Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antrieb für Strassenfahrzeuge mit einem Elektromotor und einem parallel geschalteten Verbrennungsmotor. Bisher bekannte Hybrid-Antriebe weisen noch erhebliche Nachteile auf. Sie sind vor allem sehr aufwändig, teuer und relativ schwer und dennoch von beschränkter Leistungsfähigkeit im Alltagsgebrauch. Serien-Hybrid-Systeme benötigen drei Maschinen: einen Verbrennungsmotor mit Generator zur Stromerzeugung und einen Elektromotor als Fahrmaschine, welche alle drei im Wesentlichen auf die Nennleistung des Antriebs ausgelegt sein müssen und damit ein ausgesprochen schweres und teures System bilden. Die Leistungen von Elektromotor und Verbrennungsmotor können dabei nicht addiert werden.
Bekannte Parallel-Hybrid-Antriebe anderseits benötigen immer mindestens ein aufwändiges mehrstufiges Schaltgetriebe oder ein automatisches Getriebe mit Drehmomentwandler. Die elektrische Leistung ist zudem meist sehr eingeschränkt und oft nicht einmal ausreichend für rein elektrisches, abgasfreies Fahren in Agglomerationen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der bekannten Hybrid-Systeme zu überwinden und einen Antrieb zu schaffen, welcher sich durch niedriges Systemgewicht, geringen Platzbedarf, einfachen Aufbau, niedrige Herstell- und Betriebskosten, hohen Wirkungsgrad und gute Leistung im ganzen Geschwindigkeitsbereich auszeichnet. Er soll sich insbesondere für Leichtbau-Fahrzeuge eignen und abgasfreies, rein elektrisches Fahren in Agglomerationen ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen Hybrid-Antrieb nach Anspruch 1. Durch den direkten mechanischen Anschluss einerseits des Elektromotors und anderseits des Verbrennungsmotors auf das gemeinsame, einfache fixe Untersetzungsgetriebe und die Transmission kann die Leistung beider Motoren auf einfachste Art und mit grösstmöglichem Wirkungsgrad auf die Antriebsräder erfolgen.
Die Systemsteuerung ermöglicht dabei den optimalen Einsatz jedes Motors einzeln und zusammengeschaltet, entsprechend der Fahrgeschwindigkeit und der momentan gewünschten Antriebsleistung. Mit diesem erfindungsgemässen Hybrid-Konzept kann mit relativ kleinen Elektro- und Verbrennungsmotoren und Fahrbatterien über den ganzen Fahrbereich ausreichend Leistung bereitgestellt werden bei entsprechend geringen Gewicht und Kosten. Im mittleren Geschwindigkeitsbereich können die Batterien auch mit der Verbrennungsmotor-Überschussleistung immer wieder nachgeladen werden. Damit kann die Reichweite für lange Überlandfahrten im Wesentlichen durch den Verbrennungsmotorverbrauch und dessen Tankgrösse gegeben werden. In diesem Hybrid-Konzept ergänzen sich die beiden Motoren optimal, indem ihre jeweiligen Stärken direkt zur Wirkung gebracht werden.
Beide Motoren sind deshalb auch ungefähr gleich stark ausgelegt, d.h. es sind zwei im Prinzip gleichwertige Hauptantriebsmotoren und nicht ein Hauptmotor und ein Hilfsmotor. Der Elektromotor 1 übernimmt alle fahrdynamischen Aufgaben im hochdynamischen unteren Geschwindigkeitsbereich (Antreiben und rekuperatives Bremsen im Stadtgebiet). Damit werden die Möglichkeiten des Elektromotors, sehr gute Regelbarkeit, hoher Wirkungsgrad - auch im Teillastbereich -, optimal genutzt. Der Verbrennungsmotor ist im unteren Fahrgeschwindigkeitsbereich, im Stadtbereich, nicht aktiv. Im mittleren Geschwindigkeitsbereich wird der Verbrennungsmotor ebenfalls möglichst gleichmässig und in einem effizienten Betriebsbereich, oft im Volllastbereich, genutzt, z.B. bei schnelleren Bergfahrten.
Im oberen Geschwindigkeitsbereich (Überlandstrassen und auf Autobahnen) wird hauptsächlich der Verbrennungsmotor im Vollastbereich eingesetzt.
Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung mit besonders günstigen Verhältnissen der beiden Motoren bezüglich Leistungen, Drehmomenten und Untersetzungsverhältnissen sowie mit weiteren Kombinationselementen. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen erfindungsgemässen Hybrid-Antrieb mit Stillstandskupplung;
Fig. 2 einen Leistungsverlauf von Elektromotor und Verbrennungsmotor in Funktion der Geschwindigkeit;
Fig. 3 einen Leistungsverlauf bei einem zweistufigen Hybrid-Antrieb;
Fig. 4 einen Momentverlauf von Elektromotor und Verbrennungsmotor in Funktion der Geschwindigkeit;
Fig. 5 ein Beispiel mit unterschiedlichem Untersetzungsverhältnis von Elektromotor und Verbrennungsmotor;
Fig. 6 ein Beispiel mit umschaltbarem zweistufigem Kettengetriebe;
Fig. 7 das Zusammenwirken beider Antriebe an einem Fahrbeispiel.
Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemässen Hybrid-Antrieb mit einem Elektromotor 1, welcher mit einem fixen Untersetzungsgetriebe 2 verbunden ist. Ein Verbrennungsmotor 3 ist über eine Kupplung 4 direkt an eine Welle des fixen Untersetzungsgetriebes 2 einkuppelbar. Der Ausgang des Untersetzungsgetriebes führt über eine im Stillstand ein- und ausschaltbare Kupplung 5 auf eine Transmission 7, z.B. mit Differenzial und Halbwellen, welche die Antriebsleistung von beiden Motoren auf die Antriebsräder 9 überträgt. Die gesamte Leistungs- und Funktionssteuerung wird durch eine Systemsteuerung 10 ausgeführt, welche auch eine Elektromotorsteuerung 16 und eine Verbrennungsmotorsteuerung 17 enthält.
Die Systemsteuerung 10 ist mit Elektromotor 1, Verbrennungsmotor 3, Kupplung 4, Batterie 15 und mit Eingabeelementen 6 verbunden, z.B. mit einem Gaspedal 31, einem Bremspedal 32 und einem Programmwählschalter 12. Durch die Systemsteuerung 10 ist der Elektromotor 1 auch als Generator zur Aufladung der Fahrbatterie 15 betreibbar. Dies einmal als Rekuperationsbremse, gesteuert über das Bremspedal 32, und auch im Fahrbetrieb, wenn der Verbrennungsmotor im optimalen Vollastbereich betrieben mehr Leistung abgibt als zum Fahren benötigt wird, kann mit der Überschussleistung über den Elektromotor die Batterie nachgeladen werden. Anzeigegeräte 8 informieren über den Ladezustand der Batterie 15 und über Verbrauchs- und Betriebsdaten beider Motoren 1, 3.
Mit einer zusätzlichen, im Stillstand schaltbaren Kupplung 5, z.B. in Form eines Verschieberitzels, kann die Transmission 7 vom Untersetzungsgetriebe 2 getrennt werden. Dann kann über einen Starterknopf 14 der Verbrennungsmotor mit dem Elektromotor als Anlasser gestartet werden, um anschliessend als Standgeneratormaschine mit dem Verbrennungsmotor über den Elektromotor die Batterie 15 aufzuladen. Dies als Reservelösung, falls einmal kein Netzanschluss für das Ladegerät 18 vorhanden ist (Betriebsmodus SL: Stillstand Laden).
Mit dem Programmvorwählschalter 12 werden z.B. folgende weitere, automatisch ablaufende Fahrprogramme eingestellt:
Elektroantrieb Modus E: Rein elektrische Fahrt mit Rekuperationsfunktion als zusätzliches Bremssystem. Der Verbrennungsmotor ist ausgeschaltet und ausgekuppelt.
