DE102006005131B4 - Zwei-plus-zwei Getriebe für Verbrennungsmotor/Elektrohybridantriebe - Google Patents

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Abstract

Antriebsstrang bestehend aus • einem Verbrennungsmotor (1) ohne Generator und ohne Anlasser, • einer Kupplung (2), die weiches Einkuppeln ermöglicht, • einem eng gestuften Getriebe (3) mit zwei Gängen gleicher Drehrichtung, • einem Elektromotor (4) mit den Funktionen elektrischer Antrieb, Generatorbetrieb und stromloses Mitaufen, welcher ausreichend groß ausgelegt ist für den alleinigen Antrieb des Fahrzeugs, • einem Akkumulator für Speicherung elektrischer Energie und • einem Getriebe (5) mit zwei Gängen gleicher Drehrichtung, wobei die Übersetzungsverhältnisse etwa doppelt so weit auseinander liegen wie diejenigen des eng gestuften Getriebes (3), wodurch für den Elektromotor (4) zwei weit gestufte Übersetzungen und für den Verbrennungsmotor (1) mit allen Kombinationen des weit (5) und eng gestuften Getriebes (3) vier Übersetzungen zur Verfügung stehen, wobei die oben genannten Bauteile in der Reihenfolge Verbrennungsmotor (1), Kupplung (2), eng gestuftes Getriebe (3), Elektromotor (4) und Getriebe mit etwa doppelt so weit...

