DE102006018624B4 - Parallelhybridantrieb - Google Patents

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Abstract

Parallelhybridantrieb, umfassend eine Brennkraftmaschine (2), eine erste Elektro-Maschine, wobei die erste Elektro-Maschine (3) motorisch zum Starten der Brennkraftmaschine (2) betreibbar ist, und eine zweite Elektro-Maschine(4), die mindestens motorisch betreibbar ist, um ein Antriebsmoment im Antriebsstrang zu erzeugen, wobei die Brennkraftmaschine (2) über eine Kupplung mit dem Antriebsstrang oder der zweiten Elektro-Maschine (4) verbunden ist, wobei die erste Elektro-Maschine (3) und die zweite Elektro-Maschine (4) auf einem unterschiedlichen Spannungsniveau arbeiten, wobei jeder Elektro-Maschine (3, 4) ein eigener Energiespeicher (8, 10) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektro-Maschine (3) im verbrennungsmotorischen Betrieb zur Bremsenergierückgewinnung sowie zur Boostmomentunterstützung betreibbar und das Spannungsniveau der zweiten Elektro-Maschine (4) größer als das der ersten Elektro-Maschine (3) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Parallelhybridantrieb für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Parallelhybridantriebe für Kraftfahrzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass die Antriebsleistung durch eine Brennkraftmaschine und/oder eine motorisch betriebene Elektro-Maschine zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei sind zwei Ausführungsarten zu unterscheiden, nämlich Einwellen- und Zweiwellen-Parallelhybridantriebe.
  • Aus der DE 199 52 953 A1 ist ein Einwellen-Parallelhybridantrieb bekannt, umfassend eine Brennkraftmaschine, eine erste Elektro-Maschine, die fest mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, und eine zweite Elektro-Maschine, die über eine Kupplung mit der Brennkraftmaschine verbunden ist. Dabei dient die erste Elektro-Maschine einerseits zum Starten der Brennkraftmaschine und zum Laden einer Batterie. Die zweite Elektro-Maschine dient zum elektromotorischen Antrieb und einer Bremsenergierückgewinnung, wobei dann im letzteren Fall ebenfalls die Batterie geladen wird.
  • Aus der DE 197 09 457 A1 ist ein Zweiwellen-Parallelhybridantrieb bekannt, umfassend eine Brennkraftmaschine, eine erste Elektro-Maschine, die fest mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, und eine zweite Elektro-Maschine, wobei die Brennkraftmaschine bzw. die erste Elektro-Maschine über eine erste Kupplung und die zweite Elektro-Maschine über eine zweite Kupplung mit einer Antriebsverbindung mit den Antriebsrädern verbindbar ist. Dabei dient die erste Elektro-Maschine vorwiegend zum Laden einer Batterie bzw. zum Zuführen von elektrischer Energie für die motorisch betriebene zweite Elektro-Maschine. Die zweite Elektro-Maschine dient zum elektromotorischen Antrieb und einer Bremsenergierückgewinnung, wobei dann im letzten Fall ebenfalls die Batterie geladen wird.
  • Gemeinsam ist beiden Ausführungsformen, dass diese jeweils auf dem gleichen Spannungsniveau arbeiten und einen gemeinsamen Energiespeicher nutzen.
  • Aus der DE 698 12 302 T2 ist ein Fahrzeugantriebssteuerungssystem bekannt, umfassend eine Brennkraftmaschine, eine erste Elektro-Maschine und eine zweite Elektro-Maschine. Die Brennkraftmaschine ist über eine Kupplung mit der zweiten Elektro-Maschine verbindbar, die wiederum mit einem Getriebe verbunden ist. Der zweiten Elektro-Maschine ist ein Energiespeicher auf einem hohen Spannungsniveau von beispielsweise 345 V zugeordnet, über den die zweite Elektro-Maschine im motorischen Betrieb versorgt wird bzw. der im generatorischen Betrieb geladen wird. Die erste Elektro-Maschine ist mit einer Batterie verbunden, die auf einem niedrigen Spannungsniveau von beispielsweise 12 V liegt und im motorischen Betrieb die erste Elektro-Maschine mit Spannung versorgt bzw. im generatorischen Betrieb von der ersten Elektro-Maschine geladen wird. Die erste Elektro-Maschine dient im motorischen Betrieb ausschließlich zum Antrieb einer Klimaanlage.