Hybrid-Antrieb Modus H: Im unteren Geschwindigkeitsbereich wiederum rein elektrische Fahrt, bei Überschreiten einer einstellbaren Innerorts-Grenzgeschwindigkeit von z.B. 60 bis 65 km/h wird der Verbrennungsmotor 3 automatisch eingekuppelt und übernimmt die volle Fahrleistung, soweit seine Leistung dazu ausreicht. Beide Motoren werden durch den Sollwertgeber (Gaspedal) 31 so angesteuert, dass insgesamt die gewünschte Gesamtleistung PSOLL erbracht wird. Ist die gewünschte Leistung PSOLL kleiner als die mögliche Volllastleistung PVM des Verbrennungsmotors bei dieser Geschwindigkeit, so wird der Verbrennungsmotor in Teillast betrieben. Unter einer einstellbaren Minimalgeschwindigkeit VMIN von z.B. 45 bis 50 km/h wird der Verbrennungsmotor automatisch ausgekuppelt und nach einer kurzen Standby-Zeit von z.B. 10 bis 20 Sek. abgestellt.
Bei Betätigung des Bremspedals 32 wird die Betriebsstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor abgestellt, und der Elektromotor geht als Rekuperationsbremse in den Generatorbetrieb über. Bei Umschalten vom Hybrid-Modus H in den Elektro-Modus E wird immer die Betriebsmittelzufuhr zum Verbrennungsmotor unterbrochen, ausgekuppelt und dieser ausgeschaltet.
Hybrid-Antrieb Laden Modus HL: Hier wird der Verbrennungsmotor nicht in Teillast betrieben, sondern falls die Volllastleistung PVM des Verbrennungsmotors grösser ist als die abgerufene Soll-Leistung PSOLL, wird immer die Überschussleistung zur Aufladung der Batterie eingesetzt, wie z.B. in Fig. 7 erläutert.
Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Verlauf der Volllastleistungen P von Elektromotor (PE) und Verbrennungsmotor (PV) in Funktion der Geschwindigkeit V für einen Hybrid-Antrieb mit einer fixen Untersetzungsstufe. Die kurzzeitig abrufbare Maximalleistung bzw. Vollastleistung PEM des Elektromotors ist im unteren Geschwindigkeitsbereich mit 20 kW sehr hoch und sinkt erst im oberen Bereich etwas ab. Die Dauerleistung PE von 9 kW ist bis zur Höchstgeschwindigkeit, hier 120 km/h, einsetzbar und kann über den ganzen Geschwindigkeitsbereich, z.B. zum Überholen und an Steigungen, eingesetzt werden. Beim Verbrennungsmotor entspricht die Vollastleistung VM auch der Dauerleistung, welche ca. ab 60 km/h bis zu einem Höchstwert von z.B. 11 kW im Bereich der Höchstgeschwindigkeit ansteigt. Die Kurve R zeigt den Leistungsbedarf für ebene Fahrt, d.h. den Fahrwiderstand.
Die Motoren sind hier so ausgelegt und übersetzt, dass der Elektromotor allein eine Steigfähigkeit von z.B. 20-25% bei voller Zuladung ermöglicht und dass der Verbrennungsmotor seine Maximalleistung im Bereich der Höchstgeschwindigkeit, entsprechend dem Fahrwiderstand R, abgibt. Ausserorts, z.B. an Bergstrecken ab ca. 50 km/h, können die Leistungen beider Motoren addiert gemäss Kurve PE + PVM eingesetzt werden. Bei ebener Fahrt liegt der Leistungsbedarf R bei mittleren Geschwindigkeiten wesentlich tiefer als die Vollastleistung PVM des Verbrennungsmotors. Die resultierende Differenz DP = PVM - R kann dann durch Betrieb des Elektromotors als Generator zum Nachladen der Batterie genutzt werden.
Der Einsatzbereich EM, VM der beiden Motoren ist in der Figur ebenfalls dargestellt: für den Elektromotor EM von 0 bis 80 km/h und nach Bedarf auch bis zur Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h. Der Einsatzbereich des Verbrennungsmotors VM erstreckt sich normalerweise von 60 bis 120 km/h, bei Bedarf ab der Minimalgeschwindigkeit VMIN von z.B. 50 km/h. Eine andere Leistungsauslegung zeigen die Kurven PEM2 und PVM2 mit einer höheren Leistung des Verbrennungsmotors gemäss Kurve PVM2 bis zu einem Höchstwert von 14 kW, welches auch eine höhere Maximalgeschwindigkeit von ca. 130 km/h ermöglicht, entsprechend dem höheren Fahrwiderstand R. Der Elektromotor weist gemäss Kurve PEM2 eine reduzierte Maximalleistung von z.B. 14 kW auf. Dies entspricht einer Auslegung, bei der im unteren Geschwindigkeitsbereich geringere Beschleunigungs- und Steigleistungen erforderlich sind.
