DE102006019774A1

DE102006019774A1 - Kraftfahrzeug

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Publication number: DE102006019774A1
Application number: DE102006019774A
Authority: DE
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Buehl Verwaltungs GmbH; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-10-31

Abstract

Gemäß der Erfindung werden bei einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer Verbrennungsmaschine und mindestens einem Starter-Generator, die miteinander in Wirkverbindung stehen, in Abhängigkeit der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Verbrennungsmotors und der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der E-Maschine zu der Leistungsanforderung des Kraftfahrzeuges, die Verbrennungsmaschine und die E-Maschine oder nur die Verbrennungsmaschine oder nur die E-Maschine betrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Wegen der Bedrohung durch Treibhausgase und teilweise fast unzumutbarer Luftverschmutzung in Ballungsräumen sind weltweit Bestrebungen im Gange, die Emissionen von Fahrzeugen einzudämmen. Klimaschutzkonferenzen versuchen, durch Festlegung von Grenzwerten für Schadstoffe und CO₂ der drohenden Erderwärmung entgegenzuwirken. Die Selbstverpflichtung der Automobilindustrie zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes bringt neue Herausforderungen an die Technik des Antriebsstrangs und wird neue Konzepte erfordern und fördern.
Insbesondere der CO₂-Ausstoß hängt direkt mit dem Verbrauch eines Fahrzeugs zusammen. Deshalb wird sich der Kampf gegen dieses Treibhausgas nur über Verbrauchsreduzierungen gewinnen lassen.
Schonender Umgang mit den Erdölreserven ist aber auch aus einem anderen Grund geboten. Die Erdölreserven werden nicht beliebig lange zur Verfügung stehen. Über deren Reichweite gibt es zwar unterschiedliche Abschätzungen, je nachdem welche schwer zu erschließenden Vorräte noch dazugerechnet werden. Dass sich die Reserven aber langsam dem Ende zuneigen, darüber gibt es wenig Zweifel. Alle jemals vorhandenen Erdölvorräte ergeben ein Volumen, das dem Mount Fuji (frühere Bezeichnung: Fujijama) entspricht
Ungefähr die Hälfte davon ist bereits verbraucht. Die verbliebene Menge werden sich immer mehr Menschen untereinander aufteilen müssen. Wenn sich Länder wie China oder Indien nur einen Bruchteil unseres Lebensstandards erarbeiten, dürften die Erdölvorräte rapide schwinden. Rückgriff auf weniger leicht zu gewinnende Lagerstellen wie Ölsande und Ölschiefer werden die Gestehungskosten in die Höhe treiben.
Schätzungen über die Reichweite des Erdöls variieren stark. Unter Berücksichtigung der wachsenden Bevölkerung, insbesondere derer, die als Erdölverbraucher in Frage kommen, wird es zwischen 2020 und 2050 zu starken Verknappungen kommen. Alternative Kraftstoffe wie Biodiesel und aus Erdgas gewonnene flüssige Treibstoffe werden vermutlich die Deckungslücke nicht schließen können.
Neben dem Verbrauch spielen die Emissionen eine immer größere Rolle. Insbesondere CO2, das sich nicht wie andere schädliche Abgase durch eine Nachbehandlung mit einem Katalysator beseitigen lässt, setzt dem weiteren ungehinderten Verbrauch von fossilen Brennstoffen Grenzen.
Die Ozonkonzentration ist in den letzten Jahren stark angestiegen. Falls das tatsächlich auf CO2 zurückzuführen sein sollte, wovon inzwischen die Mehrheit der Klimaforscher überzeugt ist, und nicht nur auf natürliche Klimaschwankungen, wird ein starker Druck zur Reduzierung von CO2-Emissionen und damit Verbrauchseinsparungen nicht vermeidbar sein.
