DE10022113A1 - Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge - Google Patents
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Abstract
Hybridantrieb mit einem Abgasturbolader, welcher mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, welche von einer elektronischen Steuereinrichtung angesteuert wird, um den Ladedruck des Abgasturboladers zu begrenzen.
Description
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen
Verbrennungsmotor und mindestens eine erste elektrische
Maschine als Fahrantriebsquellen; mindestens einen ersten
elektrischen Akkumulator, mit welchem die mindestens eine erste
elektrische Maschine elektrisch gekoppelt ist zur elektrischen
Energieversorgung; eine elektronische Steuereinrichtung, welche
in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsbedingungen des
Kraftfahrzeuges die mindestens eine erste elektrische Maschine
als Elektromotor, welcher von dem Akkumulator elektrisch
gespeist wird, oder als elektrischer Generator zur
Stromversorgung des Akkumulators automatisch betreibt.
Ein Hybridantrieb dieser Art ist aus der DE 196 00 252 A1
bekannt. Er enthält einen Abgasturbogenerator zur
Abgasenergierückgewinnung, wobei die beim Betrieb des
Verbrennungsmotors anfallende Abgasenergie zur Erzeugung von
elektrischer Energie genutzt wird. Der Verbrennungsmotor kann
mit einer mechanischen Aufladung versehen sein.
Eine "mechanische Aufladung" erfolgt durch einen Lader, welcher
mechanisch angetrieben wird, beispielsweise direkt vom
Verbrennungsmotor über eine elektrisch betätigbare
Magnetkupplung, wie dies aus dem Fachbuch "Fachkunde
Kraftfahrzeugtechnik" 26. Auflage, 1999, Europa-Nr. 20108, ISBN
3-8085-2066-3, Seite 376 bekannt ist.
Bei Hybridantrieben können die als Fahrantriebsquellen
dienenden elektrischen Maschinen mit dem Verbrennungsmotor in
Reihe oder parallel geschaltet sein, um die Antriebsleistung
des Verbrennungsmotors zu unterstützen oder unabhängig vom
Verbrennungsmotor das Kraftfahrzeug anzutreiben. Beispielsweise
ist es bekannt, daß der Verbrennungsmotor die Räder einer
Fahrzeugachse und eine oder mehrere elektrische Maschinen die
Räder einer anderen Fahrzeugachse antreiben können. Die
elektrischen Maschinen können alternativ auch als Generator zur
Stromerzeugung betrieben werden und hierfür je nach
Ausführungsform von den Fahrzeugrädern und/oder vom
Verbrennungsmotor angetrieben werden. Zum Bremsen des
Kraftfahrzeuges können somit nicht nur die Fahrzeugbremsen,
sondern auch der Verbrennungsmotor und die elektrischen
Maschinen verwendet werden. Hybridantriebe sind z. B. bekannt
aus US 5 713 425, DE 40 04 330 C2, DE 44 07 666 A1, DE 35 42 059 C1,
DE 41 24 479 A1.
Verbrennungsmotoren mit Abgasturbolader und mit einer vom
Abgasturbolader antreibbaren elektrischen Maschine zur
Stromerzeugung sind aus den EP 0 141 634 A2, EP 0 223 119 B1,
JP 0090163505 AA und JP 0100252517 AA bekannt.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden,
Hybridantriebe der Eingangs genannten Art zu vereinfachen,
preiswerter zu gestalten und ihren Wirkungsgrad zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die
kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Der Hybridantrieb nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch
mindestens einen Abgasturbolader zur Förderung von Frischgas in
den Verbrennungsmotor zur Verbrennung darin, mindestens eine
zweite elektrische Maschine, welche als elektrischer Generator
betreibbar ist, welche ferner mit dem Rotor des
Abgasturboladers antriebsmäßig verbunden ist, welche außerdem
mit dem Akkumulator zur Stromversorgung elektrisch gekoppelt
ist, und welche mit der Steuereinrichtung steuerungsmäßig
verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung zur
Ladedruckregelung des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von
vorbestimmten Betriebsbedingungen ausgebildet ist und durch
Regelung der elektrischen Leistung der mindestens einen zweiten
elektrischen Maschine den von dem Abgasturbolader erzeugten
Ladedruck des Frischgases begrenzt.