Dementsprechend kann auch die Batteriegrösse und deren Gewicht z.B. von 200 kg auf 120 kg reduziert werden.
Diese Motorauslegungen beziehen sich auf ein Leichtbau-Fahrzeug von z.B. 500-600 kg Leergewicht.
Fig. 3 zeigt den Leistungsverlauf für ein Beispiel mit zwei umschaltbaren fixen Untersetzungsstufen 21, 22. Die Stufe 21 ist hier auf eine Maximalgeschwindigkeit von 80 km/h und die Stufe 22 auf eine Maximalgeschwindigkeit von 130 km/h ausgelegt. Das Übersetzungsverhältnis beträgt damit 1,625. Im Allgemeinen liegt das Untersetzungsverhältnis von erster zu zweiter Stufe zwischen 1,4 und 2, vorzugsweise im Bereich von 1,5 bis 1,7. Damit wird eine höhere Steigfähigkeit bzw. Beschleunigung im unteren Geschwindigkeitsbereich durch den Elektromotor und im mittleren Geschwindigkeitsbereich bis 80 km/h durch den Verbrennungsmotor erreicht. Ebenso wird die mögliche Nachladeleistung DP = PVM - R erhöht. Mit einer solchen Zweistufenversion wird eine grössere Überlappung der Haupteinsatzbereiche EM, VM beider Motoren erreicht und VMIN reduziert.
Fig. 4 zeigt den Momentverlauf M in Funktion der Geschwindigkeit für eine fixe Untersetzungsstufe. Das Dauermoment ME mit Relativwert 1,0 und das kurzzeitig einsetzbare Maximalmoment MEM mit Maximalmoment 2,0 des Elektromotors sind vom Stillstand an sehr hoch und fallen ab ca. 30 km/h entsprechend der Leistungskurve von Fig. 2 mit steigender Geschwindigkeit V ab. Umgekehrt verläuft die Volllastmoment-Kurve MVM des Verbrennungsmotors, z.B. von 50 bis 120 km/h, steigend bis zu einem Maximalwert von hier 0,8 und dann fallend. Das einsetzbare addierte Dauermoment MVM + ME beider Motoren ergibt, ergänzt durch das hohe maximale Moment MEM des Elektromotors im untersten Bereich, hohe Werte über den ganzen Geschwindigkeitsbereich mit Reserve für Steigungen und zum Überholen. Andere Auslegungsbeispiele zeigen die Kurven MEM2 und MEM3.
Für Anwendungen vor allem in ebenen Gebieten kann das Maximalmoment mit z.B. Relativwert 1,5 gemäss Kurve MEM2 kleiner gewählt sein, während eine Anwendung, die hohe Steigfähigkeit und Beschleunigung erfordert, auf einen Maximalwert von z.B. 2,5 gemäss Kurve MEM3 ausgelegt ist. Die Kurve MVM 0,8 illustriert ein Beispiel, in dem eine Drehzahluntersetzung zwischen Elektromotor und Verbrennungsmotor von z.B. 1:0,8 vorgesehen ist, sodass bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h der Elektromotor z.B. 10 000 U/min und der Verbrennungsmotor 8 000 U/min erreicht. Durch die kürzere Untersetzung wird das auf die Elektromotorachse bezogene maximale Moment des Verbrennungsmotors auf 1,0 erhöht (wie in Fig. 5).
Fig. 5 zeigt ein solches Beispiel mit einem Stirnrad-Untersetzungsgetriebe 26, wo zwischen Elektromotor-Welle 27 und gemeinsamer Welle 28 eine Untersetzung von z.B. i = 0,8 vorliegt. Der Verbrennungsmotor 3 ist über eine elastische Koppelung 29 und über eine elektromagnetische Kupplung 4 mit der Welle 28 verbunden. Untersetzungsgetriebe 26 mit Kupplung 4 und Elektromotor 1 bilden eine kompakte Einheit.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei fixen Untersetzungsstufen 21, 22. Dieses Getriebe wird gebildet von zwei permanenten Kettentrieben 24 mit je zwei Zahnkränzen. Die Kraftschluss-Umschaltung zwischen den beiden Kettenstufen 21, 22 erfolgt über eine elektromagnetische Umschaltkupplung 23 auf der Elektromotorwelle 27. Die Abtriebswelle 30 trägt einen Freilauf 35 des langsameren Kettentriebes 21. An Stelle des Freilaufs könnte auch eine elektromagnetische Kupplung auf der Abtriebswelle 30 eingesetzt sein. Die Zahnkränze sind leicht und fein abgestuft auswechselbar, sodass die Untersetzungen 21, 22 optimal auf den gewünschten Haupteinsatzbereich eines Fahrzeugs ausgelegt werden können.
