DE10100007A1

DE10100007A1 - Kraftantrieb für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE10100007A1
Application number: DE10100007A
Authority: DE
Inventors: Dale Scott Crombez; Steven L Napier
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2001-01-02
Publication date: 2001-07-26
Also published as: GB2358006A; GB0031159D0

Abstract

Es wird ein Hybridantrieb für ein Automobil mit einem Mehrganggetriebe (28) beschrieben. Dabei ergänzt ein im Drehmomentfluss zwischen einer Brennkraftmaschine (22) und den Fahrzeugantriebsrädern (34) angeordneter Elektromotor (24) das Drehmoment der Brennkraftmaschine durch Bereitstellung zusätzlichen Drehmoments bei Betriebszuständen mit hoher Drehmoment-Anforderung. Der Elektromotor liefert darüber hinaus ein Rückwärts-Drehmoment an das Getriebe, so daß sich das Vorhandensein eines Rückwärtsgangs im Getriebe erübrigt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Automobil mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, wobei das Drehmoment des Elektromotors das Antriebsdrehmoment der Brennkraftmaschine ergänzt.

Herkömmliche Kraftantriebe für enthaltend Automobile weisen eine Kraftmaschine, üblicherweise eine Brennkraftmaschine mit Funkenzündung oder einen Dieselmotor auf. Dadurch wird eine Quelle für ein Drehmoment bereitgestellt, welches der Drehmomenteingangsseite eines Mehrganggetriebes zugeleitet wird. Das Antriebsdrehmoment der Drehmomentausgangsseite des Getriebes wird über einen Achsantriebsmechanismus auf die Antriebsräder des Fahrzeuges verteilt. Das Getriebe ist so kalibriert, dass die Kraftmaschine für jede gegebene Motor drosselklappen-Einstellung mit einer Drehzahl oder nahe ei ner Drehzahl arbeitet, bei der ein Maximum an spezifischem Kraftstoffverbrauch erreicht wird.

Das Getriebe eines herkömmlichen Kraftantriebes weist einen Rückwärtsgang auf, mittels dessen während der Rückwärtsfahrt ein Rückwärts-Drehmomentfluss bereitstellt wird. Der Rück wärtsgang ist lediglich für die Abgabe eines Rückwärts- Drehmomentes vorgesehen. Bei einem automatischen Getriebe werden zudem separate Kupplungen und Bremsen benötigt, um den Rückwärts-Drehmomentfluss zu erreichen. Die übrigen Gän ge sind für eine Mehrgang-Vorwärts-Drehmomentabgabe ausge bildet.

Im Falle eines von einem Elektromotor (im Folgenden kurz: Motor) angetriebenen Fahrzeuges kann eine Rückwärtsfahrt durch Wechseln der Polarität des Motors erreicht werden, wo durch die Richtung der Rotation des Motors umgekehrt werden kann. Ein im Rückwärts-Drehmomentfluss für ein kleines Fahr zeug wie zum Beispiel ein Motorrad verwendeter Elektromotor wird in der US-PS 47 63 538 beschrieben. Dabei wird der Elektromotor als Anlassermotor zum Anlassen einer Brenn kraftmaschine verwendet. Der Elektromotor wird darüber hin aus auch für eine Rückwärts-Drehmomentabgabe eingesetzt, wenn das Getriebe für das Fahrzeug in einen Rückwärts fahrtmodus geschaltet wird, wobei an der Drehmomentausgangs seite des Getriebes ein Rückwärtsfahrtritzel in ein Rück wärtszahnrad eingreift.

Der Einsatz eines Elektromotors zur Ergänzung des Drehmomen tes einer Brennkraftmaschine im Antrieb eines Fahrzeuges mit Rädern ist auch aus der US-PS 32 11 249 bekannt. Dabei wirkt der Elektromotor dann als Quelle eines Antriebsdrehmomentes, wenn die Brennkraftmaschine nicht aktiv ist. Der Elektromo tor ist ferner so eingerichtet, dass er als Anlassermotor und als Wechselstromgenerator zum Laden einer Fahrzeugbatte rie wirksam ist.