Verbrauchseinsparungen haben also einen dreifachen Effekt:
Schonung der Umwelt
Längere Verfügbarkeit von Erdöl
Kosteneinsparung
Moderne Fahrzeuge müssen deshalb auf geringsten Verbrauch ausgelegt werden, um mit der kostbaren Ressource Öl noch möglichst lange auszukommen. Und damit lassen sich auch die Emissionen, insbesondere CO₂ verringern
In diesem Zusammenhang wird es auch nicht zielführend sein, verschiedene verbrauchsreduzierende Maßnahmen wie zum Beispiel Hybrid, Diesel statt Benzin, Maßnahmen am Motor wie neue Brennverfahren mit entsprechender Variabilität der Ventilsteuerung usw. gegeneinander auszuspielen. Die entscheidende Frage wird in Zukunft nicht das "entweder oder" sondern das "sowohl als auch" sein. Moderne Fahrzeuge werden deshalb eine geschickte Kombination und Ergänzung verschiedenster verbrauchsmindernder Maßnahmen beinhalten. Die Hybridtechnologie lässt sich ideal mit vielen anderen Maßnahmen kombinieren.
Optimale Verbrauchsergebnisse werden sich erzielen lassen, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt sind:
Geringer Luft- und Rollwiderstand des Fahrzeugs
Geringes Fahrzeuggewicht
Verbrauchsgünstiger Verbrennungsmotor
Basisgetriebe mit bestem Wirkungsgrad
Stopp/Start-Automatik zum Abstellen des Verbrennungsmotors, wann immer er zur Erzeugung von Vortriebsleistung nicht benötigt wird.
Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation)
Die am Markt befindlichen Hybridfahrzeuge zeigen bereits diesen ganzheitlichen Ansatz, bei dem versucht wird, durch geschickte Kombination unterschiedlicher Maßnahmen ein verbrauchsgünstiges Gesamtkonzept zu erstellen.
Der folgende Text befasst sich mit den Hybrid-typischen Fragestellungen Bremsenergierückgewinnung und Stopp/Start in Verbindung mit einem wirkungsgradoptimierten Basisgetriebe. Es ergibt sich eine ganze Reihe von verschiedenen Konzepten, die im Nachfolgenden beschrieben werden.
Hybridantriebe werden entsprechend der installierten elektrischen Leistung grob in Mikro-, Mild- und Vollhybride eingeteilt.
Bei Mikrohybriden reicht die elektrisch installierte Leistung gerade aus, um den Motor nach einem Stopp automatisch wieder zu starten. Eine Bremsenergierückgewinnung ist nur in einem äußerst geringen Maße möglich. Wegen der verhältnismäßig geringen Zusatzkosten für einen Mikrohybrid werden sich solche Systeme trotzdem in der Zukunft in Fahrzeugen wiederfinden.
Soll die Bremsenergierückgewinnung zusätzlich genutzt werden, müssen elektrische Leistungen in der Größenordnung von 10–15 kW installiert werden. Damit lassen sich übliche Verzögerungsvorgänge abdecken und damit ein Großteil der gesamten Verzögerungsleistung wiedergewinnen. Eine weitere Erhöhung der elektrisch installierten Leistung würde zwar eine Rückgewinnung auch stärkerer Verzögerungsvorgänge ermöglichen, da diese jedoch verhält nismäßig selten auftreten, scheint eine Erhöhung der installierten elektrischen Leistung alleine aus Sicht der Bremsenergierückgewinnung wirtschaftlich nicht sinnvoll zu sein.
Elektrisches Fahren ist mit einem Mildhybrid nicht möglich, lediglich eine Unterstützung des Verbrennungsmotors (Boosten) ist vorgesehen.
Aus Sicht der Verbrauchseinsparung lässt sich damit fast alles erreichen: Etwa 5 % durch Stopp/Start und etwa 10 % mit Rekuperation. Ein Mildhybrid wäre also eigentlich ausreichend, wenn nicht elektrisches Fahren oder eine nennenswerte Leistungsunterstützung des Verbrennungsmotors gefordert werden. Eine weitere Verbrauchsreduzierung von 4 % ergibt sich, wenn der Verbrennungsmotor in Betriebszuständen mit schlechtem Wirkungsgrad abgeschaltet wird und die E-Maschine beim Vollhybrid den alleinigen Vortrieb übernimmt.
Allerdings muss dieser zusätzliche Verbrauchsvorteil teuer erkauft werden. Die installierten elektrischen Leistungen liegen mit 30–50 KW beträchtlich höher als die bei einem Mildhybriden. Entsprechend hoch werden die Kosten liegen. Vollhybriden werden häufig in erster Linie zur Leistungssteigerung entwickelt.
Ein Vollhybrid kann aber auch für ein Downsizing des Verbrennungsmotors genutzt werden. Der dann entstehende Antrieb besteht aus einem Verbrennungsmotor, der für die volle Leistungsabgabe stets auf die aktive Mithilfe der starken E-Maschine angewiesen ist.
