DE10012221A1 - Hybridantriebseinrichtung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Hybridantriebseinrichtung für Kraftfahrzeuge

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Abstract

Hybridantriebeinrichtung für Kraftfahrzeuge, welche einen Hauptantriebsstrang (14) zwischen einem Hauptmotor (10) und einem Hauptgetriebe (12) hat, welches eine variable Übersetzung hat und mit einer ersten Fahrzeugradachse (4) antriebsmäßig verbunden oder verbindbar ist. Eine erste elektrische Maschine (18) ist mit dem Hauptantriebsstrang (14) und eine zweite elektrische Maschine (30) ist mit einer zweiten Fahrzeugradachse (6) antriebsmäßig verbunden oder verbindbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hybridantriebseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Hybridantriebseinrichtung dieser Art ist aus Fig. 28 und der zugehörigen Beschreibung der EP 0839683 A2 bekannt. Das Hauptgetriebe ist ein Planetengetriebe. Der Hauptantriebsmotor ist ein Verbrennungsmotor. Der Hauptantriebsmotor ist mit dem Planetenträger des Planetengetriebes antriebsmäßig verbunden. Eine erste elektrische Maschine, welche alternativ als Elektromotor oder als Generator betreibbar ist, ist mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes antriebsmäßig verbunden. Das Hohlrad des Planetengetriebes ist über einen weiteren Getriebezug mit einer Fahrzeug-Vorderradachse antriebsmäßig verbunden. Eine zweite elektrische Maschine, welche wahlweise als Elektromotor oder als Generator betreibbar ist, ist antriebsmäßig mit einer Hinterradachse des Kraftfahrzeuges verbunden. Die Abtriebsdrehzahl des Planetengetriebes, d. h. die Drehzahl seines Hohlrades, ist abhängig sowohl von der Drehzahl des Verbrennungsmotors als auch von der Drehzahl der ersten elektrischen Maschine und dadurch in Abhängigkeit von diesen beiden variabel. Das Planetengetriebe hat somit zwei Hauptantriebsstränge, von welchen es antreibbar ist, nämlich einen zum Verbrennungsmotor und einen zur ersten elektrischen Maschine.
Üblicherweise werden jedoch in Kraftfahrzeugen Getriebe mit variabler Übersetzung verwendet, welche nur über einen einzigen Hauptantriebsstrang antreibbar sind, welcher mit einem Hauptmotor verbunden oder verbindbar ist. Der Hauptmotor ist meistens ein Verbrennungsmotor, kann jedoch auch ein Elektromotor, der mit einer Batterie und/oder einer Brennstoffzelle betrieben wird, oder eine andere Art von Motor sein. Das Getriebe mit variabler Übersetzung kann ein manuell schaltbares Mehrganggetriebe, ein Automatikgetriebe oder ein automatisch oder halbautomatisch schaltbares Mehrgangwechselgetriebe, oder ein Getriebe mit stufenlos variabler Antriebsübersetzung, ein sogenanntes Continuous Variable Transmission (CVT) sein.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge derart auszubilden, daß er auch bei üblichen Kombinationen von Hauptmotor und Hauptgetriebe mit variabler Getriebeübersetzung anwendbar ist, ohne daß der Hauptmotor und das Hauptgetriebe sowie der diese beiden Teile miteinander verbindende Hauptantriebsstrang prinzipiell verändert werden müssen bezüglich ihrer Konstruktion oder ihrer räumlichen Anordnung in einem Kraftfahrzeug. Ferner soll eine solche Hybridantriebseinrichtung es ermöglichen, das Kraftfahrzeug wahlweise nur mit dem Hauptantriebsmotor und/oder einer oder beiden der elektrischen Maschinen anzutreiben. Ferner soll ein permanenter Allradantrieb möglich sein.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß betrifft die Erfindung eine Hybridantriebseinrichtung für Kraftfahrzeuge, enthaltend eine erste Antriebsanordnung, welche zum Antrieb einer ersten Fahrzeugradachse einen Hauptmotor, ein Hauptgetriebe, einen Hauptantriebsstrang zwischen dem Hauptmotor und dem Hauptgetriebe, und mindestens eine erste elektrische Maschine aufweist, die alternativ als Elektromotor oder als Generator betreibbar ist; eine zweite Antriebsanordnung, welche zum Antrieb einer zweiten Fahrzeugradachse mindestens eine zweite elektrische Maschine aufweist, die alternativ als Elektromotor oder als Generator betreibbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptgetriebe ein Getriebe mit variabler Übersetzung ist und daß die erste elektrische Maschine der ersten Antriebsanordnung mit dem Hauptantriebsstrang antriebsmäßig verbunden oder verbindbar ist zur Leistungsabgabe oder zur Leistungsaufnahme am Hauptantriebsstrang.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Anstelle einer einzigen ersten elektrischen Maschine oder einer einzigen zweiten elektrischen Maschine können selbstverständlich auch jeweils mehrere erste elektrische Maschinen und/oder mehrere zweite elektrische Maschinen verwendet werden. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung jeweils nur einer einzigen elektrischen Maschine begrenzt.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 schematisch eine Hybridantriebseinrichtung nach der Erfindung für ein Kraftfahrzeug, bei welchem ein Hauptantriebsmotor und mindestens eine erste elektrische Maschine auf die hintere Fahrzeugradachse wirken,
Fig. 2 eine Hybridantriebseinrichtung nach der Erfindung für Kraftfahrzeuge, bei welchem der Hauptantriebsmotor und mindestens eine erste elektrische Maschine auf die vordere Fahrzeugradachse wirken.