  • Das Dokument US 2004 / 0 099 234 A1 offenbart ein Fahrzeugantriebssystem für einen Hybridantrieb, welches neben einem Verbrennungsmotor eine elektrische Antriebsmaschine sowie einen konventionellen Startermotor umfasst.
  • Aus dem Dokument EP 0 925 980 A2 ist weiterhin ein Hybridfahrzeugantrieb bekannt, welcher zwei elektrische Antriebsmotoren sowie einen konventionellen Startermotor umfasst. Die beiden elektrischen Antriebsmotoren unterscheiden sich dabei jedoch nicht explizit über ihre Spannungslage.
  • Die mit Elektro-Maschinen erreichbare Drehmomentunterstützung hängt nicht nur wesentlich von der Leistung und dem Drehmoment der Elektro-Maschine ab, sondern wird ebenso durch die maximal mögliche Lade-/Entladeleistung des Energiespeichers sowie deren maximal nutzbaren Energieinhalt bestimmt.
  • Batterien, sei es nun Blei-Technik, NiMH oder Li-lon, weisen einen Innenwiderstand auf, der bei hohen Energiedurchsätzen zu einer Erwärmung der Batterien führt, die lebensdauerverkürzend wirkt. Durch externe Kühlung kann der Effekt der Erwärmung gemindert werden, dennoch ist bei Batterien ein schneller, andauernder Wechsel zwischen hohen Lade- und Entladeleistungen sowie Tiefentladungen zu vermeiden. Damit steigt das Risiko, im Fahrbetrieb die maximale Leistung/das maximale Drehmoment der Elektro-Maschine nicht voll ausnutzen zu können.
  • Kondensatorspeicher können aufgrund ihres Aufbaus und Wirkprinzips auch schnelle, andauernde Wechsel zwischen hohen Lade- und Entladeleistungen sowie Tiefentladungen vertragen. Ihr Energieinhalt ist jedoch sehr klein.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Parallelhybridantrieb zu schaffen, der eine bessere Ausnutzung des maximalen Drehmoments der zweiten Elektro-Maschine erlaubt, ohne die Lebensdauer des Energiespeichers zu reduzieren.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu arbeiten die erste Elektro-Maschine und die zweite Elektro-Maschine auf einem unterschiedlichen Spannungsniveau, wobei jeder Elektro-Maschine ein eigener Energiespeicher zugeordnet ist. Hierdurch wird es möglich, sowohl hinsichtlich der Art als auch der Größe der Energiespeicher diese optimal auf die jeweiligen Funktionen der ersten und zweiten Elektro-Maschine anzupassen. Vorzugsweise erfolgt der Start der Brennkraftmaschine mittels der ersten Elektro-Maschine, wobei diese bei Antrieb durch die Brennkraftmaschine auch ein zusätzliches Moment aufbringen kann (Boost-Betrieb) oder zur Bremsenergierückgewinnung dienen kann. Dabei wird vorzugsweise der Energiespeicher der ersten Elektro-Maschine als Kondensatorspeicher und der Energiespeicher der zweiten Elektro-Maschine als Batteriesystem ausgebildet. Somit können beispielsweise mittels der ersten Elektro-Maschine wesentliche Anteile der Bremsenergierückgewinnung sowie der Boostmomentunterstützung aufgenommen bzw. zugeführt werden, wenn der Antrieb über die Brennkraftmaschine erfolgt, wobei über die zweite Elektro-Maschine primär ein reines elektrisches Fahren sichergestellt wird, wobei in dieser Betriebsart auch die Bremsenergierückgewinnung über die zweite Elektro-Maschine erfolgen kann. Die erste und zweite Elektro-Maschine können jeweils neben der Bremsenergierückgewinnung auch generatorisch betrieben werden, um die jeweils zugeordneten Energiespeicher bzw. eine Kraftfahrzeugbordnetzbatterie zu laden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Spannungsniveau der zweiten Elektro-Maschine größer als das der ersten Elektro-Maschine, um die Ströme im System bei elektrischem Fahren klein zu halten. Der Energiespeicher der ersten Elektro-Maschine liegt dabei vorzugsweise bei kleiner/gleich 96 V, weiter vorzugsweise bei ≤ 72 V, weiter vorzugsweise bei ≤ 66 V, weiter vorzugsweise bei ≤ 61 V und besonders vorzugsweise bei ≤ 58 V, da dann die Grenze für den Berührungsschutz von 60 V nicht überschritten wird.