Insgesamt gibt es viele Varianten und zwischen Mild- und Vollhybriden gibt es einen Übergangsbereich, der zum Beispiel elektrisches Rangieren erlaubt, aber nicht Fahren bei höheren Geschwindigkeiten.
Die Einteilung in Mikro-, Mild- und Vollhybrid gibt Hinweise auf die Funktionalität. Über die tatsächliche Anordnung und Anbindung der E-Maschine im Antriebsstrang sagt diese Einteilung jedoch nichts aus. Bei einigen Hybridkonzepten entscheidet lediglich die Dimensionierung der E-Maschine darüber, ob das Konzept eher als Mild- oder Vollhybrid einzuordnen ist. Im Folgenden wird deshalb versucht, die Art der Anbindung der E-Maschine im Antriebsstrang und die Momentenflüsse als Unterscheidungsmerkmale herauszuarbeiten.
Dies wird an vereinfachten Strukturbildern des Antriebsstrangs erklärt. Das angedeutete Getriebe kann dabei für irgendeinen der bekannten Getriebetypen stehen.
Die wohl einfachste Lösung ist ein Mikrohybrid für Stopp/Start, der sich mit allen bestehenden Antriebssträngen kombinieren lässt, indem die herkömmliche Lichtmaschine auch für motorischen Betrieb ausgelegt wird. Sie kann dann auch als Anlasser arbeiten und einen geräuscharmen Wiederstart des Verbrennungsmotors bewirken. Ein herkömmlicher Anlasser kann das nicht leisten. Stopp/Start ist damit möglich, jedoch nicht elektrisches Fahren oder Rekuperieren. Typische Leistungen für die elektrische Maschine liegen bei 4–6 KW. Diese Anordnung ist nur als Mildhybrid geeignet.
Dem Riementrieb ist dabei besonderes Augenmerk zu schenken. Im Startbetrieb ist der Momentenfluss im Riementrieb umgekehrt wie im Generatortall. Die Riemenführung und Spannsysteme müssen deshalb auf einen Wechsel von Zug- und Leertrum ausgelegt sein.
Besonders bei Dieselmotoren können die erforderlichen Kaltstartmomente mit weit über 100 Nm so groß werden, dass sie mit einem normalen Riementrieb nicht mehr zu beherrschen sind. In solchen Fällen kann der herkömmliche Anlasser für den Start bei kaltem Motor sorgen. Stopp/Start wird unter anderem aus Abgasgesichtspunkten sowieso erst bei warmem Motor eingesetzt. Die dafür erforderlichen Momente von unter 100 Nm können dann vom Startergenerator über den Riementrieb geräuscharm aufgebracht werden. Dies ist eine der Hauptanforderungen für die Akzeptanz von Stopp/Start-Systemen.
Ferner besteht die Möglichkeit, im Riementrieb ein zusätzliches Planetengetriebe für den Kaltstart zu integrieren.
Beim Kurbelwellenstartergenerator sitzt die elektrische Maschine direkt auf der Kurbelwelle, dort wo heute normalerweise das Schwungrad angebracht ist. Danach folgt der restliche Antriebsstrang.
Der Startergenerator muss so ausgelegt werden, dass ein Start auch bei kaltem Motor möglich ist, da ein konventioneller Starter kaum mehr unterzubringen ist. Typische Leistungen liegen bei 10–15 KW. Diese Anordnung markierte bei vielen Automobilherstellern den Start in die Hybridtechnik. Einige systembedingte Schwächen verhinderten meist einen Serieneinsatz.
Zwar lässt sich Stopp/Start sehr elegant, geräuscharm und schnell realisieren. Rekuperation und elektrisches Fahren sind jedoch nur sehr eingeschränkt möglich, weil der Verbrennungsmotor nicht von der E-Maschine abgekoppelt werden kann.
Sowohl beim Rekuperieren als auch beim elektrischen Fahren müsste der Verbrennungsmotor gegen seine innere Reibung mitgeschleppt werden. Zum Rekuperieren bliebe fast nichts mehr übrig.