Damit ergeben sich folgende Vorteile: Eine Vereinfachung des
Hybridantriebes, insbesondere weil zur Vermeidung von zu hohen
Ladedrücken des Verbrennungsmotors keine Bypassventile am
Abgasturbolader erforderlich sind. Die elektrische Maschine des
Abgasturboladers kann auf einfache Weise von der gleichen
Steuereinrichtung gesteuert werden, von welcher auch die
mindestens eine elektrische Maschine gesteuert oder geregelt
wird, welche als Fahrantriebsquelle dient. Ferner ergibt sich
eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Hybridantriebes, weil
der elektrische Akkumulator immer optimal aufgeladen ist, da
die als Fahrantriebsquelle dienende erste elektrische Maschine
bei Fahrzeugverzögerungsvorgängen Strom erzeugt, die vom
Abgasturbolader angetriebene zweite elektrische Maschine
zeitlich versetzt dazu immer dann besonders viel Strom erzeugt,
wenn der Verbrennungsmotor mit hoher Drehzahl dreht. Die erste
elektrische Maschine oder die zweite elektrische Maschine
ergänzen sich somit gegenseitig in optimaler Weise. Damit steht
auch für einen Stop-and-Go-Fahrbetrieb in der Stadt stets
ausreichend elektrische Leistung vom Akkumulator für die
mindestens eine erste elektrische Maschine zur Verfügung, die
als Fahrantriebsquelle dient. Das Kraftfahrzeug kann jeweils
ohne Verbrennungsmotor nur mit der mindestens einen ersten
elektrischen Maschine als elektrischer Fahrantriebsmotor
angefahren werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß der
elektrische Akkumulator zu stark entleert wird. Mit
elektrischem Akkumulator ist hiermit jeder elektrische Speicher
gemeint, insbesondere Batterien und Kondensatoren.
Eine Begrenzung des Ladedrucks des Abgasturboladers durch
Festhalten der Drehzahl der Turbine bei hoher Leistung im
Generatorbetrieb ermöglicht eine Rückgewinnung von Energie,
welche dann in den elektrischen Fahrantrieb phasengleich
eingespeist oder dem Akkumulator zur Verfügung gestellt werden
kann.
Vorzugsweise ist die mindestens eine zweite elektrische
Maschine nicht nur als Generator, sondern auch als Elektromotor
betreibbar und ist die Steuereinrichtung zum Motorbetrieb
dieser zweiten elektrischen Maschine in Abhängigkeit von
vorbestimmten Betriebsbedingungen ausgebildet. Damit kann der
Abgasturbolader im unteren Drehzahlbereich, wenn nur wenig
Abgase bzw. Abgasenergie zur Verfügung stehen, von der zweiten
elektrischen Maschine als Elektromotor angetrieben werden.
Ferner kann mit der zweiten elektrischen Maschine als
Elektromotor das sogenannte "Turboloch" vermieden werden, indem
die zweite elektrische Maschine als Motor betrieben den
Turbolader beschleunigt, wenn dieser schnellen Veränderungen
der Gaspedalstellungen nicht folgen kann mangels ausreichender
Abgase bzw. Abgasenergie. Zu diesem Zwecke ist das Gaspedal mit
der Steuereinrichtung elektrisch gekoppelt, so daß die
Steuereinrichtung bei plötzlichen Änderungen der
Gaspedalstellung die zweite elektrische Maschine und damit den
Abgasturbolader beschleunigen kann.
Die mindestens eine zweite elektrische Maschine kann als
Generator betrieben das Bordnetz des Kraftfahrzeuges mit Strom
versorgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein
Antriebs-Gleichstromnetz vorgesehen, an welches der Akkumulator
angeschlossen ist und an welches die mindestens eine erste
elektrische Maschine und die mindestens eine zweite elektrische
Maschine je über eine Leistungselektronikschaltung
angeschlossen sind. Die Leistungselektronikschaltung invertiert
die Gleichspannung des Akkumulators in eine von den
elektrischen Maschinen benötigte Wechselspannung und umgekehrt
eine von diesen elektrischen Maschine erzeugte Wechselspannung
in eine Gleichspannung für den Akkumulator.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
hat der Akkumulator und damit auch das Antriebs-Gleichstromnetz
eine elektrische Gleichspannung von mindestens 100 Volt,
vorzugsweise eine elektrische Gleichspannung im Bereich
zwischen 200 Volt und 350 Volt. Gegenüber einer niedrigeren
Spannung, wie sie heute üblich ist, von beispielsweise 6 Volt,
12 Volt oder 24 Volt, hat die wesentlich höhere Spannung den
Vorteil, daß bei gleicher elektrischer Leistung die
elektrischen Ströme wesentlich kleiner sind. Dies führt zu
einer deutlichen Reduzierung der elektrischen
Stromwärmeverluste in den Leitungen, Bauteilen und Aggregaten
und dadurch zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads.
