AT511858B1 - Hybridfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug (10) mit zumindest einem ersten Antriebsaggregat (1) und zumindest einem zweiten Antriebsaggregat (2), wobei das durch eine Brennkraftmaschine (1a) gebildete erste Antriebsaggregat (1) einem auf zumindest ein erstes Antriebsrad (6) wirkenden ersten Antriebsstrang (4) und das zweite Antriebsaggregat (2) einem auf zumindest ein zweites Antriebsrad (7) wirkenden zweiten Antriebsstrang (5) zugeordnet ist, und wobei eine Koppelung der beiden Antriebsstränge (4, 5) über den Untergrund des Hybridfahrzeuges (10) erfolgt, welcher mit den Antriebsrädern (6, 7) in Kontakt steht, wobei die beiden Antriebsstränge (4, 5) mechanisch und/oder hydraulisch vollkommen getrennt voneinander ausgebildet sind und ein drittes Antriebsaggregat (3) dem ersten Antriebsstrang (4) zugeordnet ist, und wobei das zweite Antriebsaggregat (2) und auch das dritte Antriebsaggregat (3) jeweils durch eine elektrische Maschine (2a, 3a) gebildet ist. Um Gewicht, Bauraum und Herstellungskosten einzusparen, ist vorgesehen, dass das erste Antriebsaggregat (1) über zumindest ein schaltbares Übersetzungsgetriebe (11) mit dem ersten Antriebsstrang (4) verbunden ist und das zweite und das dritte Antriebsaggregat (2, 3) gemeinsam ein elektrisches Differenzial und/oder eine elektrische Differenzialsperre ausbilden, wobei der erste Antriebsstrang (4) durch das erste und das dritte Antriebsaggregat (1, 3), und der zweite Antriebsstrang (5) nur durch das zweite Antriebssaggregat (2) antreibbar ist.

Description

österreichisches Patentamt AT 511 858 B1 2013-06-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug mit zumindest einem ersten Antriebsaggregat und zumindest einem zweiten Antriebsaggregat, wobei das durch eine Brennkraftmaschine gebildete erste Antriebsaggregat einem auf zumindest ein erstes Antriebsrad wirkenden ersten Antriebsstrang und das zweite Antriebsaggregat einem auf zumindest ein zweites Antriebsrad wirkenden zweiten Antriebsstrang zugeordnet ist, und wobei eine Koppelung der beiden Antriebsstränge über den Untergrund des Hybridfahrzeuges erfolgt, welcher mit den Antriebsrädern in Kontakt steht, wobei die beiden Antriebsstränge mechanisch und/oder hydraulisch vollkommen getrennt voneinander ausgebildet sind und ein drittes Antriebsaggregat dem ersten Antriebsstrang zugeordnet ist, und wobei das zweite Antriebsaggregat und auch das dritte Antriebsaggregat jeweils durch eine elektrische Maschine gebildet ist.

[0002] Aus der DE 10 2008 041 565 A1 ist es bekannt, bei einem Hybridfahrzeug mit zwei Antriebsaggregaten jedes der Antriebsaggregate einem anderen Antriebsstrang zuzuordnen. Auf diese Weise kann eine Koppelung zwischen den Antriebsaggregaten über einen Untergrund des Kraftfahrzeuges erfolgen, welcher mit dessen Rädern in Kontakt steht. Diese Ausbildung einer Hybridantriebsvorrichtung wird als "through the road"-Hybrid bezeichnet.

[0003] Bei bekannten Parallel- oder Serienhybridfahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine und zumindest einer elektrischen Maschine wirkt die Brennkraftmaschine und die elektrisch Maschine im allgemeinen auf den selben Abtriebsstrang, welcher auf die Antriebsräder einer angetriebenen Achse wirkt. Dabei weist der Abtriebsstrang zwischen den beiden angetriebenen Rädern ein mechanisches Differenzialgetriebe auf, um unterschiedliche Drehzahlen der angetriebenen Räder in Kurven auszugleichen.

[0004] Herkömmliche Hybridfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine und zumindest einem Elektromotor weisen üblicherweise ein mechanisches Ausgleichsgetriebe auf. In vielen Fällen ist die Brennkraftmaschine und/oder die elektrische Maschine von der angetriebenen Achse räumlich getrennt, sodass zusätzliche drehmomentübertragende Teile eingesetzt werden. Um einen Parallel- bzw. Serienhybrid zu realisieren, sind außerdem in vielen Fällen zusätzliche Schaltkupplungen und Übersetzungsgetriebe erforderlich.