Grundsätzlich ist der Kurbelwellenstartergenerator mit allen Getriebetypen verträglich. Allerdings ist zu beachten, dass für einen schnellen Wiederstart und ein sofortiges Losfahren des Fahrzeugs alle benötigten momentenübertragenden Elemente des Getriebes bereits in Wartestellung sein müssen. Das ist bei herkömmlichen Automatikgetrieben, bei denen die Druckölversorgung zur Betätigung aus einer vom Verbrennungsmotor angetriebenen Ölpumpe erfolgt, nicht der Fall. Bei einem Wiederstart müsste erst die Pumpe Öl fördern, die Leitungen gefüllt, Elastizitäten vorgespannt werden, bevor Druck aufgebaut werden kann.
Dabei gehen wesentliche Sekundenbruchteile verloren. Der Fahrer stellt beim Wiederanfahren eine unakzeptable Verzögerung fest. Deshalb wird für solche Automatikgetriebe eine zusätzliche, elektrisch angetriebene Ölpumpe vorgesehen. Dies verschlechtert den Wirkungsgrad des Antriebsstranges und erhöht die Kosten.
In die Kategorie Kurbelwellenstartergenerator fällt auch der Honda Insight CVT. Die Kombination von Kurbelwellenstartergenerator mit einem CVT-Getriebe ist vielleicht nicht gerade sehr phantasievoll, besticht aber durch Einfachheit und niedrigen Verbrauch von etwa 4 l/100 km.
Ein Vorteil des CVT gegenüber einem Stufengetriebe liegt dabei darin begründet, dass damit sehr häufig in Overdrive-Übersetzungen gefahren werden kann, welche ohne komfortmindernde Schaltungen eingestellt werden können. Durch die niedrige Drehzahl des Motors reduzieren sich die Schleppverluste und Rekuperieren ist mit weniger Einschränkung auch ohne Trennkupplung zwischen Motor und E-Maschine möglich.
Einzig das rein elektrische Fahren fehlt dem Honda-System. Dies würde neben einer weiteren Kupplung noch einmal Zusatzaufwand für die CVT-Anpressung erfordern. Die normalerweise direkt vom Verbrennungsmotor angetriebene hydraulische Pumpe müsste beim rein elektrischen Fahren alternativ angetrieben werden.
Wenn rekuperiert und elektrisch gefahren werden soll, ist eine Trennung des Verbrennungsmotors von der E-Maschine und dem restlichen Antriebsstrang unerlässlich. Jetzt lässt sich der Verbrennungsmotor stillsetzen und vom restlichen Antriebsstrang abkoppeln. Die zu rekuperierende Verzögerungsenergie kann vollständig als Generatorantriebsleistung genutzt werden. Zum elektrisch Fahren stört der Verbrennungsmotor mit seinen Reibverlusten nicht mehr.
Dieses Konzept lässt sich, je nach installierter Leistung, als Mild- oder Vollhybrid ausführen.
Bei Leistungen der E-Maschine bis ca. 12 KW ist lediglich Stopp/Start und Rekuperieren möglich. Werden 20 KW oder mehr installiert, lässt sich damit auch elektrisch fahren.
Grundsätzlich lassen sich damit alle Getriebearten bedienen.
Die im vorherigen Abschnitt erwähnten Einschränkungen sind aber auch hier gültig. Wiederstart wird nur akzeptabel schnell erfolgen, wenn bei automatischen Getrieben entweder eine elektrisch angetriebene Druckölpumpe vorgesehen wird oder, noch besser, die für Schaltung und Kupplungen erforderliche Aktorik gleich direkt elektromotorisch erfolgt.
Die Trennkupplung zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe wird in praktisch allen Projekten als trockene Kupplung ausgeführt. Dies ist gut möglich, weil diese Kupplung nicht als Anfahrkupplung verwendet wird und deshalb nur kleine Reibarbeiten entstehen. Außerdem muss sie ein kleines Schleppmoment besitzen. Dies lässt sich am besten mit einer trockenen Kupplung erreichen.
Eine trockene Kupplung hat stets eine Seite mit hohem Massenträgheitsmoment, nämlich die Seite mit den Gussreibpartnern, und eine Seite mit der Kupplungsscheibe, die ein niedriges Massenträgheitsmoment aufweist.
Konstruktiv ist es nun möglich, entweder das hohe oder das niedrige Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle zuzuordnen. Sitzt das hohe Massenträgheitsmoment auf der Kurbelwelle, wirkt das wie ein normales Schwungrad. Der Motor ist also auch bei geöffneter Trennkupplung lauffähig.