Dadurch können auch kleinere Elektronikbauteile für die
Leistungselektronik zur Übertragung von elektrischer Leistung
und zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und
umgekehrt verwendet werden. Damit können auch leistungsstärkere
elektrische Maschinen verwendet werden. Die elektrischen
Maschine sind vorzugweise Dreiphasen-Wechselstrommaschinen.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnung
anhand einer bevorzugten Ausführungsform als Beispiel
beschrieben. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf einen Hybridantrieb
für ein Kraftfahrzeug nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, von
welchem eine Vorderachse 2 mit Vorderrädern 2-1 und 2-2 und
eine Hinterachse 4 mit Hinterrädern 4-1 und 4-2 gezeigt sind.
Die Vorderräder 2-1 und 2-2 sind von einem Verbrennungsmotor 6
antreibbar, und die Hinterräder 4-1 und 4-2 sind von einer
ersten elektrischen Maschine 8 antreibbar, welche von einer
elektronischen Steuereinrichtung 10 alternativ als Elektromotor
oder als Generator zur Stromerzeugung betreibbar ist. Im
Generatorbetrieb wird sie von den Hinterrädern 4-1 und 4-2
angetrieben. Der Verbrennungsmotor 6 und die erste elektrische
Maschine 8 bilden somit die Fahrantriebsquellen des
Kraftfahrzeuges. Anstelle von einer ersten elektrischen
Maschine 8 können auch mehrere erste elektrische Maschinen 8
vorgesehen sein. Gemäß anderer Ausführungsform kann der
Verbrennungsmotor 6 die Hinterräder 4-1 und 4-2 und die erste
elektrische Maschine 8 die Vorderräder 2-1 und 2-2 antreiben,
oder beide Fahrzeugantriebsquellen 6 und 8 können die gleichen
Räder antreiben.
Die erste elektrische Maschine 8 ist vorzugsweise eine
Dreiphasen-Wechselstrommaschine und über eine
Leistungselektronik 12 an einen elektrischen Akkumulator 14
angeschlossen. Dieser ist ein Kondensator oder vorzugsweise
eine Batterie. Die Leistungselektronik 12 enthält einen
Konverter zur Umwandlung der Gleichspannung des Akkumulators 14
in die von der ersten elektrischen Maschine 8 zum Antrieb
erforderliche Wechselspannung, und umgekehrt zur Umwandlung der
Wechselspannung dieser elektrischen Maschine 8 in die
Gleichspannung des Akkumulators 14.
Ein Abgasturbolader 16 hat ein Turbinenrad 18 und ein
Verdichterrad 20, die durch eine Welle 22 zur gemeinsamen
Drehung miteinander verbunden sind. Das Turbinenrad 18 wird von
den Abgasen 24 einer Abgasleitung 26 des Verbrennungsmotors 6
angetrieben. Das Verdichterrad 20 saugt Frischgas 28
(Frischluft) an und führt sie in verdichtetem Zustand durch
eine Frischgasleitung 30 den Brennkammern des
Verbrennungsmotors 6 zu.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist für alle
Brennkammern bzw. Zylinder des Verbrennungsmotors 6 nur ein
einziger Abgasturbolader 16 vorgesehen. Gemäß anderer
Ausführungsform könnte auch für jede Brennkammer oder für eine
Gruppe von Brennkammern ein eigener Abgasturbolader vorgesehen
sein.
Eine zweite elektrische Maschine 32 ist mit dem Rotor bzw. der
Welle 22 des Abgasturboladers 16 antriebsmäßig verbunden. Bei
der Ausführungsform von Fig. 1 erstreckt sich die Welle 22 des
Abgasturboladers 16 durch die zweite elektrische Maschine 32
axial hindurch und der Rotor 33 dieser zweiten elektrischen
Maschine ist antriebsmäßig mit der Welle 22 verbunden. In einer
Ausführungsform sitzt der Rotor 33 auf der Welle 22. Der Stator
34 der zweiten elektrischen Maschine, welche vorzugsweise
ebenfalls als Dreiphasen-Wechselstrommaschine ausgebildet ist,
ist über eine Leistungselektronikschaltung 36 an den
elektrischen Akkumulator 14 angeschlossen und steuerungsmäßig
an die elektronische Steuereinrichtung 10 angeschlossen. Diese
Leistungselektronikschaltung 36 wandelt beim Generatorbetrieb
der zweiten elektrischen Maschine 32 deren Wechselspannung in
die Gleichspannung des Akkumulators 14 um, bzw. beim
Motorbetrieb der zweiten elektrischen Maschine 32 wandelt sie
die Gleichspannung des Akkumulators 14 in die für die zweite
elektrische Maschine erforderliche Wechselspannung um.
Die Steuerleitungen 38 und 40 der Steuereinrichtung 10 zu den
beiden Leistungselektronikschaltungen 36 und 12 sind
gestrichelt gezeichnet. Eine Steuerleitung 42 zeigt der
Steuereinrichtung 10 den jeweiligen Ladezustand des
Akkumulators 14 an.