[0005] Aus der EP 1 798 093 A1 ist ein elektromechnisches Differenzialmodul für ein Fahrzeug mit zwei Nabenmotoren bekannt. Das elektromechanische Differenzialmodul weist eine Steuereinheit und zwei Leistungselektronikeinheiten auf, welche mit einer elektrischen Speichereinheit verbunden sind. Über die Steuereinheit kann elektrische Leistung von einem auf den anderen Nabenmotor transferiert werden, wodurch unterschiedliche Motordrehzahlen realisiert werden können.

[0006] Die DE 91 047 40 U1 offenbart ein Hybrid-Antriebsmodul für Kraftfahrzeuge, wobei bei einer Ausführung jedem von zwei Antriebsrädern ein Hybridantriebsmodul mit einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Maschine zugeordnet ist, und wobei die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine jeweils über eine Riemenübersetzung auf eine Antriebswelle einwirken. Die Antriebsverbindung zwischen Brennkraftmaschine und Antriebswelle ist über eine Kupplung schaltbar.

[0007] Die DE 173 030 C beschreibt einen Antrieb für einen Motorwagen, wobei jedem Antriebsrad eine elektrische Maschine und ein Verbrennungsmotor zugeordnet ist, welche über eine Riemenübersetzung auf das Antriebsrad einwirken.

[0008] Die US 2005/0 056 475 A1 zeigt ein Fahrzeug, wobei jedem Rad ein Motor/Generator zugeordnet ist. Weiters kann eine Antriebsachse über eine Kupplung und ein Getriebe durch eine Brennkraftmaschine angetrieben werden.

[0009] Die WO 2008/095 601 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einem ein Vorderrad antreibenden Elektromotor und einen antreibbaren Hinterrad, sowie einer Brennkraftmaschine, welche Antriebsenergie für das Vorderrad und das Hinterrad zur Verfügung stellt. Weiters ist ein Startergenerator zum Starten der Brennkraftmaschine und zur Bereitstellung elektrischer An- 1 /9 österreichisches Patentamt AT 511 858 B1 2013-06-15 triebsenergie zum Antrieb des Vorderrades mit der Brennkraftmaschine vorgesehen.

[0010] Aus der DE 199 883 C ist eine Vorrichtung zur Verbindung zweier Wellen bekannt, von denen die eine mit konstanter Drehzahl und konstantem Drehmoment umläuft, während der anderen Welle mittels der Vorrichtung dieselbe oder jede beliebige Drehzahl und dementsprechend größere Umfangskraft bzw. größeres Drehmoment zugeordnet werden kann.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hybridfahrzeug vorzuschlagen, welches sich durch ein raum- und gewichtssparendes System auszeichnet.

[0012] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das erste Antriebsaggregat über zumindest ein schaltbares Übersetzungsgetriebe mit dem ersten Antriebsstrang verbunden ist und das zweite und das dritte Antriebsaggregat gemeinsam ein elektrisches Differenzial und/oder eine elektrische Differenzialsperre ausbilden, wobei der erste Antriebsstrang durch das erste und das dritte Antriebsaggregat, und der zweite Antriebsstrang nur durch das zweite Antriebssaggregat antreibbar ist.

[0013] Das Hybridfahrzeug ist völlig ohne mechanisches Differenzialgetriebe ausgebildet. Zumindest ein Antriebsaggregat wirkt direkt - ohne ein Übersetzungsgetriebe - auf das Antriebsrad des zugeordneten Antriebsstranges ein.

[0014] Das zweite und dritte Antriebsaggregat wird vorteilhafter Weise durch eine elektrische Maschine gebildet.

[0015] Um unterschiedliche Drehzahlen der Antriebsräder in Kurvenfahrten auf einfache und gewichtssparende Weise ausgleichen zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn das zweite und das dritte Antriebsaggregat gemeinsam ein elektrisches Differenzial und/oder eine elektrische Differenzialsperre ausbilden.

[0016] Um eine besonders kompakte und gewichtssparende Bauweise realisieren zu können ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass das erste Antriebsrad und das zweite Antriebsrad auf verschiedenen Seiten der selben Achse des Fahrzeuges angeordnet sind.

[0017] Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

[0018] Es zeigen die Figuren schematisch: [0019] Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug, [0020] Fig. 2 das Hybridfahrzeug in einer ersten Betriebsart, [0021] Fig. 3 das Hybridfahrzeug in einer zweiten Betriebsart, [0022] Fig. 4 das Hybridfahrzeug in einer dritten Betriebsart, [0023] Fig. 5 das Hybridfahrzeug in einer vierten Betriebsart und [0024] Fig. 6 das Hybridfahrzeug in einer fünften Betriebsart.