Die Fig. 1 und 2 zeigen je einen Hybridantrieb 2 bzw. 2-2 für ein Kraftfahrzeug, welches mindestens eine Hinterradachse 4 mit Fahrzeugrädern 4-1 und 4-2 und eine Vorderradachse 6 mit lenkbaren Fahrzeugrädern 6-1 und 6-2 aufweist.
Jede Hybridantriebseinrichtung 2 und 2-2 der Fig. 1 und 2 enthält eine erste Antriebsanordnung 8, welche einen Hauptmotor 10, z. B. einen Verbrennungsmotor oder eine Elektromaschine, ein Hauptgetriebe 12 und einen Hauptantriebsstrang 14 zwischen dem Hauptmotor 10 und dem Hauptgetriebe 12 aufweist.
Der Hauptantriebsstrang 14 enthält vorzugsweise eine Hauptkupplung 16, mit welcher die Antriebsverbindung trennbar ist, durch welche der Hauptantriebsstrang 14 den Hauptmotor 10 mit der Antriebsseite des Hauptgetriebes 12 verbindet.
Das Hauptgetriebe 12 ist ein Getriebe mit variabler Übersetzung, beispielsweise ein manuell schaltbares Mehrganggetriebe, ein Automatikgetriebe oder ein automatisch oder halbautomatisch schaltbares Mehrganggetriebe, oder ein Getriebe mit stufenlos variabler Antriebsübersetzung, ein sogenanntes Continuous Variable Transmission (CVT).
Je nach Art des Hauptgetriebes 12 kann die Hauptkupplung 16 von einem Fahrer durch ein Kupplungspedal oder automatisch betätigt werden. Wenn das Hauptgetriebe 12 ein automatisches Getriebe mit einem Drehmomentwandler ist, dann ist die Hauptkupplung 16 nicht erforderlich.
Zur ersten Antriebsanordnung 8 gehört auch mindestens eine erste elektrische Maschine 18, die über einen Getriebezug 20 mit dem Hauptantriebsstrang 14 an einer zwischen der Hauptkupplung 16 und der Antriebsseite 15 des Hauptgetriebes 12 gelegenen Stelle antriebsmäßig verbunden ist. Die erste elektrische Maschine ist alternativ als Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom oder als Elektromotor betreibbar, so daß das Hauptgetriebe 12 auf seiner Antriebsseite 15 alternativ nur vom Hauptmotor 10 oder nur vom Elektromotor 18 oder von beiden antreibbar ist. In der Funktion als Generator ist die elektrische Maschine 18 vom Hauptmotor 10 oder vom Hauptgetriebe 12 antreibbar.
Gemäß einer nicht gezeigten anderen Ausführungsform ist die elektrische Maschine 18 über den Getriebezug 20 an einer zwischen dem Hauptmotor 10 und der Hauptkupplung 16 gelegenen Stelle mit dem Hauptantriebsstrang 14 antriebsmäßig verbunden. Darüber hinaus kann diese erste Maschine auch innerhalb des Getriebes oder am Getriebeausgang installiert werden und das Moment übertragen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Abtriebsseite 24 des bezüglich seiner Übersetzung variablen Hauptgetriebes 12 über ein Differenzialgetriebe 26 mit der Hinterachse 4 antriebsmäßig verbunden, bei der Ausführungsform von Fig. 2 statt dessen mit der Vorderradachse 6.