In einer bevorzugten Ausführung ist eine Überwachungselektronik
in den Akkumulator 14 integriert. Die Steuerleitung 42 erfaßt
und regelt im Zusammenspiel mit der Überwachungselektronik die
in Abhängigkeit des Betriebszustands des Akkumulators 14
entnehmbare Ladung.
Die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen dem Akkumulator
14 und den beiden Leistungselekronikschaltungen 12 und 36
bilden ein Antriebs-Gleichstromnetz 44. Die Gleichspannung des
Akkumulators 14 und damit auch dieses Antriebs-
Gleichstromnetzes 44 beträgt vorzugsweise mindestens 100 Volt
und ein bevorzugter Bereich ist insbesondere 200 Volt bis 350 Volt
und darin wiederum ein Bereich zwischen 250 Volt bis 300 Volt.
Claims (6)
1. Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen
Verbrennungsmotor (6) und mindestens eine erste elektrische
Maschine (8) als Fahrantriebsquellen; mindestens einen
ersten elektrischen Akkumulator (14), mit welchem die
mindestens eine erste elektrische Maschine (8) elektrisch
gekoppelt ist zur elektrischen Energieversorgung; eine
elektronische Steuereinrichtung (10), welche in
Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsbedingungen des
Kraftfahrzeuges die mindestens eine erste elektrische
Maschine (8) als Elektromotor oder als elektrischen
Generator automatisch betreibt;
gekennzeichnet durch
mindestens einen Abgasturbolader (16) zur Förderung von Frischgas (28) in den Verbrennungsmotor (6) zur Verbrennung darin; mindestens eine zweite elektrische Maschine (32), welche als Generator betreibbar ist, welche außerdem mit der Welle (22) des Abgasturboladers (16) antriebsmäßig verbunden ist, welche ferner mit dem Akkumulator (14) zur Stromversorgung elektrisch gekoppelt ist, und welche mit der Steuereinrichtung (10) steuerungsmäßig verbunden ist;
wobei die Steuereinrichtung (10) zur Ladedruckregelung des Verbrennungsmotors (6) in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsbedingungen ausgebildet ist und durch Regelung der elektrischen Leistung der mindestens einen zweiten elektrischen Maschine (32) den von dem Abgasturbolader (16) erzeugten Ladedruck des Frischgases (28) begrenzt.
mindestens einen Abgasturbolader (16) zur Förderung von Frischgas (28) in den Verbrennungsmotor (6) zur Verbrennung darin; mindestens eine zweite elektrische Maschine (32), welche als Generator betreibbar ist, welche außerdem mit der Welle (22) des Abgasturboladers (16) antriebsmäßig verbunden ist, welche ferner mit dem Akkumulator (14) zur Stromversorgung elektrisch gekoppelt ist, und welche mit der Steuereinrichtung (10) steuerungsmäßig verbunden ist;
wobei die Steuereinrichtung (10) zur Ladedruckregelung des Verbrennungsmotors (6) in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsbedingungen ausgebildet ist und durch Regelung der elektrischen Leistung der mindestens einen zweiten elektrischen Maschine (32) den von dem Abgasturbolader (16) erzeugten Ladedruck des Frischgases (28) begrenzt.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung (10) nicht nur zum Betrieb der
mindestens einen zweiten elektrischen Maschine (32) als
Generator, sondern auch zum Betrieb dieser zweiten
elektrischen Maschine (32) als Elektromotor zum Antrieb des
Abgasturboladers (16) ausgebildet ist.
3. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Antriebs-Gleichstromnetz (44) vorgesehen ist, an
welches der Akkumulator (14) angeschlossen ist und an
welches die ersten und zweiten elektrischen Maschinen
(8, 32) jeweils über eine Leistungselektronik (12, 36)
angeschlossen sind.
4. Hybridantrieb nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Akkumulator (14) und damit auch das Antriebs-
Gleichstromnetz (44) eine elektrische Gleichspannung von
mindestens 100 Volt haben.
5. Hybridantrieb nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Gleichspannung mindestens im Bereich
zwischen 200 Volt und 350 Volt liegt.
6. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine der elektrischen Maschinen (8, 32) eine
Dreiphasen-Wechselstrommaschine ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10022113A DE10022113A1 (de) | 2000-05-06 | 2000-05-06 | Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge |
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Applications Claiming Priority (1)
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DE10022113A DE10022113A1 (de) | 2000-05-06 | 2000-05-06 | Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge |
Publications (1)
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DE10022113A1 true DE10022113A1 (de) | 2001-11-15 |
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Family Applications (1)
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DE10022113A Ceased DE10022113A1 (de) | 2000-05-06 | 2000-05-06 | Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge |
Country Status (2)
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US (1) | US6659212B2 (de) |
DE (1) | DE10022113A1 (de) |
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