[0025] Fig. 1 zeigt ein Hybridfahrzeug 10, welches ein erstes Antriebsaggregat 1, ein zweites Antriebsaggregat 2 und ein dritten Antriebsaggregat 3 aufweist. Das erste Antriebsaggregat 1 wird durch eine Brennkraftmaschine 1 a, das zweite Antriebsaggregat 2 durch eine elektrische Maschine 2a und das dritte Antriebsaggregat 3 ebenfalls durch eine elektrische Maschine 3a gebildet. Das erste Antriebsaggregat 1 und das dritte Antriebsaggregat 3 sind einem ersten Antriebsstrang 4 zugeordnet, welcher auf ein erstes Antriebsrad 6 einwirkt. Das zweite Antriebsaggregat 2 ist einem zweiten Antriebsstrang 5 zugeordnet, der auf ein zweites Antriebsrad 7 einwirkt.

[0026] Die zweiten und dritten Antriebsaggregate 2, 3 sind über elektrische Leitungen 8 mit einem elektrischen Speicher 9 verbunden. Die Antriebsaggregate 1, 2 und 3 sind weiters mit einer elektronischen Steuereinheit ECU verbunden. Zwischen dem ersten Antriebsaggregat 1 und dem ersten Antriebsstrang 4 ist ein Übersetzungsgetriebe 11 und eine Schaltkupplung 12 vorgesehen. Zwischen den beiden Antriebssträngen 4, 5 ist kein mechanisches Differenzial angeordnet, dadurch können Bauraum, Gewicht, sowie Kosten gespart werden. 2/9 österreichisches Patentamt AT511 858B1 2013-06-15 [0027] Die beiden elektrischen Maschinen 2a, 3a können als elektrisches Differenzial eingesetzt werden, wobei über die elektronische Steuereinheit ECU elektrische Antriebsenergie - je nach Fahrsituation - gleichmäßig oder ungleichmäßig zwischen den beiden elektrischen Maschinen 2a, 3a aufgeteilt bzw. verschoben wird. Mit den beiden elektrischen Maschinen 2a, 3a lässt sich dabei auch auf sehr einfache Weise ein elektrisches Sperrdifferenzial vervisieren, wenn beide elektrische Maschinen symmetrisch angespeist werden.

[0028] An Hand der Fig. 2 bis 6 werden verschiedene Betriebsmoden erläutert, wobei mit Pfeilen Energieflüsse angedeutet sind. Mit dem Hybridfahrzeug 10 lassen sich folgende Betriebsarten realisieren: [0029] 1. Rein elektrisches Fahren und Bremsen (Fig. 2) [0030] In dieser Betriebsweise ist die Schaltkupplung 12 geöffnet und die Brennkraftmaschine 1a abgeschaltet. Die elektrischen Maschinen 2a und 3a rechts und links dienen sowohl als Fahrmotor, als auch als Generator. Mit den beiden elektrischen Maschinen 2a, 3a ist weiters ein elektrisches Differenzial bzw. eine elektrische Differenzialsperre (als Anfahrhilfe) realisierbar. Die Batterie 9 dient als Energiequelle und als Energiespeicher. Die Batterieleistung P9 setzt sich aus den Leistungen P2, P3 des zweiten Antriebsaggregates 2 und des dritten Antriebsaggregates 3 zusammen, sodass gilt: P 9=P 2+P 3- [0031] Die Leistung P^ der Brennkraftmaschine 1a ist gleich null:

Pi=0.

[0032] 2. Gemischtes elektrisches Fahren und Bremsen mit Brennkraftmaschine (Fig. 3) [0033] Die Brennkraftmaschine 1a ist in dieser Betriebsart aktiviert. Die elektrischen Maschinen 2a und 3a dienen als Fahrmotoren und Generatoren und übernehmen zusätzlich die Funktionen eines elektrischen Differenzials bzw. einer elektrischen Differenzialsperre (als Anfahrhilfe). Die Batterie 9 dient als Energiequelle und als Energiespeicher für die Bremsenergie. Der Antrieb des ersten Antriebsrades 6 erfolgt über die Brennkraftmaschine 1a, der Antrieb des zweiten Antriebsrades 7 erfolgt über das zweite Antriebsaggregat 2, wobei im Fährbetrieb gilt: P9=P2 [0034] Im Bremsbetrieb wird über beide elektrische Maschinen 2a, 3a elektrische Energie zurückgewonnen, sodass gilt: P 9=P 2+P 3- [0035] Die auf das erste Antriebsrad 6 übertragene Leistung P6 entspricht der Leistung Pi des ersten Antriebsaggregates 1. Somit gilt: P 1 = P 6=P 2=P 9 [0036] 3. Gemischtes elektrisches Fahren und Bremsen mit Brennkraftmaschine und E-Boost-Funktion (Fig. 41 [0037] In diesem Betriebsmodus ist die Brennkraftmaschine 1a ebenfalls aktiviert. Die elektrischen Maschinen 2a und 3a dienen als Fahrmotor und als Generator und können als elektrisches Differenzial beziehungsweise als elektrische Differenzialsperre verwendet werden. Die Batterie 9 dient als Energiequelle und Energiespeicher für Bremsenergie.