Bei beiden Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 ist eine zweite Antriebsanordnung 28 vorgesehen, welche mindestens eine zweite elektrische Maschine 30 aufweist, welche in Fig. 1 über einen zweiten Getriebezug 32 mit der Vorderradachse 6 und in Fig. 6 (mit oder ohne zweiten Getriebezug) mit der Hinterradachse 4 antriebsmäßig verbunden ist. In Fig. 2 ist die zweite elektrische Maschine 30 mit einem nicht im Detail gezeigten Ausgleichsgehäuse des Differenzialgetriebes 26 antriebsmäßig verbunden. Gemäß anderer Ausführungsformen kann die zweite elektrische Maschine 30 um das Gehäuse des Differenzialgetriebes herum koaxial zur Hinterradachse 4 angeordnet sein, wie dies z. B. aus der EP 0839683 A2 bekannt ist.
Die zweite elektrische Maschine 30 der zweiten Antriebsanordnung 28 ist wahlweise als Elektromotor zum Antrieb der mit ihm antriebsmäßig verbundenen Fahrzeugradachse, d. h. der Vorderradachse 6 von Fig. 1 oder der Hinterradachse 4 von Fig. 4, verwendbar, entweder allein oder in Kombination mit dem Hauptmotor 10 und/oder der mindestens einen elektrischen Maschine 18 der ersten Antriebsanordnung 8, oder als elektrischer Generator benutzbar, welcher von der mit ihm antriebsmäßig verbundenen Fahrzeugradachse 6 von Fig. 1 bzw. 4 von Fig. 2 antreibbar ist.
Alle elektrischen Maschinen 18 und 30 können jeweils fest oder über eine Kupplung antriebsmäßig verbunden oder verbindbar sein.
Die elektrischen Maschinen 18 und 30 können koaxial direkt auf den von ihnen anzutreibenden Achsen angeordnet sein. Das bedeutet, daß die erste elektrische Maschine 18 der ersten Antriebsanordnung 8 axial auf dem Hauptantriebsstrang 14 angeordnet sein kann, in welchem Falle ihr Getriebezug 20 entfällt, und es bedeutet, daß die zweite elektrische Maschine 30 der zweiten Antriebsanordnung 28 koaxial auf der von ihr anzutreibenden Vorderradachse 6 von Fig. 1 bzw. Hinterradachse 4 von Fig. 2 angeordnet sein kann. In letzterem Falle können auch zwei zweite elektrische Maschinen 30 vorgesehen werden, von welchen je eine auf jeder Achshälfte der mit ihr antriebsmäßig verbundenen oder zu verbindenden Radachse 6 bzw. 4 angeordnet sein kann.
Die elektrischen Maschinen 18 und 30 werden von einer elektronischen Motor- und Getriebesteuereinrichtung 36 in Abhängigkeit von vorbestimmten Kriterien und von Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeuges als Elektromotor oder als Generator betrieben. Im Generatorbetrieb erzeugen sie elektrischen Strom, welcher in einem Stromspeicher 38, normalerweise eine Batterie, gespeichert wird. Diese gleiche Batterie 38 liefert den Strom für die elektrischen Maschinen 18 und 30, wenn die eine oder die andere dieser elektrischen Maschinen als Elektromotor arbeitet. Da jeweils die eine elektrische Maschine 18 oder 30 als Generator arbeiten kann, während die andere als Elektromotor benutzt wird, ist auch bei Verwendung eines relativ kleinen Energiespeichers 38 permanenter Allradantrieb möglich. Bei Allradantrieb ist die eine Fahrzeugradachse, d. h. die Hinterradachse 4 in Fig. 1 bzw. die Vorderradachse 6 in Fig. 2, von dem Hauptmotor 10 antreibbar, wobei die mit ihm antriebsmäßig verbundene erste elektrische Maschine 18 als Generator zur Stromerzeugung (oder als Elektromotor) betreibbar ist, und die zweite elektrische Maschine 30 die betreffende andere Fahrzeugradachse antreibt, d. h. in Fig. 1 die Vorderradachse 6 und in Fig. 2 die Hinterradachse 4.
