen des Verbrennungsmotors einen konstanten Betrieb der elektrischen Maschine. Dadurch treten keine Drehmomenteinbrüche auf, da das Antriebsdrehmoment der elektrischen Maschine nicht für den Start des Verbrennungsmotors genutzt werden muss.
  • Die Komplexität einer Klauenkupplung ist wesentlich geringer als die einer gemäß dem Stand der Technik verwendeten Reibkupplung. Da während des Einkopplungs- bzw. Schließvorgangs der Klauenkupplung bei synchronisierten Drehzahlen so gut wie keine Drehzahldifferenzen ausgeglichen werden müssen, erfolgen keine Energieeinträge in die Kupplung. Daher kann die Klauenkupplung deutlich schwächer dimensioniert werden als eine vergleichbare Reibkupplung, wobei sich gleichzeitig eine erhöhte Robustheit und Lebensdauer ergibt. Ferner treten keinerlei thermische Belastungen auf.
  • Gemäß dem Stand der Technik dient die Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine zum Übertragen mechanischer Energie vom Verbrennungsmotor zur elektrischen Maschine zur Erzeugung von elektrischer Energie, d.h. Rotationsenergie, sowie zum Übertragen mechanischer Energie vom Elektromotor an den Verbrennungsmotor, um diesen anzulassen.
  • Im Gegensatz hierzu sieht die Erfindung vor, die Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine nur zum Erzeugen elektrischer Energie zu verwenden, die von der elektrischen Maschine aus mechanischer Energie umgewandelt wird. In gleicher Weise dient erfindungsgemäß die elektrische Maschine nur dazu, Antriebsenergie zu erzeugen und die vom Verbrennungsmotor stammende mechanische Energie in elektrische umzusetzen, d.h. als Generator zu arbeiten, wohingegen im Stand der Technik die elektrische Maschine ferner die Funktion des Anlassers übernehmen musste. Insbesondere die Verwendung als Anlasser erfordert gemäß dem Stand der Technik die Verwendung einer Kupplung, die Drehzahlunterschiede ausgleichen kann. Durch den Wegfall dieser Aufgabe kann die lösbare Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine als Klauenkupplung vorgesehen werden, da mit dem Wegfall der Funktion als Anlasser Drehzahlanpassungen entfallen, die während des Anlassprozesses durchgeführt werden.
  • Erfindungsgemäß wird daher ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug vorgesehen, der einen Verbrennungsmotor mit einer elektrischen Maschine koppelt, wobei die Kupplung die elektrische Maschine mit dem Verbrennungsmotor entweder fest verbindet oder von dieser vollständig trennt. Erfindungsgemäß wird hierzu eine Klauenkupplung verwendet.
  • Um den Verbrennungsmotor anzulassen, wird dieser vorzugsweise mit einem Anfahrelement, beispielsweise einem elektrischen Anlasser, ausgestattet.
  • Während des Anlassens ist der Verbrennungsmotor nicht mit der elektrischen Maschine gekoppelt und weist ferner Vorrichtungen auf, um gestartet werden zu können, beispielsweise einen Anlasser. Sobald der Anlassvorgang beendet ist, hat der Verbrennungsmotor eine konstante Drehzahl, die beispielsweise mittels einer Steuerung eingestellt wird. Die elektrische Maschine weist vorzugsweise ebenso eine Steuerung auf, die die elektrische Maschine auf die gleiche Drehzahl wie den Verbrennungsmotor bringt. Alternativ kann auch eine Regelung vorgesehen werden, die die Drehzahl der elektrischen Maschine misst, welche die Antriebsenergie bereitstellt, und die den Verbrennungsmotor auf die gleiche Drehzahl regelt, so dass die Klauenkupplung ohne Drehzahldifferenz den Verbrennungsmotor mit der elektrischen Maschine verbinden kann, ohne die Drehzahl der zum Antrieb des Fahrzeugs eingesetzten elektrischen Maschine ändern zu müssen. Auf diese Weise muss zum Ankoppeln des Verbrennungsmotors der Abtrieb des Fahrzeugs, d.h. die Antriebsräder, nicht von der elektrischen Maschine getrennt werden.