Ein weiteres hybrides Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor ist aus der US-PS 32 05 965 bekannt. Dabei wirken der Elektromotor und die Kraftmaschine paral lel, derart, dass während des Normalbetriebes im Freien die Kraftmaschine die einzige Quelle des Drehmomentes darstellt. Wird das Fahrzeug in einer umbauten Umgebung, wie etwa einem industriellen Herstellungsbetrieb, betrieben, so dient der Elektromotor als einzige Quelle für das Drehmoment. Das Drehmoment des Motors bzw. der Brennkraftmaschine wird an die Drehmomenteingangsseite des Getriebes abgegeben, durch dessen Wirkung wiederum ein Antriebsdrehmoment an den An triebsrädern des Fahrzeugs erzeugt wird.

In einer nicht vorveröffentlichten US-Patentanmeldung der Anmelderin wird ein hybrider Antrieb mit einer Brennkraft maschine (einem Dieselmotor) und einem Elektromotor be schrieben. Dabei wird die Drehzahl/Drehmoment charakteristik des Motors mit der Drehzahl/Drehmomentcha rakteristik der Brennkraftmaschine in Übereinstimmung ge bracht. Der Elektromotor wird bei niedrigen Leistungsniveaus eingesetzt, und der Dieselmotor wird oberhalb einer kali brierten Leistungsschwelle eingesetzt. Der Elektromotor wird während Beschleunigungs-Betriebszuständen oder bei einer Bergfahrt des Fahrzeugs auch für einen Leistungsschub einge setzt.

Ein in dieser nicht vorveröffentlichten US-Patentanmeldung beschriebenes Regelungssystem ermöglicht es, die Kraftstoff abgabe zum Dieselmotor so einzuteilen, dass die Position des Fahrpedals proportional zur angeforderten Leistung an den Rädern ist. Die Leistung an den Rädern ist näherungsweise gleich der Summe der Leistungen, die von beiden Leistungs quellen abgegeben werden, d. h. von dem Dieselmotor und von dem Elektromotor.

Der Hybridantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Getriebe auf, dessen Charakteristiken so gewählt sind, dass sie mit den Charakteristiken der Brennkraftmaschine überein stimmen, wobei kein Getriebe mit Rückwärtsgang erforderlich ist. Durch die Eliminierung des Rückwärtsganges und der zu gehörigen Kupplung und Bremse, die zur Kontrolle des Rück wärtsganges verwendet werden, werden die Herstellungskosten, das Gewicht und die Komplexität des Antriebes im Vergleich zu Antrieben bekannter Bauart reduziert. Der Antrieb gemäß der Erfindung basiert auf einer Brennkraftmaschine für die Vorwärtsfahrt des Fahrzeuges. Die Brennkraftmaschine stellt während eines Betriebs des Fahrzeuges in einem Rückwärts fahrtmodus keinen Teil des Drehmoment-Abgabepfades an die Antriebsräder dar. Der Elektromotor des Antriebes der Erfin dung wird während der Vorwärtsfahrt in Kombination mit der Brennkraftmaschine eingesetzt; während des Betriebs im Rück wärtsfahrtmodus stellt er jedoch die einzige Quelle für ein Antriebsdrehmoment dar.

Der Antrieb gemäß der Erfindung weist eine Kupplung auf, welche selektiv geöffnet und geschlossen werden kann, um die Ausgangswelle der Kraftmaschine mit der Drehmoment eingangsseite entweder eines Elektromotors oder eines Mehr ganggetriebes zu verbinden. Die Kupplung ist außer Eingriff, wenn der Motor als Quelle für ein Rückwärts-Drehmoment agiert.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung weist einen Elektromotor auf, der an der Drehmomentausgangsseite des Ge triebes angeordnet ist. Wenn sich das Getriebe zwischen der Kraftmaschine und dem Elektromotor befindet, kann ferner der Anker des Motors auf einer Achse angeordnet sein, die in Be zug auf die Achse der Achswellen quer angeordnet ist. Bei allen Ausführungsformen stellt der Elektromotor die einzige Quelle für ein Rückwärts-Antriebsdrehmoment dar.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Fi guren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer herkömmlichen Kraftübertragung für ein Automobil mit einer Rich tungsanzeige des antreibenden Drehmomentes während der Vorwärtsfahrt;