  • Das Batteriesystem liegt vorzugsweise auf einem Spannungsniveau > 140 V, weiter vorzugsweise > 170 V, noch bevorzugter > 210 V, noch weiter bevorzugt > 280 V und am bevorzugtesten ≥ 390 V.
  • Die erste Elektro-Maschine weist vorzugsweise bei Spitzenspannung eine 10s-Dauerleistung von 8-25 kW, weiter vorzugsweise 10-18 kW und noch weiter bevorzugt von 12-15 kW auf. Die zweite Elektro-Maschine weist bei Spitzenspannung bevorzugt eine 10s-Dauerleistung von 15-100 kW, weiter vorzugsweise von 20-70 kW und noch weiter bevorzugt von 30-55 kW auf.
  • Weiter vorzugsweise liegt die Spitzenleistung der zweiten Elektro-Maschine mindestens 30 %, weiter vorzugsweise 50 %, noch bevorzugter 100 % und noch weiter bevorzugt 200 % über dem Niveau der ersten Elektro-Maschine.
  • Alternativ kann die erste Elektro-Maschine (z. B. als ein riemengetriebener Elektro-Motor) auch auf Bordnetz-Spannungsniveau mit beispielsweise 12 V (bzw. 14 V) betrieben werden und an eine Bordnetzbatterie (z. B. PbA) angeschlossen sein. Die zweite Elektro-Maschine ist dabei z. B. an einer Hochvoltbatterie oder aber an einem Kondensatorspeicher mit einer Spannung ≤ 96 V angeschlossen, wobei der Wert der Spannung nur einen bevorzugten Wert darstellt.
  • Die Begrenzung des Spannungsniveaus für die erste Elektro-Maschine hat den weiteren Vorteil, dass bei der Ausbildung des Energiespeichers mit Kondensatoren der benötigte Bauraum nicht zu groß wird, da einzelne Kondensatorzellen nur eine Nennspannung von ca. 2,3-2,5 V aufweisen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Elektro-Maschine als Asynchronmaschine und die zweite Elektro-Maschine als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der ersten Elektro-Maschine und der Kupplung ein Schwungrad, vorzugsweise ein Zwei-Massen-Schwungrad, angeordnet. Hierdurch kann die Kupplung sehr klein dimensioniert werden, da die temporären Spitzenmomente des Verbrennungsmotors nur gedämpft auf die Kupplung übertragen werden. Des Weiteren kann unabhängig vom Schwungrad die Trennkupplung nahezu verschleißfrei betrieben werden, da Schließ- und Öffnungsvorgänge üblicherweise praktisch differenzdrehzahlfrei erfolgen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespeicher der ersten und/oder zweiten Elektro-Maschine über einen DC/DC-Wandler mit dem Kraftfahrzeugbordnetz verbunden, wobei der oder die DC/DC-Wandler bidirektional ausgebildet sind, um eine Notstartfähigkeit zu gewährleisten. Ist beispielsweise der Energiespeicher der ersten Elektro-Maschine entladen, so kann dieser für den Startervorgang durch die Bordnetzbatterie aufgeladen werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine steuerbare Ladestrecke zwischen den Energiespeichern der ersten und zweiten Ladestrecke angeordnet. Auch hierdurch kann dann die Startfähigkeit bei entladenem Energiespeicher der ersten Elektro-Maschine gewährleistet werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die erste Elektro-Maschine auf der dem Abtrieb gegenüberliegenden Seite der Brennkraftmaschine, üblicherweise somit der Riemenantriebsseite, angeordnet. Die Elektro-Maschine kann optional über eine schaltbare Kupplung von der Brennkraftmaschine getrennt werden. Ebenso kann die Elektro-Maschine in den Riemenantrieb der Brennkraft-Maschine integriert sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Einwellen-Parallelhybridantriebes und
    • 2 ein schematisches Blockschaltbild einer der der Abtriebsseite der Brennkraftmaschine gegenüberliegend angeordneten ersten Elektro-Maschine.