  • Alternativ oder in Kombination hierzu kann zwischen der elektrischen Maschine und dem Abtrieb eine weitere Kupplung vorgesehen werden, die die elektrische Maschine beim Anlassen des Verbrennungsmotors von dem Getriebe entkoppelt, wobei dann die elektrische Maschine mittels einer Steuerung auf die Drehzahl des Verbrennungsmotors gebracht werden kann. Sobald die Drehzahlen gleich sind bzw. die elektrische Maschine mit dem Verbrennungsmotor synchronisiert ist, kann die Klauenkupplung eine feste mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine herstellen, ohne Drehzahldifferenzen überwinden zu müssen. Nach bestehender Verbindung kann die elektrische Maschine zusammen mit dem Verbrennungsmotor wieder an den Abtrieb, beispielsweise mit dem Getriebe, über die weitere Kupplung verbunden werden.
  • Erfindungsgemäß wird zwischen der elektrischen Maschine und dem Getriebe, welches die Fahrzeugräder antreibt, ein zweites Kupplungselement als weitere Kupplung vorgesehen, welches einen Wandler, eine Proportionalkupplung oder eine Doppelkupplung umfasst. Dieses zweite Kupplungselement ist zwischen der elektrischen Maschine und dem Getriebe vorgesehen und hat die Funktion, Drehzahldifferenzen zwischen elektrischer Maschine bzw. Verbrennungsmotor und Getriebe, insbesondere beim Anfahren, auszugleichen.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 Einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang, der zwischen Aggregat und Abtrieb eingesetzt ist.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang dargestellt, der einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine und ein Getriebe eines Fahrzeugs miteinander verbindet. Die 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 2, der von einem Tank 4 gespeist wird. Der Verbrennungsmotor erzeugt an einer Abtriebswelle 6 mechanische Rotationsenergie. Eine Klauenkupplung 8 ist zum Einen mit dem Verbrennungsmotor und zum Anderen mit einer elektrischen Maschine 10 verbunden. Die elektrische Maschine ist elektrisch mit einem Wechselrichter 12 verbunden, welcher wiederum mit einer Batterie 14 verbunden ist. Die Batterie 14 kann so elektrische Energie an den Wechselrichter 12 weitergeben, der diese Energie zum Antreiben der elektrischen Maschine verwendet. In dieser Weise wird in der Batterie gespeicherte Energie zum Antrieb verwendet.
  • Ist die elektrische Maschine 10 über die Klauenkupplung 8 mit dem Verbrennungsmotor 2 verbunden, der elektrische Rotationsenergie erzeugt, so fließt Strom von der elektrischen Maschine zu dem Wechselrichter, der diesen Strom umwandelt. Der vom Wechselrichter umgewandelte Strom wird zum Laden der Batterie 14 verwendet, sodass die mechanische Energie des Verbrennungsmotors von der elektrischen Maschine und dem Wechselrichter umgewandelt werden kann, und dadurch in der Batterie 14 gespeichert werden kann.
  • Weiterhin ist die elektrische Maschine 10 über ein zweites Kupplungselement 16 mit einem Getriebe 18 verbunden. Das Getriebe 18 ist wiederum mit den Rädern 20 des Fahrzeugs verbunden. Während der Fahrt weist das Fahrzeug auf Grund der Masse und der Geschwindigkeit eine kinetische Energie auf, wobei diese bei Bremsvorgängen von den Rädern 20 über das Getriebe 18 und dem zweiten Kupplungselement 16 an die elektrische Maschine 10 übertragen werden kann. Diese kann wiederum die so übertragene kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umwandeln und den Wechselrichter 12 mit dieser Energie speisen, welcher wiederum die Batterie 14 auflädt.
  • Somit kann bei Bremsvorgängen abzubauende kinetische Energie in der Batterie 14 gespeichert werden.