Fig. 7 illustriert das optimal kombinierte Zusammenwirken beider Motoren an einem Fahrbeispiel, gefahren ausserorts im Modus HL = Hybrid-Laden. Die Kurve PVM zeigt die der gefahrenen Geschwindigkeit entsprechende Volllastleistung des Verbrennungsmotors in Funktion der Fahrzeit. PVM verläuft hier ungefähr proportional zur Geschwindigkeit. Die Kurve PSOLL entspricht dem mittels Gaspedal 31 vorgegebenen gewünschten Leistungs-Sollwert. Im ersten Teil der Fahrt bis T1 wird eine höhere Leistung verlangt, als der Verbrennungsmotor bei dieser Geschwindigkeit abgeben kann: PSOLL > PVM, z.B. an einer Steigung. In einer anschliessenden Gefällstrecke bis T2 ist PSOLL = 0, der Verbrennungsmotor läuft jedoch weiter und lädt über den Elektromotor die Energie F2- in die Batterie. Bei T2 wird eine hohe Leistung PSOLL zum Überholen und Beschleunigen verlangt: Fläche F3+.
Ab T3 wird z.B. im Modus H nur noch mit dem VM gefahren, solange PSOLL </= PVM ist. Die Energien F1+ und F3+ werden also der Batterie 15 entnommen, während die Energie F2- zurückgespiesen wird (additive und subtraktive Schaltung der beiden Motoren). Dies wird mittels einer Kapazitätsanzeige der Batterie überwacht, sodass immer ein angestrebter ausreichender Ladezustand der Batterie erhalten bleibt (bis zur nächsten Netzaufladung). Ein optimiertes, den Ladezustand und die Charakteristik der Batterie berücksichtigendes Batteriemanagement kann ins Steuerprogramm 11 integriert sein. Bei genügendem Ladezustand der Batterie kann im Modus H, d.h. ohne Nachladen der Fläche F2-, gefahren werden. Die Motorensteuerung kann auch direkt manuell beeinflusst werden, z.B. durch Ein- und Ausschalten des Verbrennungsmotors bei T2 bzw. T1 (Wahl einer Betriebsart M = manuell).
Ein wesentlicher Vorteil des erfinderischen Hybrid-Konzepts liegt auch darin, dass der Verbrennungsmotor, entgegen den bisher bekannten Parallel-Hybrid-Antrieben zum Anfahren und im unteren Geschwindigkeitsbereich bis VMIN, nicht eingesetzt wird. Der Verbrennungsmotor kann damit entsprechend optimal auf seinen beschränkten Einsatzbereich ausgelegt sein. Dies ist auf besonders effiziente Art z.B. mit einem einfachen, kostengünstigen und leichten Zweitaktmotor möglich. Es sind generell neben Otto- und Dieselmotoren, aber auch andere Verbrennungsmotoren wie Stirlingmaschinen oder Gasturbinen einsetzbar - da der Verbrennungsmotor nur langsam veränderlichen Lastwechseln folgen muss. Das neue Hybrid-Konzept ergibt insgesamt einen leistungsfähigen und effizienten, einfachen, leichten, kompakten und vor allem kostengünstigen Antrieb.
The invention relates to a hybrid drive for road vehicles with an electric motor and an internal combustion engine connected in parallel. Previously known hybrid drives still have considerable disadvantages. Above all, they are very complex, expensive and relatively heavy and yet have limited performance in everyday use. Series hybrid systems require three machines: an internal combustion engine with a generator to generate electricity and an electric motor as a driving machine, all three of which have to be designed essentially for the nominal power of the drive and thus form an extremely heavy and expensive system. The performance of the electric motor and internal combustion engine cannot be added together.