Description

  • Im Folgenden ist ein Verbrennungsmotor-Elektro-Hybridantrieb für Fahrzeuge beschrieben.
  • Stand der Technik sind Antriebskonzepte, die einen Verbrennungsmotor mit zwei Elektromotoren kombinieren, von denen der zweite je nach Konzept zum Anlassen oder zur Getriebesteuerung verwendet wird, mit Steuerungen, die einen Parallelbetrieb von Verbrennungs- und Elektromotor ermöglichen, um die Leistung zu maximieren oder über alle Einsatzbereiche einen gleichmäßigen Betrieb zu ermöglichen. Zwischen Verbrennungsmotor und Antriebs-Elektromotor sowie zwischen Elektromotor und Achsantrieb können Getriebe zwischengeschaltet sein. Der genannte Stand der Technik ist in US 2005/016 12 68 A1 , in DE 199 17 724 A1 , in DE 10 2004 057 127 A1 sowie in DE 103 93 594 T5 beschrieben.
  • Im Folgenden wird eine Antriebseinheit beschrieben, die einschließlich des Startvorgangs des Verbrennungsmotors mit einem Elektromotor auskommt, die den unterschiedlichen Anforderungen an die Zahl der Getriebeübersetzungen von Elektro- und Verbrennungsmotor durch die Abstimmung der Übersetzungen von zwei Getrieben vor und nach dem Elektromotor mit jeweils nur zwei Gängen gerecht wird, und deren Steuerung ohne den aufwändiger zu steuernden Parallelbetrieb auskommt
  • Das einfach zu steuernde System besteht aus
    • • einem Verbrennungsmotor (1) mit Reibungskupplung (2),
    • • einem Elektromotor/Generator (4) mit ähnlicher Leistung wie der Verbrennungsmotor (1),
    • • einem Akkumulator sowie
    • • zwei Getrieben (3, 5) mit jeweils zwei Vorwärtsgängen
    in der Reihenfolge Verbrennungsmotor (1), Kupplung (2), eng gestuftes Zweiganggetriebe (3), Elektromotor (4), weit gestuftes Zweiganggetriebe (5), wie auch aus 1 ersichtlich ist.
  • Die 2 und 3 zeigen beispielhaft eine mögliche Anordnung der Kompontenten, wobei in 2 die Seitenansicht und in 3 die Aufsicht gezeigt ist. Hierbei sind die beiden Getriebe (3, 5) jeweils als Planetengetriebe ausgeführt.
  • Der Elektromotor (4) ist über das weit gestufte Zweiganggetriebe (5) in ständigem Eingriff. Er ist derart dimensioniert, dass er das Fahrzeug allein in allen Einsatzbereichen antreiben kann und insbesondere auch für den reinen Batteriebetrieb groß genug ausgelegt. Daher eignet sich dieses Hybridsystem gut, um eine extern gespeiste Batterielademöglichkeit gemäß dem Stand der Technik für das geparkte Fahrzeug zu verwenden. In allen Betriebsweisen wird der Elektromotor (4) zum Bremsen des Fahrzeuges als Generator betrieben, der Verbrennungsmotor (1) selbst verfügt weder über Lichtmaschine noch Anlasser.
  • Bei Erreichen eines festgelegten Akkumulatorfüllungsgrades (z. B. 80%) funktioniert das System im reinen Elektrobetrieb:
    • • der Elektromotor (4) treibt über das weit gestufte Zweiganggetriebe (5) die Räder (6) an,
    • • der Verbrennungsmotor (1) ist ausgekuppelt (2) und steht.
  • Ab der Unterschreitung einer festgelegten Ladungsuntergrenze (z. B. 40%) wird der Elektromotor (4) nur noch zum Anfahren genutzt (gemischter Modus). Bei Erreichen einer festgelegten Fahrzeuggeschwindigkeit (Motorstartgeschwindigkeit Vmin) wird der Verbrennungsmotor (1) durch langsames Einkuppeln (2) gestartet. Dabei ist Vmin die niedrigste Geschwindigkeit, bei der der Verbrennungsmotor (1) in der kürzesten der vier Getriebe-Übersetzungen noch gut funktioniert
  • Sobald der Verbrennungsmotor (1) läuft, dreht der Elektromotor (4) nur noch ohne Stromversorgung mit, und das Getriebe funktioniert in der Kombination der beiden Zweiganggetriebe (3, 5) durch die sich ergänzenden Übersetzungen als Vierganggetriebe für den Verbrennungsmotor (1). Unterhalb der Motorstartgeschwindigkeit Vmin wird der Verbrennungsmotor (1) wieder stillgelegt.
  • Bei Unterschreiten einer weiteren Ladungsuntergrenze (z. B. 20%) geht das System in einen Notbetrieb. Der Verbrennungsmotor (1) wird nicht mehr stillgelegt, das Anfahren erfolgt im ersten der vier Gänge durch langsames Einlegen der Kupplung (2), und der Elektromotor (4) wird ständig mit geringer Leistung als Generator mitbetrieben.
  • Zum Rückwärtsfahren wird nur der Elektromotor (4) genutzt.
    Funktion Ladezustand Akkumulator
    Niedrig Mittel Hoch
    Erstes Anfahren nach Fahrtantritt Elektromotor Elektromotor Elektromotor
    Anfahren Verbrennungsmotor mit weichem Einkuppeln Elektromotor Elektromotor
    Antrieb – niedrige Geschwindigkeit Verbrennungsmotor Elektromotor Elektromotor
    Antrieb – höhere Geschwindigkeit Verbrennungsmotor Verbrennungsmotor Elektromotor
    Starten des Verbrennungsmotors Einmalig beim Überschreiten von Vmin durch langsames Einkuppeln Beim Überschreiten von Vmin durch langsames Einkuppeln -
    Steuerung der beiden Getriebe Kombination der beiden Getriebe, d. h. vier Vorwärtsgänge Bei Antrieb durch Elektromotor: zwei Vorwärtsgänge des weit gestuften Getriebes werden genutzt, eng gestuftes Getriebe im Leerlauf Bei Antrieb durch Verbrennungsmotor: Kombination der beiden Getriebe, d. h. vier Vorwärtsgänge Zwei Vorwärtsgänge des weit gestuften Getriebes werden genutz, eng gestuftes Getriebe im Leerlauf.
    Generatorbetrieb des Elektromotors Zum Bremsen und im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors Zum Bremsen Zum Bremsen
  • Für einen Kleinwagen mit Verbrennungs- und Elektromotor von je etwa 30 kW Wellenleistung sowie einer Maximaldrehzahl des Verbrennungsmotors (1) von 6000 min–1 und des Elektromotors (4) von 12000 min–1 könnten folgende Getriebeübersetzungen gewählt werden:
    • • zwischen Verbrennungs- (1) und Elektromotor (4) 1:2 und 1:1,4
    • • die Gesamtübersetzung des Elektromotors (4) liegt bei 15 km/h pro 1000 min–1 im oberen und 7 km/h pro 1000 min–1 im kürzeren Gang, was einer Stufung von etwa 2 zu 1 entspricht.
  • Für den Verbrennungsmotorbetrieb stehen dann Übersetzungen von 10, 14, 21 und 30 km/h pro 1000 min–1 zur Verfügung. Der erste Gang ist für den reinen Verbrennungsmotorbetrieb etwas lang, aber angefahren wird in diesem Gang nur im Notbetrieb.
  • Eine sinnvolle Batteriegröße wäre > 3 kWh, für eine Aufladungsmöglichkeit über Nacht in der Garage würden 200 W ausreichen.
  • Weil das Fahrzeug mit aufgeladenem Akkumulator nach dem Start einige Minuten im reinen Elektrobetrieb unterwegs sein kann, ist eine Elektrozusatzheizung sinnvoll. Es ist denkbar, auch den Verbrennungsmotor (1) etwas anzuwärmen, um so Kaltstartemissionen und Verbrauch zu minimieren.