  • Zusammenfassend wandelt die elektrische Maschine die vom Verbrennungsmotor erzeugte Leistung in zu speichernde elektrische Leistung um, wandelt gespeicherte elektrische Energie in mechanische Antriebsenergie um, und wandelt die kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen in zu speichernde elektrische Energie um.
  • Erfindungsgemäß ist der Verbrennungsmotor 2 ein selbststartfähiger Motor. Falls dieser angelassen werden soll, trennt die zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und der elektrischen Maschine vorgesehene Klauenkupplung die beiden Achsen vollständig und erlaubt so einen freien Startvorgang des Verbrennungsmotors. Nach Beendigung des Startvorgangs hat der Verbrennungsmotor eine konstante Drehzahl, die sich beispielsweise erreichen lässt, indem der Kraftstofffluss zum Verbrennungsmotor konstant gehalten wird. Vorzugsweise ist der Verbrennungsmotor während der gesamten Startphase, bis die konstante Drehzahl erreicht ist, lastfrei. Die elektrische Maschine 10 wird derart gesteuert, dass sie diese Drehzahl ebenfalls aufweist. Befindet sich das Fahrzeug in Fahrt, so wird vorzugsweise ebenfalls das Getriebe 18 derart geregelt, dass die elektrische Maschine mit der entsprechenden Drehzahl arbeitet, ohne die Geschwindigkeit des Fahrzeugs wesentlich ändern zu müssen. Dies kann auch mittels der zweiten Kupplung 16 vorgesehen werden, die eine Drehzahldifferenz zwischen elektrischer Maschine 10 und Getriebe 18 ermöglicht. Alternativ oder in Kombination hierzu kann der Verbrennungsmotor 2 derart gesteuert werden, dass dieser eine bestimmte Drehzahl anfährt, die der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine, die in dieser Phase zum Antrieb verwendet wird, entspricht. Läuft der Verbrennungsmotor synchron mit der elektrischen Maschine, d.h. besteht keine Drehzahldifferenz, so kann die Klauenkupplung eine feste mechanische Verbindung zwischen elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor herstellen.
  • Statt einer herkömmlichen Reibkupplung kann eine Klauenkupplung verwendet werden, da über das Getriebe 18 und/oder das zweite Kupplungselement 16 gemäß der entsprechenden Steuerung Drehzahlsynchronität zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine hergestellt werden kann.
  • Der einzige Fall, in dem eine Differenz zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine auftritt, wäre das Anlassen des Verbrennungsmotors durch die elektrische Maschine. Da jedoch erfindungsgemäß der Verbrennungsmotor als Selbststarter ausgeführt ist, beispielsweise durch Ankoppeln eines Startermoduls, kann statt einer aufwändigen Reibkupplung, die einen hohen Verschleiß aufweist, eine preiswerte Klauenkupplung verwendet werden.
  • Arbeitet der Verbrennungsmotor, so wird über die Klauenkupplung 8 und das zweite Kupplungselement 16 eine feste Verbindung zwischen Verbrennungsmotor 2, elektrischer Maschine 10 und Getriebe 18 vorgesehen. Üblicherweise wird in diesem Fall von der Verbrennungsmaschine ausreichend mechanische Energie erzeugt, um zum Einen das Fahrzeug anzutreiben und zum Anderen über die elektrische Maschine elektrische Energie herzustellen, die über den Wechselrichter 12 in der Batterie 14 gespeichert wird. In diesem Fall arbeitet die elektrische Maschine 10 als Generator.
  • Ist in der Batterie 14 ausreichend Energie vorhanden, so kann der Verbrennungsmotor 2 abgestellt werden. In diesem Fall erzeugt die elektrische Maschine 10 aus der elektrischen Energie, die in der Batterie 14 gespeichert ist, mechanische Antriebsenergie, die über das zweite Kupplungselement über das Getriebe 18 an die Räder 20 übertragen wird. Soll die Geschwindigkeit des Fahrzeugs verringert werden, so arbeitet die elektrische Maschine 10 als Generator, der mechanische Energie über die Räder 20, das Getriebe 18 und das zweite Kupplungselement 16 erhält und diese Energie in der Batterie 14 über den Wechselrichter 12 in elektrischer Form speichert. Erfindungsgemäß arbeitet die elektrische Maschine im Wesentlichen in diesen Funktionsbereichen und arbeitet nicht in der Funktion als Anlasser. Durch Wegfall dieser Funktion kann, wie oben beschrieben, auf eine Drehzahlanpassung zwischen elektrischer Maschine 10 und Verbrennungsmotor 2 verzichtet werden, da über Getriebe 18 und zweites Kupplungselement 16 bzw. die Steuerungen der elektrischen Maschine und der Verbrennungsmotor Drehzahlsynchronität hergestellt werden kann.