Die Erfindung hat insbesondere folgende Vorteile: Die mit dem Hauptantriebsmotor 10 antriebsmäßig verbundene oder verbindbare mindestens eine erste elektrische Maschine 18 kann wahlweise als Motor oder als Generator oder als Starter zum Starten des als Verbrennungsmotor ausgebildeten Hauptmotors 10 benutzt werden; die variable Übersetzung des Hauptgetriebes 12 ist nicht nur für den Fahrzeugantrieb durch den Hauptmotor 10, sondern auch für den Fahrzeugantrieb durch die mindestens eine erste elektrische Maschine 18 verwendbar; es ist ein permanenter Allradantrieb möglich; es ist ein schnelles und sicheres elektrisches Anfahren im Start/Stop-Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges möglich; es ist eine Rekuperation (Energierückgewinnung) und damit eine Stromerzeugung über alle vier Räder der beiden Fahrzeugradachsen 4 und 6 möglich; für hohen Leistungsbedarf, beispielsweise bei Fahrzeugüberholmanövern und beim Schleppen von Anhängerlasten am Berg, ist eine Leistungsaddition von allen drei Antriebseinheiten möglich, d. h. dem Hauptmotor 10 und der ersten elektrischen Maschine 18 sowie der zweiten elektrischen Maschine 30; die variable Übersetzung des Hauptgetriebes 12 (Schaltgetriebe oder Automatikgetriebe oder CVT oder dergleichen) ermöglicht es, die mindestens eine erste elektrische Maschine 18 sowohl im Generatorbetrieb als auch im Betrieb als Elektromotor in einem günstigen Betriebspunkt zu betreiben; der elektrische Energiespeicher 38 ist auch bei Fahrzeugstillstand elektrisch aufladbar durch Antrieb der ersten elektrischen Maschine 18 von dem Hauptmotor 10; der als Verbrennungsmotor oder Elektromotor ausgebildete Hauptmotor 10 kann durch die variable Übersetzung des Hauptgetriebes 12 in einem günstigen Betriebspunkt mit geringem Energiebedarf betrieben werden; hoher Wirkungsgrad durch Vermeidung von Energieverlusten im Antriebsstrang; alle elektrischen Maschinen 18 und 30 sind als elektrische Bremsen zum Abbremsen des Kraftfahrzeuges verwendbar, wobei die Bremsenergie in elektrische Energie umwandelbar ist; der Hauptmotor 10 und das übersetzungsvariable Hauptgetriebe 12 bilden einen handelsüblichen Antriebsstrang, welcher durch die elektrischen Maschinen 18 und 30 einen Hybridantrieb bildet, ohne daß der handelsübliche Antriebsstrang konstruktiv oder räumlich prinzipiell verändert zu werden braucht; die gesamte Hybridantriebseinrichtung kann aus handelsüblichen Teilen hergestellt werden, benötigt wenig Raum und hat ein geringes Gewicht. Die Elektromaschine 18 kann aber auch innerhalb des Getriebes oder sogar am Getriebeausgang das Moment übertragen und installiert werden.

Claims (7)

1. Hybridantriebseinrichtung für Kraftfahrzeuge, enthaltend eine erste Antriebsanordnung (8), welche zum Antrieb einer ersten Fahrzeugradachse (4; 6) einen Hauptmotor (10), ein Hauptgetriebe (12), einen Hauptantriebsstrang (14) zwischen dem Hauptmotor (10) und dem Hauptgetriebe (12), und mindestens eine erste elektrische Maschine (18) aufweist, die alternativ als Elektromotor oder als Generator betreibbar ist; eine zweite Antriebsanordnung (28), welche zum Antrieb einer zweiten Fahrzeugradachse (4; 6) mindestens eine zweite elektrische Maschine (30) aufweist, die alternativ als Elektromotor oder als Generator betreibbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptgetriebe (12) ein Getriebe mit variabler Übersetzung ist und daß die erste elektrische Maschine (18) der ersten Antriebsanordnung (8) mit dem Hauptantriebsstrang (14) antriebsmäßig verbunden oder verbindbar ist zur Leistungsabgabe oder zur Leistungsaufnahme am Hauptantriebsstrang (14).
2. Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptantriebsstrang (14) eine schaltbare Kupplung (16) zur Unterbrechung seiner Verbindung zwischen dem Hauptmotor (10) und dem Hauptgetriebe (12) enthält.
3. Hybridantriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Maschine (18) zwischen der schaltbaren Kupplung (16) und dem Hauptgetriebe (12) mit dem Hauptantriebsstrang (14) antriebsmäßig verbunden oder verbindbar ist.
4. Hybridantriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fahrzeugradachse eine Hinterachse (4) und die zweite Fahrzeugradachse die lenkbare Vorderachse (6) eines Kraftfahrzeuges ist.
5. Hybridantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fahrzeugradachse eine Vorderradachse (6) und die zweite Fahrzeugradachse eine Hinterradachse (4) eines Kraftfahrzeuges ist.
6. Hybridantriebseinrichtung nach Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptmotor (10) näher bei der Vorderachse (6) als bei der Hinterachse angeordnet ist.
7. Hybridantriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptmotor (10) ein Verbrennungsmotor ist.
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