Fig. 1a ein schematisches Blockdiagramm entsprechend Fig. 1 mit einer Richtungsanzeige des antreibenden Drehmomentes für die Rückwärtsfahrt;

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm des hybriden Kraftantriebs der Erfindung, wobei der Motor zwi schen der Kraftmaschine und dem Mehrganggetriebe angeordnet ist;

Fig. 2a ein schematisches Blockdiagramm entsprechend Fig. 2, wobei das antreibende Drehmoment der Rück wärtsfahrt entspricht;

Fig. 3 eine andere Ausgestaltung der Erfindung, wobei der Motor an der Drehmomentausgangsseite des Getriebes an der Kurbelwellenachse der Kraftmaschine angeord net ist, und

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, wobei der Elektromotor auf der Achse der Achswellen für die Antriebsräder des Fahrzeugs angeordnet ist.

In den Fig. 1 und 1a ist eine Brennkraftmaschine für die Kraftübertragung eines herkömmlichen Automobils mit der Be zugsziffer 10 bezeichnet. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet ein Mehrganggetriebe mit einer Drehmoment-Eingangswelle 14, die mit der Kurbelwelle der Kraftmaschine (Verbrennungsmo tor) verbunden ist. Die Richtung der Drehmomentabgabe an der Kurbelwelle ist durch einen Richtungspfeil 16 angedeutet.

Während der Vorwärtsfahrt liefert das Getriebe 12 wie in Fig. 1 dargestellt ein Drehmoment in Richtung des Pfeiles 18 an die Antriebsräder 20.

Während der in Fig. 1a dargestellten Rückwärtsfahrt ist das Getriebe in den Rückwärtsfahrtmodus geschaltet worden, so dass durch die Rückwärtsgang-Räderanordnung ein Drehmoment fluss zu den Antriebsrädern 20 gebildet wird.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine Brennkraftmaschine 22 mit einem Elektromotor 24 durch eine vom Fahrer kontrollierte Reibungskupplung 26 ver bunden ist. Ein Mehrganggetriebe 28 ist mit einer Drehmo ment-Eingangswelle 30 verbunden, welche koaxial in Bezug auf den Anker des Elektromotors 24 angeordnet ist. Während der Vorwärtsfahrt treibt das Kraftmaschinen-Drehmoment, welches die durch den Richtungspfeil 31 angedeutete Richtung hat, die Drehmoment-Eingangswelle für das Getriebe 28 in der Richtung, die durch den Richtungspfeil 32 angedeutet ist. Die Drehmoment-Ausgangswelle für das Getriebe treibt die mit 34 bezeichneten Antriebsräder in Vorwärtsrichtung, die durch den Richtungspfeil 36 angedeutet ist.

Während des in Fig. 2a dargestellten Betriebs des Hybridan triebs in Rückwärtsrichtung ist die Kupplung 26 ausgekup pelt. Die Kraftmaschine 22 läuft im Leerlauf in der durch den Richtungspfeil 31 in Fig. 2 angezeigten Richtung. Die Polarität ist jedoch umgekehrt, so dass die Drehmomentausga be des Motors in Rückwärtsfahrtrichtung erfolgt, wie durch den Richtungspfeil 38 angedeutet. Der Motor 24 wirkt auf diese Weise als einzige Quelle für ein Antriebsdrehmoment während des Betriebs des Hybridantriebs im Rückwärtsfahrtmo dus.

Fig. 3 zeigt eine alternative Konfiguration für den erfin dungsgemäßen Antrieb mit einer Brennkraftmaschine 40, die mit einem Mehrganggetriebe 42 über eine dazwischenliegend angeordnete Kupplung 44 verbunden ist. Die Kupplung 44 wirkt als direkte Antriebsverbindung zwischen der Kurbelwelle der Kraftmaschine und der Drehmoment-Eingangswelle des Getrie bes 42. Wie bei der Ausgestaltung nach Fig. 2 liefert das Getriebe ein Drehmoment an gegenüberliegend angeordnete Achswellen für die Antriebsräder 46.

Wenn die Polarität des Motors 48 umgekehrt wird, werden die Antriebsräder 46 in Rückwärtsrichtung angetrieben. Zu diesem Zeitpunkt ist die Kupplung 44 ausgekuppelt.