  • Statt einer Klauenkupplung kann jede binäre Kupplung mit zwei Betriebszuständen verwendet werden, die selektiv zwei Wellen miteinander vollständig verbindet oder vollständig voneinander trennt, wobei die mechanische Kupplung gelöst bzw. hergestellt werden kann, wenn im Wesentlichen Drehzahlsynchronität zwischen den Wellen herrscht. Eine derartige Kupplung muss nicht zum Ausgleich von Drehzahldifferenzen eingerichtet sein. Ferner ist nicht erforderlich, dass eine solche Kupplung Energie aufnehmen kann, beispielsweise thermische Energie, die bei der Anpassung von verschiedenen Drehzahlen entsteht. Die Kupplung kann formschlüssig sein und muss keine Reibarbeit leisten.
  • Im Gegensatz hierzu wird das zweite Kupplungselement vorzugsweise zur Anpassung von Drehzahldifferenzen vorgesehen und umfasst vorzugsweise einen Wandler, eine Proportionalkupplung und/oder eine Doppelkupplung.
  • Die Klauenkupplung 8 bildet vorzugsweise eine formschlüssige Verbindung, nachdem die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 mit der Drehzahl der elektrischen Maschine 10 im Wesentlichen übereinstimmt.
  • Der Verbrennungsmotor ist vorzugsweise ein Verbrennungsmotor mit herkömmlichem Starter oder ein direktstartfähiger Verbrennungsmotor, der beispielsweise eine Starterunterstützung aufweist. Die Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors kann mit einer Regelung vorgesehen werden, die die aktuelle Drehzahl misst, mit der Soll-Drehzahl vergleicht, und dementsprechend die Kraftstoffzufuhr aus dem Tank drosselt bzw. einstellt.

Claims (9)

  1. Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug zur mechanischen Kopplung eines Verbrennungsmotors (2) mit einer elektrischen Maschine (10), gekennzeichnet durch eine Kupplung (8), die den Verbrennungsmotor (2) auswählbar vollständig mit der elektrischen Maschine (10) selektiv verbindet, oder von dieser vollständig trennt.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Kupplung (8) eine Klauenkupplung umfasst.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 1, mit: einem Anfahrelement (16), das mit der elektrischen Maschine (10) verbunden ist und wählbare Anteile der Antriebsleistung aus der elektrischen Maschine (10) auskoppelt.
  4. Antriebsstrang nach Anspruch 3, wobei das Anfahrelement (16) einen Wandler, eine Proportionalkupplung und/oder eine Doppelkupplung umfasst.
  5. Antriebsstrang nach Anspruch 3, wobei das Anfahrelement (16) kontinuierlich wählbare Anteile der Antriebsleistung aus dem elektrischen Motor (10) auskoppelt.
  6. Antriebsstrang nach Anspruch 3, ferner umfassend: ein Getriebe (18), das die aus der elektrischen Maschine (10) ausgekoppelte Antriebsleistung an Antriebsräder (20) eines Hybridfahrzeugs überträgt und die Drehzahl der elektrischen Maschine (10) umsetzt.
  7. Antrieb für Hybridfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor (2), einer elektrischen Maschine (10) und einem Antriebsstrang nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) selbststartfähig ist.
  8. Antrieb nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen Anlasser, der mit dem Verbrennungsmotor (2) koppelbar verbunden ist.
  9. Antrieb nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Steuereinheit zur Steuerung der Drehzahl des Verbrennungsmotors (2).
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