Known parallel hybrid drives, on the other hand, always require at least one complex multi-stage manual transmission or an automatic transmission with a torque converter. The electrical power is usually very limited and often not even sufficient for purely electrical, emission-free driving in agglomerations.
It is an object of the present invention to overcome the disadvantages of the known hybrid systems and to provide a drive which is distinguished by a low system weight, small space requirement, simple construction, low manufacturing and operating costs, high efficiency and good performance in the entire speed range. It should be particularly suitable for lightweight vehicles and enable emission-free, purely electric driving in agglomerations. This object is achieved according to the invention by a hybrid drive according to claim 1. The direct mechanical connection on the one hand of the electric motor and on the other hand of the internal combustion engine to the common, simple fixed reduction gear and the transmission can reduce the power of both motors in the simplest way and with the greatest possible efficiency Drive wheels are done.
The system control enables the optimal use of each engine individually and interconnected, depending on the driving speed and the currently desired drive power. With this hybrid concept according to the invention, with relatively small electric and internal combustion engines and traction batteries, sufficient power can be provided over the entire driving range with a correspondingly low weight and cost. In the medium speed range, the batteries can be recharged again and again with the internal combustion engine excess power. The range for long overland journeys can thus essentially be given by the internal combustion engine consumption and its tank size. In this hybrid concept, the two engines complement each other optimally by bringing their respective strengths to bear.
Both motors are therefore designed to be roughly the same strength, i.e. they are two main drive motors that are basically equivalent and not a main motor and an auxiliary motor. The electric motor 1 takes over all driving dynamic tasks in the highly dynamic lower speed range (driving and recuperative braking in the urban area). Thus, the possibilities of the electric motor, very good controllability, high efficiency - even in the partial load range - are optimally used. The internal combustion engine is not active in the lower driving speed range, in the urban area. In the medium speed range, the internal combustion engine is also used as uniformly as possible and in an efficient operating range, often in the full load range, e.g. for faster ascents.
In the upper speed range (overland roads and on motorways), the combustion engine is mainly used in the full load range.
The dependent claims relate to advantageous developments of the invention with particularly favorable ratios of the two motors with regard to powers, torques and reduction ratios, and with further combination elements. The invention is explained in more detail below with the aid of examples and figures.
It shows:
1 shows a hybrid drive according to the invention with a standstill clutch;
2 shows a power curve of the electric motor and internal combustion engine as a function of the speed;
3 shows a power curve in a two-stage hybrid drive;
4 shows a torque curve of the electric motor and internal combustion engine as a function of the speed;
5 shows an example with a different reduction ratio of electric motor and internal combustion engine;
6 shows an example with a switchable two-stage chain transmission;
Fig. 7, the interaction of both drives on a driving example.
Fig. 1 shows schematically an inventive hybrid drive with an electric motor 1, which is connected to a fixed reduction gear 2. An internal combustion engine 3 can be directly coupled to a shaft of the fixed reduction gear 2 via a clutch 4. The output of the reduction gear leads via a clutch 5 that can be switched on and off at a standstill to a transmission 7, e.g. with differential and half shafts, which transmits the drive power from both motors to the drive wheels 9. The entire power and function control is carried out by a system control 10, which also contains an electric motor control 16 and an internal combustion engine control 17.
The system controller 10 is connected to the electric motor 1, internal combustion engine 3, clutch 4, battery 15 and to input elements 6, e.g. with an accelerator pedal 31, a brake pedal 32 and a program selector switch 12. The system control 10 also allows the electric motor 1 to be operated as a generator for charging the traction battery 15. This as a recuperation brake, controlled via the brake pedal 32, and also when driving, when the internal combustion engine delivers more power in the optimal full-load range than is required for driving, the battery can be recharged with the excess power via the electric motor. Display devices 8 provide information about the state of charge of the battery 15 and about consumption and operating data of both motors 1, 3.
With an additional clutch 5 that can be switched at a standstill, e.g. in the form of a shift pinion, the transmission 7 can be separated from the reduction gear 2. The internal combustion engine can then be started with the electric motor as a starter via a starter button 14, in order then to charge the battery 15 as a stationary generator machine with the internal combustion engine via the electric motor. This as a reserve solution if there is no mains connection for the charger 18 (operating mode SL: standstill charging).