[0038] Im Fährbetrieb mit elektrischer Boostfunktion wird die elektrische Leistung P6, P7 zum Antrieb der Antriebsräder 6, 7 nicht nur durch die Batterie 9, sondern auch durch die Brennkraftmaschine 1 a aufgebracht, sodass gilt: P 9<P 6+P 7 P 9+P 1 = P 6+P7 3/9 österreichisches Patentamt AT 511 858 B1 2013-06-15 [0039] Im Bremsbetrieb wird die mittels der elektrischen Maschinen 2a, 3a gewonnene Bremsenergie der Batterie 9 zugeführt: P 9=P 2+P 3 [0040] Die Leistung P6 am ersten Antriebsrad 6 ist größer als die Leistung Pi der Brennkraftmaschine 1. Die Leistung P6 des ersten Antriebsrades 6 setzt sich aus der Leistung P3 des dritten Antriebsaggregates 3 und der Leistung Pi des ersten Antriebsaggregates 1 zusammen: P 1<P 6> P 6=P 3+P1 [0041] 4. Fahren mit Brennkraftmaschine mit Laden der Batterie und mit elektrischem Bremsbetrieb (Fig. 5) [0042] Die Brennkraftmaschine 1a ist auch in dieser Betriebsart in Betrieb. Die elektrische Maschine 3a dient als Fahrmotor und als Generator. Die elektrische Maschine 2a wird nur als Fahrmotor verwendet. Beide elektrischen Maschinen 2a, 3a können gemeinsam als elektrisches Differenzial oder als elektrische Differenzialsperre eingesetzt werden. Die Batterie 9 kann mittels der Brennkraftmaschine 1a und dem dritten Aggregat 3, der elektrischen Maschine 3a, geladen werden.

[0043] Für den Bremsbetrieb gilt: P g=P 3+P 2 [0044] Die Leistung der Brennkraftmaschine 1a ist größer als die Summe der Leistungen P6, P7 an den Antriebsräder 6, 7: P^Pe+Py, und zwar P^Pe+Py+Pg.

[0045] 5. Elektrisches Fahren mit aktivierter Brennkraftmaschine (Fig. 6) [0046] Die beiden elektrischen Maschinen 2a, 3a werden als Fahrmotor (Maschine 2a) und als Generator (Maschine 3a) eingesetzt, wobei gleichzeitig die Brennkraftmaschine 1a aktiviert ist. Die elektrischen Maschinen 2a, 3a können wieder als elektrisches Differenzial bzw. als elektrische Differenzialsperre eingesetzt werden.

[0047] Die Batterie 9 dient als Energiespeicher für die Bremsenergie. Während des Fährbetriebes wird von der Brennkraftmaschine 1a die zum Betreiben der elektrischen Maschinen 2a, 3a benötigte Energie bereitgestellt.

[0048] Im Fährbetrieb wird somit der Batterie 9 keine Energie entnommen, sodass gilt: P9=0 [0049] Im Bremsbetrieb wird die anfallende Bremsenergie durch die Antriebsaggregate 2 und 3 in elektrische Energie umgewandelt und der Batterie 9 zugeführt: P 9=P 3+P 2 [0050] Von der Brennkraftmaschine 1a wird somit die gesamte Antriebsleistung erbracht, sodass gilt: P i=P 6+Py· [0051] Mit dem beschriebenen Hybridfahrzeug 10 können die Vorteile eines Serienhybridantriebes, bei dem die Brennkraftmaschine 1a beispielsweise als sogenannter Range-Extender zur Reichweitenausdehnung des elektrischen Fährbetriebes verwendet wird, mit denen eines Parallelhybridantriebes verbunden werden. Die mechanische Energie der Brennkraftmaschine 1a kann dabei auch direkt - also ohne Energieumwandlung - an das Antriebsrad 6 gebracht werden. Die elektrische Energie aus rekuperativem Bremsen und plug-in-Hybrid-Funktionalität kann für elektrisches Fahren, sowie für elektrische Differenzialsperre verwendet werden. 4/9 österreichisches Patentamt AT 511 858 B1 2013-06-15 [0052] Das Übersetzungsgetriebe 11 weist bevorzugt ein fixes Übersetzungsverhältnis auf, wodurch eine kostengünstige Lösung entsteht. Ein Durchtrieb erfolgt bevorzugt bei großen Geschwindigkeiten.