Beim Wiederstart ist allerdings das relativ große Massenträgheitsmoment der Kupplung mit zu beschleunigen. Dies bedeutet höhere Arbeitsbelastung der Kupplung, längere Startzeit und evtl. eine spürbare Verzögerung des Fahrzeug, wenn mit der Fahrzeugträgheit der Motor angelassen wird.
Deshalb wird auch die umgedrehte Anordnung in Betracht gezogen.
Auf der Kurbelwelle sitzt nur noch die extrem leichte Kupplungsscheibe. Deren Massenträgheitsmoment reicht zusammen mit Kurbelwelle, Pleuel und Kolben nicht mehr aus, den Motor bei geöffneter Trennkupplung in Betrieb zu halten. Dies ist allerdings auch nicht erforderlich.
Der Vorteil dieser Anordnung wirkt sich beim Wiederstart aus. Mit einer kleinen, aus dem Triebstrang abgezweigten Leistung kann der Verbrennungsmotor schlagartig auf Drehzahl hochgerissen werden. Extrem schnelle Startvorgänge sind damit möglich.
Allerdings muss die Trennkupplung dafür neben dem statischen Motormoment auch die durch die Ungleichförmigkeit hervorgerufenen Momentenschwankungen ohne Schlupf übertragen können, die besonders bei Dieselmotoren ein Mehrfaches des Motormoments betragen. Eine für die Kupplung nicht ganz leichte Anforderung, die wahrscheinlich nur mit einer trockenen Kupplung bewältigt werden kann.
Deshalb gibt es bei der Anordnung "E-Maschine zwischen 2 Kupplungen" sowohl Projekte mit schwerer, als auch mit leichter Seite auf der Kurbelwelle. Hierbei kann eine E-Maschine zwischen der Kurbelwelle und einem nachfolgenden Wandler angeordnet sein. Die Kupplung ist dann als Doppelkupplung aufgebaut.
Beim seriellen Hybrid lässt sich der Antriebsstrang mechanisch vollständig trennen. Die Leistungsübertragung kann vollständig elektrisch durchgeführt werden.
Die beiden hintereinander angeordneten E-Maschinen, von denen die erste als Generator dient, deren elektrische Leistung in der zweiten wieder in mechanische Energie umgewandelt wird, können bei geöffneter Kupplung auch als elektrischer Wandler oder als elektrisches, stufenloses Getriebe angesehen werden. Solche Anordnungen werden übrigens seit langem bei Diesel-elektrischen Antrieben in Lokomotiven eingesetzt.
Dies ist insbesondere beim CVT interessant, weil dort der zusätzliche Aufwand für einen Rückwärtsgang mit einem Planetenwendesatz und einer eigenen Kupplung sehr hoch ist. Beim seriellen Hybrid lässt sich durch entsprechende Dimensionierung der beiden E-Maschinen auch ein Rückwärtsgang realisieren, indem der Abtrieb rückwärtsdrehend angesteuert wird.
Bei einer weiteren Variante des seriellen Hybriden wird die erste E-Maschine vom Nebenabtrieb angetrieben und ersetzt damit die normale Lichtmaschine. Die Leistung ist aber beschränkt, weil über einen Riementrieb sicher nicht die für einen Vollhybriden erforderliche Leistung übertragen werden kann.
Einen ganz anderen Weg hat Toyota vor mehreren Jahren eingeschlagen. Der Leistungsfluss des Verbrennungsmotors wird über ein Planetengetriebe in 2 Wege aufgeteilt.
Der erste Zweig führt direkt zum Abtrieb, während der andere Zweig zu einem Generator führt. Je nachdem, wie stark der Generator diesen Zweig abbremst, stellt sich am Abtrieb eine entsprechende Drehzahl ein. Über das Bremsmoment des Generators kann die Abtriebsdrehzahl dann stufenlos geregelt werden.
Beim Bremsen erzeugt der Generator natürlich eine hohe elektrische Leistung, die nicht (vollständig) in der Batterie gespeichert werden kann. Deshalb wird auf dem Abtrieb ein elektrischer Motor angebracht, der diese elektrische Leistung wieder in den Antriebsstrang zurückführt.
Die Leistungsübertragung erfolgt also sowohl über einen mechanischen Zweig direkt zum Abtrieb als auch über einen elektrischen Pfad.