With the program selection switch 12 e.g. The following additional, automatically running driving programs are set:
Electric drive mode E: Purely electric drive with recuperation function as an additional braking system. The internal combustion engine is switched off and disengaged.
Hybrid drive mode H: In the lower speed range, again purely electric travel, if an adjustable urban limit speed of e.g. The internal combustion engine 3 is automatically engaged at 60 to 65 km / h and takes over the full driving performance as far as its performance is sufficient. Both motors are controlled by the setpoint generator (accelerator pedal) 31 in such a way that the desired total power PSOLL is achieved overall. If the desired power PSOLL is less than the possible full load power PVM of the internal combustion engine at this speed, the internal combustion engine is operated at partial load. At an adjustable minimum speed VMIN of e.g. The combustion engine is automatically disengaged at 45 to 50 km / h and after a short standby time of e.g. Turned off for 10 to 20 seconds.
When the brake pedal 32 is actuated, the supply of fuel to the internal combustion engine is shut off, and the electric motor switches over to generator operation as a recuperation brake. When switching from hybrid mode H to electric mode E, the supply of equipment to the internal combustion engine is always interrupted, disengaged and the latter switched off.
Hybrid drive charging mode HL: Here the internal combustion engine is not operated at partial load, but if the full load power PVM of the internal combustion engine is greater than the requested target power PSOLL, the excess power is always used to charge the battery, e.g. explained in Fig. 7.
2 shows an example of a curve of the full load powers P of the electric motor (PE) and the internal combustion engine (PV) as a function of the speed V for a hybrid drive with a fixed reduction stage. The briefly available maximum power or full load power PEM of the electric motor is very high at 20 kW in the lower speed range and only drops somewhat in the upper range. The continuous power PE of 9 kW can be used up to the maximum speed, here 120 km / h, and can be used over the entire speed range, e.g. for overtaking and on slopes. In the case of the internal combustion engine, the full load power VM also corresponds to the continuous power, which is approx. From 60 km / h up to a maximum value of e.g. 11 kW increases in the area of the maximum speed. Curve R shows the power requirement for level travel, i.e. the driving resistance.
The motors are designed and translated here so that the electric motor alone has a climbing ability of e.g. 20-25% with full load enables and that the internal combustion engine delivers its maximum power in the range of the maximum speed, corresponding to the driving resistance R. Out of town, e.g. on mountain routes from approx. 50 km / h, the performance of both motors can be used together according to curve PE + PVM. When driving flat, the power requirement R at medium speeds is significantly lower than the full load power PVM of the internal combustion engine. The resulting difference DP = PVM - R can then be used as a generator to recharge the battery by operating the electric motor.
The area of application EM, VM of the two motors is also shown in the figure: for the electric motor EM from 0 to 80 km / h and, if required, up to a maximum speed of 120 km / h. The area of application of the internal combustion engine VM normally extends from 60 to 120 km / h, if necessary from the minimum speed VMIN of e.g. 50 km / h. The PEM2 and PVM2 curves show a different power rating with a higher internal combustion engine power according to curve PVM2 up to a maximum value of 14 kW, which also enables a higher maximum speed of approx. 130 km / h, corresponding to the higher driving resistance R. According to Curve PEM2 a reduced maximum output of e.g. 14 kW. This corresponds to a design in which lower acceleration and climbing performance are required in the lower speed range.
Accordingly, the battery size and its weight can e.g. reduced from 200 kg to 120 kg.
These engine designs refer to a lightweight vehicle from e.g. 500-600 kg empty weight.
3 shows the power curve for an example with two switchable fixed reduction stages 21, 22. Here stage 21 is designed for a maximum speed of 80 km / h and stage 22 for a maximum speed of 130 km / h. The gear ratio is therefore 1.625. In general, the reduction ratio from first to second stage is between 1.4 and 2, preferably in the range from 1.5 to 1.7. A higher gradeability or acceleration in the lower speed range is achieved by the electric motor and in the medium speed range up to 80 km / h by the internal combustion engine. The possible recharging capacity DP = PVM - R is also increased. With such a two-stage version, a greater overlap of the main application areas EM, VM of both motors is achieved and VMIN is reduced.