Claims (2)

  1. Antriebsstrang bestehend aus • einem Verbrennungsmotor (1) ohne Generator und ohne Anlasser, • einer Kupplung (2), die weiches Einkuppeln ermöglicht, • einem eng gestuften Getriebe (3) mit zwei Gängen gleicher Drehrichtung, • einem Elektromotor (4) mit den Funktionen elektrischer Antrieb, Generatorbetrieb und stromloses Mitaufen, welcher ausreichend groß ausgelegt ist für den alleinigen Antrieb des Fahrzeugs, • einem Akkumulator für Speicherung elektrischer Energie und • einem Getriebe (5) mit zwei Gängen gleicher Drehrichtung, wobei die Übersetzungsverhältnisse etwa doppelt so weit auseinander liegen wie diejenigen des eng gestuften Getriebes (3), wodurch für den Elektromotor (4) zwei weit gestufte Übersetzungen und für den Verbrennungsmotor (1) mit allen Kombinationen des weit (5) und eng gestuften Getriebes (3) vier Übersetzungen zur Verfügung stehen, wobei die oben genannten Bauteile in der Reihenfolge Verbrennungsmotor (1), Kupplung (2), eng gestuftes Getriebe (3), Elektromotor (4) und Getriebe mit etwa doppelt so weit gestuften Übersetzungsverhältnissen (5) angeordnet sind.
  2. Verfahren, welches einen Antriebsstrang gemäß Anspruch 1 in Abhängigkeit vom Ladezustand des Akkumulators wie folgt steuert: • Bei Überschreiten eines festgelegten Akkumulatorfüllungsgrades schaltet die Steuerung in den rein elektrischen Modus, wobei • der Antrieb durch den Elektromotor (4) über das weit gestufte Zweiganggetriebe (5) an die Räder (6) erfolgt, • der Verbrennungsmotor (1) ausgekuppelt ist und steht sowie • zum Bremsen der Elektromotor (4) als Generator betrieben wird. • Ist der Akkumulator im rein elektrischen Modus bis zu einer weiteren festgelegten Ladungsuntergenze entleert, schaltet die Steuerung in den gemischten Modus, wobei • der Elektromotor (4) als Antrieb nur noch zum Anfahren bis zum Erreichen einer festgelegten Fahrzeuggeschwindigkeit genutzt wird, • beim Erreichen dieser Geschwindigkeit der Verbrennungsmotor (1) durch langsames Einkuppeln (2) gestartet wird, • der Elektromotor (4) oberhalb dieser Geschwindigkeit nur noch ohne Stromversorgung mitläuft, • die beiden Getriebe (3, 5) als Vierganggetriebe für den Verbrennungsmotor (1) zusammenarbeiten, • der Verbrennungsmotor (1) bei Unterschreiten der Verbrennungsmotorstartgeschwindigkeit wieder stillgelegt wird und • zum Bremsen der Elektromotor (4) als Generator betrieben wird. • Bei Unterschreiten einer weiteren Ladungsuntergrenze geht das System in einen Notbetrieb, wobei • der Verbrennungsmotor (1) ständig läuft, • das Anfahren im ersten der vier Gänge durch langsames Einlegen der Kupplung (2) erfolgt, • der Elektromotor (4) ständig mit geringer Leistung als Generator mitbetrieben wird und • zum Bremsen der Elektromotor (4) als Generator betrieben wird. • Zum Rückwärtsfahren wird ausschließlich der Elektromotor (4) genutzt.
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