Die Ausgestaltung gemäß Fig. 4 weist einen Motor 48' auf, der an der Drehmomentausgangsseite eines Getriebes 42' ange ordnet ist, welches auf der Achse der Achswellen zu den An triebsrädern 46' positioniert ist. Während des Betriebs in Vorwärtsfahrtrichtung des Getriebes, der in Fig. 4 darge stellt ist, wird ein Drehmoment an die Räder in Vorwärts fahrtrichtung abgegeben, wie es durch den Richtungspfeil 50' angedeutet wird, der dem Richtungspfeil 50 in Fig. 3 ent spricht.

Im Unterschied zu Antriebsanordnungen herkömmlicher Bauart, die in den Fig. 1 und 1a dargestellt sind, und bei denen das Getriebe 12 einen Rückwärtsgang aufweist, weisen die Hy bridantriebe gemäß der vorliegenden Erfindung, die schema tisch in den Fig. 2, 2a, 3 und 4 dargestellt sind, ein Getriebe auf, das weder Rückwärtsfahrt-Zahnradanordnungen noch Rückwärtsgang-Kupplungen und Bremsen zur Kontrolle des Rückwärtsganges erfordert. Dadurch werden die Herstellungs kosten, das Gewicht und die Komplexität der Bauart im Ver gleich zum Stand der Technik reduziert. Durch die Eliminie rung des Rückwärtsganges und der Kupplungen und Bremsen zur Kontrolle des Rückwärtsganges wird es weiterhin ermöglicht, die gesamte Baugröße des Antriebs zu reduzieren, was den An trieb für den Einsatz insbesondere in kleinen Fahrzeugen be sonders geeignet macht. Die Kupplungen 26 bzw. 44 der ver besserten Hybridantriebe gemäß der vorliegenden Erfindung sind während der Rückwärtsfahrt ausgekuppelt, während die Brennkraftmaschine 22 im Leerlauf in ihrer normalen Vor wärtsrichtung läuft.

Claims

1. Hybrider Kraftantrieb für ein Automobil mit:
Antriebsrädern (34; 46; 46'), einer Brennkraft maschine (22; 40; 40'), einem Mehrganggetriebe (28; 42; 42'), einem Elektromotor (24; 48; 48') und
einer Kupplung (26; 44), welche die Kraftmaschine wäh rend des Betriebs des Kraftantriebs in einem Vorwärts fahrtmodus in eingekuppeltem Zustand mit den Drehmo ment-Eingangselementen des Getriebes verbindet;
wobei der Elektromotor während des Betriebs im Vor wärtsfahrtmodus mit Drehmoment-Eingangselementen des Getriebes verbunden ist, wodurch das Antriebs drehmoment der Kraftmaschine in eingekuppeltem Zustand der Kupplung ergänzt wird, und
wobei der Elektromotor dann, wenn seine Polarität um gekehrt wird und die Kupplung in ausgekuppeltem Zu stand ist, über das Getriebe antreibend mit den An triebsrädern verbunden ist, derart daß
der Elektromotor dann die einzige Quelle für eine An triebsdrehmomentabgabe an die Antriebsräder ist, wenn der Kraftantrieb in einem Rückwärtsfahrtmodus ist.

2. Hybrider Kraftantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet dass der Motor (24) im Drehmomentfluss zwischen der Kraft maschine (22) und dem Getriebe (28) angeordnet ist, und dass die Kraftmaschine eine mit der Rotationsachse des Motors gemeinsame Kurbelwellenachse (30) aufweist.

3. Hybrider Kraftantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Getriebe (42) im Drehmomentfluss zwischen der Kraftmaschine (40) und dem Motor (48) angeordnet ist, und dass die Kraftmaschine eine mit der Rotationsachse des Getriebes und des Motors gemeinsame Kurbelwel lenachse aufweist.

4. Hybrider Kraftantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Getriebe (42') im Drehmomentfluss zwischen der Kraftmaschine (40') und dem Motor (48') angeordnet ist und das Getriebe und der Motor eine gemeinsame Drehmo ment-Ausgangsdrehachse aufweisen und die Kraftmaschine eine Kurbelwellenachse aufweist, die quer in Bezug auf die gemeinsame Drehmoment-Ausgangsdrehachse des Ge triebes und des Motors angeordnet ist.