[0053] Es ist auch möglich, als Übersetzungsgetriebe ein Getriebe mit variabler Übersetzung (CVT) einzusetzen. Mit einem solchen Getriebe mit variabler Übersetzung ist ein kontinuierlicher Durchtrieb möglich.

[0054] Weiter ist es denkbar ein Planetengetriebe, eventuell in Kombination mit einem Übersetzungsgetriebe oder einem CVT-Getriebe, einzusetzen. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine 1a auch zum Laden der Batterie 9 bei Stillstand des Hybridfahrzeuges 10 verwendet werden.

[0055] Im Vergleich zu einem konventionellen Vollhybridantrieb hat die beschriebene Antriebsstrangkonfiguration den Vorteil, dass ein mechanisches Differenzialgetriebe durch Nutzung der beiden elektrischen Maschinen 2a, 3a als Differenzial und für Hybridfunktionen (motorisch und generatorisch) entfallen kann. Weiter kann ein einfaches und kostengünstiges Getriebe verwendet werden. In einem Durchtriebs-Modus der Brennkraftmaschine 1a müssen nur etwa 50% der Leistung elektrisch übertragen werden (im Gegensatz dazu müssen bei einem Serienhybrid-Antrieb 100% der Leistung elektrisch Übertragen werden). 5/9

Claims (4)

1. österreichisches Patentamt AT 511 858 B1 2013-06-15 Patentansprüche 1. Hybridfahrzeug (10) mit zumindest einem ersten Antriebsaggregat (1) und zumindest einem zweiten Antriebsaggregat (2), wobei das durch eine Brennkraftmaschine (1a) gebildete erste Antriebsaggregat (1) einem auf zumindest ein erstes Antriebsrad (6) wirkenden ersten Antriebsstrang (4) und das zweite Antriebsaggregat (2) einem auf zumindest ein zweites Antriebsrad (7) wirkenden zweiten Antriebsstrang (5) zugeordnet ist, und wobei eine Koppelung der beiden Antriebsstränge (4, 5) über den Untergrund des Hybridfahrzeuges (10) erfolgt, welcher mit den Antriebsrädern (6, 7) in Kontakt steht, wobei die beiden Antriebsstränge (4, 5) mechanisch und/oder hydraulisch vollkommen getrennt voneinander ausgebildet sind und ein drittes Antriebsaggregat (3) dem ersten Antriebsstrang (4) zugeordnet ist, und wobei das zweite Antriebsaggregat (2) und auch das dritte Antriebsaggregat (3) jeweils durch eine elektrische Maschine (2a, 3a) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebsaggregat (1) über zumindest ein schaltbares Übersetzungsgetriebe (11) mit dem ersten Antriebsstrang (4) verbunden ist und das zweite und das dritte Antriebsaggregat (2, 3) gemeinsam ein elektrisches Differenzial und/oder eine elektrische Differenzialsperre ausbilden, wobei der erste Antriebsstrang (4) durch das erste und das dritte Antriebsaggregat (1, 3), und der zweite Antriebsstrang (5) nur durch das zweite Antriebss-aggregat (2) antreibbar ist.
2. 2. Hybridfahrzeug (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Antriebsaggregat (2, 3), vorzugsweise das zweite Antriebsaggregat (2), besonders vorzugsweise auch das dritte Antriebsaggregat (3), direkt - ohne Übersetzungsgetriebe - auf das Antriebsrad (7, 6) des zugeordneten Antriebsstranges (5, 4) einwirkt.
3. 3. Hybridfahrzeug (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebsaggregat (1) über zumindest eine Schaltkupplung (12) mit dem ersten Antriebsstrang (4) verbunden ist.
4. 4. Hybridfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebsrad (6) und das zweite Antriebsrad (7) auf verschiedenen Seiten der selben Achse des Hybridfahrzeuges (10) angeordnet sind. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 6/9