  • Der Parallelhybridantrieb 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 2, eine erste Elektro-Maschine 3 und eine zweite Elektro-Maschine 4, die über eine trennbare Kupplung 5 miteinander verbunden sind. Die erste Elektro-Maschine 3 ist achsfest mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 2 verbunden. Die zweite Elektro-Maschine 4 ist vorzugsweise achsfest mit einem Getriebe 6 verbunden, das beispielsweise als Handschalter, Doppel-Kupplungsgetriebe oder Wandler-Automatikgetriebe ausgebildet ist. Bei Zweiwellen-Ausführungsformen erfolgt die Anbindung hingegen über eine Kupplung. Die erste Elektro-Maschine 3 ist über eine Leistungselektronik 7 mit einem Energiespeicher 8 verbunden, der vorzugsweise als Kondensatorspeicher ausgebildet ist. Die zweite Elektro-Maschine 4 ist über eine zweite Leistungselektronik 9 mit einem zweiten Energiespeicher 10 verbunden, der vorzugsweise als Batteriesystem ausgebildet ist. Die Funktion der Leistungselektronik 7 bzw. 9 ist die Wandlung der Wechselspannung der Elektro-Maschine 3, 4 in eine Gleichspannung zum Laden der Energiespeicher 8 bzw. 10. Die beiden Elektro-Maschinen 3, 4 bzw. die zugeordneten Energiespeicher 8, 10 arbeiten dabei auf einem unterschiedlichen Spannungsniveau, wobei das Spannungsniveau des zweiten Energiespeichers 10 größer als das des ersten Energiespeichers 8 ist. Des Weiteren ist der zweite Energiespeicher 10 über einen DC/DC-Wandler 11 mit dem Kraftfahrzeugbordnetz verbunden, das beispielsweise auf 12 V-Spannungsniveau arbeitet, wohingegen der zweite Energiespeicher 10 beispielsweise auf 288 V-Spannungsniveau arbeitet. Der DC/DC-Wandler 11 kann dabei auch in die Leistungselektronik 9 integriert sein. Da vorzugsweise der Start der Brennkraftmaschine 2 durch die Elektro-Maschine 3 erfolgt, soll ein ausreichender Ladezustand des Energiespeichers 8 sichergestellt werden. Hierzu kann der Energiespeicher 8 mit dem Energiespeicher 10 und/oder der nicht dargestellten Bordnetzbatterie verbunden werden. Die Verbindung mit dem Energiespeicher 10 kann dabei über eine separate Ladeleitung bzw. separate DC/DC-Wandler erfolgen oder aber der DC/DC-Wandler 11 wird umschaltbar ausgebildet, so dass dieser zwischen Bordnetz und Energiespeicher 8 umgeschaltet werden kann, wobei zusätzlich eine Anpassung des Spannungsniveaus erfolgt, da üblicherweise das Spannungsniveau des Energiespeichers 8 größer als die Bordnetzspannung von beispielsweise 12 V ist.