4 shows the torque curve M as a function of the speed for a fixed reduction stage. The permanent torque ME with a relative value of 1.0 and the short-term maximum torque MEM with a maximum torque of 2.0 of the electric motor are very high from a standstill and decrease with increasing speed V from approx. 30 km / h in accordance with the performance curve of FIG. 2. Conversely, the full load torque curve MVM of the internal combustion engine, e.g. from 50 to 120 km / h, increasing up to a maximum value of 0.8 here and then falling. The usable added continuous torque MVM + ME of both motors, supplemented by the high maximum torque MEM of the electric motor in the lowest range, results in high values over the entire speed range with reserve for gradients and overtaking. The curves MEM2 and MEM3 show other design examples.
For applications, especially in flat areas, the maximum torque can be e.g. Relative value 1.5 can be chosen smaller according to curve MEM2, while an application that requires high gradeability and acceleration can be set to a maximum value of e.g. 2.5 is designed according to curve MEM3. The curve MVM 0.8 illustrates an example in which a speed reduction between the electric motor and internal combustion engine of e.g. 1: 0.8 is provided so that at a speed of 120 km / h the electric motor e.g. 10,000 rpm and the internal combustion engine reached 8,000 rpm. Due to the shorter reduction, the maximum torque of the internal combustion engine related to the electric motor axis is increased to 1.0 (as in FIG. 5).
Fig. 5 shows such an example with a spur gear reduction gear 26, where between the electric motor shaft 27 and common shaft 28 a reduction of e.g. i = 0.8 is present. The internal combustion engine 3 is connected to the shaft 28 via an elastic coupling 29 and an electromagnetic coupling 4. Reduction gear 26 with clutch 4 and electric motor 1 form a compact unit.
Fig. 6 shows an embodiment with two fixed reduction stages 21, 22. This gear is formed by two permanent chain drives 24, each with two sprockets. The adhesion switching between the two chain stages 21, 22 takes place via an electromagnetic changeover clutch 23 on the electric motor shaft 27. The output shaft 30 carries a freewheel 35 of the slower chain drive 21. Instead of the freewheel, an electromagnetic clutch could also be used on the output shaft 30. The sprockets are easily and finely graduated interchangeable so that the reductions 21, 22 can be optimally designed for the desired main area of application of a vehicle.
7 illustrates the optimally combined interaction of the two motors using a driving example, driven out of town in the HL = hybrid charging mode. The curve PVM shows the full load power of the internal combustion engine corresponding to the speed driven as a function of the travel time. PVM is roughly proportional to speed. The curve PSOLL corresponds to the desired power setpoint specified by the accelerator pedal 31. In the first part of the journey up to T1, a higher output is required than the internal combustion engine can deliver at this speed: PSOLL> PVM, e.g. on a slope. In a subsequent downhill stretch to T2, PSOLL = 0, but the internal combustion engine continues to run and charges the energy F2- into the battery via the electric motor. At T2, a high power PSOLL is required for overtaking and accelerating: area F3 +.
From T3 e.g. in mode H only run with the VM as long as PSOLL </ = PVM. The energies F1 + and F3 + are thus taken from the battery 15, while the energy F2- is fed back (additive and subtractive switching of the two motors). This is monitored by means of a capacity display on the battery, so that the desired state of charge of the battery is always maintained (until the next mains charge). An optimized battery management system that takes into account the state of charge and the characteristics of the battery can be integrated into the control program 11. If the battery is sufficiently charged, mode H, i.e. without reloading the area F2-. The motor control can also be directly influenced manually, e.g. by switching the combustion engine on and off at T2 or T1 (selection of an operating mode M = manual).
Another major advantage of the inventive hybrid concept is that, contrary to the parallel hybrid drives known to date, the internal combustion engine is not used for starting and in the lower speed range up to VMIN. The internal combustion engine can thus be optimally designed for its limited area of application. This is particularly efficient e.g. possible with a simple, inexpensive and lightweight two-stroke engine. In addition to petrol and diesel engines, other internal combustion engines such as Stirling engines or gas turbines can also be used - since the internal combustion engine only has to follow slowly changing load changes. Overall, the new hybrid concept results in a powerful and efficient, simple, light, compact and, above all, inexpensive drive.