  • Die Funktion der ersten Elektro-Maschine 3 ist neben dem Starten der Brennkraftmaschine 2 auch die Aufbringung eines Boost-Moments, wenn die Brennkraftmaschine 2 die Antriebsleistung zur Verfügung stellt. In diesem Fall arbeitet die erste Elektro-Maschine 3 motorisch und die zweite Elektro-Maschine 4 generatorisch. Des Weiteren dient die erste Elektro-Maschine 3 zur Bremsenergierückgewinnung bei Antrieb durch die Brennkraftmaschine 2 und arbeitet dann generatorisch, wodurch der erste Energiespeicher 8 aufgeladen wird.
  • Die zweite Elektro-Maschine 4 dient zum Antrieb bei reinem elektrischen Fahren und wird dann motorisch betrieben (Kupplung offen). In diesem Betrieb kann die Bremsenergierückgewinnung auf zwei Arten erfolgen, nämlich generatorischer Betrieb der zweiten Elektro-Maschine 4 und/oder der ersten Elektromaschine 3 (nachdem die Kupplung geschlossen wurde).

Claims (12)

  1. Parallelhybridantrieb, umfassend eine Brennkraftmaschine (2), eine erste Elektro-Maschine, wobei die erste Elektro-Maschine (3) motorisch zum Starten der Brennkraftmaschine (2) betreibbar ist, und eine zweite Elektro-Maschine(4), die mindestens motorisch betreibbar ist, um ein Antriebsmoment im Antriebsstrang zu erzeugen, wobei die Brennkraftmaschine (2) über eine Kupplung mit dem Antriebsstrang oder der zweiten Elektro-Maschine (4) verbunden ist, wobei die erste Elektro-Maschine (3) und die zweite Elektro-Maschine (4) auf einem unterschiedlichen Spannungsniveau arbeiten, wobei jeder Elektro-Maschine (3, 4) ein eigener Energiespeicher (8, 10) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektro-Maschine (3) im verbrennungsmotorischen Betrieb zur Bremsenergierückgewinnung sowie zur Boostmomentunterstützung betreibbar und das Spannungsniveau der zweiten Elektro-Maschine (4) größer als das der ersten Elektro-Maschine (3) ist.
  2. Parallelhybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (8) der ersten Elektro-Maschine (3) als Kondensatorspeicher und der Energiespeicher (10) der zweiten Elektro-Maschine (4) als Batteriesystem ausgebildet ist.
  3. Parallelhybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (8) der ersten Elektro-Maschine (3) als Bordnetzbatterie und der Energiespeicher (10) der zweiten Elektro-Maschine (4) als Hochvolt-Batterie oder Kondensatorspeicher ausgebildet ist.
  4. Parallelhybridantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektro-Maschine (3) als Asynchronmaschine und die zweite Elektro-Maschine (4) als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist.
  5. Parallelhybridantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektro-Maschine (3) als riemengetriebenes System ausgebildet ist.
  6. Parallelhybridantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Elektro-Maschine (3) und der Kupplung (5) ein Schwungrad angeordnet ist.
  7. Parallelhybridantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (8, 10) der ersten Elektro-Maschine (3) und/oder der zweiten Elektro-Maschine (4) über einen DC/DC-Wandler (11) mit einem Kraftfahrzeugbordnetz verbunden ist.
  8. Parallelhybridantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (11) bidirektional ausgebildet ist.
  9. Parallelhybridantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Ladestrecke zwischen den Energiespeichern (8, 10) angeordnet ist.
  10. Parallelhybridantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektro-Maschine (3) am riemenantriebseitigen Ende der Brennkraftmaschine (2) angeordnet ist.
  11. Parallelhybridantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektro-Maschine (3) über eine trennbare Kupplung (12) mit der Brennkraftmaschine (2) verbunden ist.
  12. Parallelhybridantrieb nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektro-Maschine (3) in den Riemenantrieb der Brennkraftmaschine (2) integriert ist.
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