Dieses Konzept besticht durch den einfachen mechanischen Aufbau, erfordert aber zwei leistungsstarke E-Maschinen mit einer Gesamtleistung von ca. 50 KW. Ein weiterer Nachteil liegt in der großen Leistung, die über den elektrischen Zweig fließt, der wegen der vielen Um wandlungen (von mechanischer Leistung in elektrische, Frequenzumrichter, von Elektrischer wieder in mechanische Leistung) nicht gerade über den besten Wirkungsgrad verfügt und somit die Verbrauchseinsparungen durch den Hybridantrieb zumindest teilweise wieder aufzehrt.
Es hat deshalb nicht an Bestrebungen gefehlt, diesen Nachteil zumindest teilweise zu kompensieren.
Als zielführend könnte sich erweisen, die Leistungsverzweigung in mehreren Bereichen durchzuführen. Vereinfacht lässt sich das am besten so beschreiben: Statt eines Planetensatzes mit einer festen Übersetzung werden verschiedene Planetensätze mit verschiedenen Übersetzungen verwendet. Je nach Fahrbereich (Motordrehzahl, Moment, Fahrzeuggeschwindigkeit) wird dann jeweils der Planetensatz verwendet, der einen möglichst geringen elektrischen Leistungsfluss ergibt.
Die Umschaltung der Planetensätze erfolgt ähnlich wie bei einem Stufenautomaten. Der große Vorteil ist neben den geringeren Verlusten auch die erheblich reduzierte Leistung der E-Maschinen, die nur noch bei in Summe ca. 20–30 KW liegen wird. Dadurch wird auch die Leistungselektronik kleiner und damit die Kosten reduziert.
Mögliche Nachteile sind die Bereichswechsel, wenn sie nicht komfortabel genug gestaltet werden können.
Eine ausgeführte Konstruktion für 400 Nm führt den Namen SEL-Getriebe (Stufenlos Elektrisch Leistungsverzweigt). Der Kosten- und Bauraumanteil der beiden E-Maschinen ist aber auch hier noch erheblich, und zusätzlich sind viele Komponenten eines Automatikgetriebes enthalten (Pumpe, Hydraulik, Planetensätze, Kupplungen, Bremsen). Auf diesem Gebiet ist der Erfinder Tenberge bereits tätig gewesen.
Eine weitere interessante Variante ist mit dem Prinzip „Through the road" gegeben. Der Front-Quer-Antrieb des Fahrzeuges bleibt hierbei unverändert. Zusätzlich wird die Hinterachse mit einem Elektromotor angetrieben. Sowohl das elektrische Fahren als auch die Rekuperation erfolgt in Abhängigkeit des Batterieladezustandes über die Hinterachse.
Um eine hohe Dynamik aus Stopp/Start zu erreichen, erfolgt auch das Anfahren mit hoher Last zunächst rein elektrisch über die Hinterachse, während der Verbrennungsmotor parallel gestartet wird.
Neben der Realisierung der hybriden Funktionen wird ein Allradantrieb ermöglicht, bei dem innerhalb der Leistungsgrenzen beider Antriebe die Momente zwischen Vorder- und Hinterachse beliebig verteilt werden können.
Der Leistungsfluss in verschiedenen Fahrsituationen, zum Beispiel im Generatormodus bei verbrennungsmotorischem Fahren, erfolgt über die Strasse. Deshalb die Bezeichnung „through the road".
Das Doppelkupplungsgetriebe lässt sich durch Einfügen einer E-Maschine und einer Trennkupplung zum Verbrennungsmotor ebenfalls zum Hybriden erweitern. Diese Anordnung würde nach der vorgenommenen Einteilung unter den Fall "zwischen zwei Kupplungen" fallen.
Dies lässt sich erheblich vereinfachen, wenn die E-Maschine am Teilgetriebe für die geraden Gänge angebracht wird. Es ist dann keine zusätzliche Kupplung mehr notwendig, da die bereits vorhandene Doppelkupplung die Trennung vom Verbrennungsmotor übernehmen kann.
Dadurch entsteht eine ESG (Elektrische Schaltgetriebe) genannte Hybridvariante, die mit besonders geringem Aufwand alle Hybridfunktionen erfüllt, allerdings nur in Verbindung mit einem Doppelkupplungsgetriebe sinnvoll ist. Durch diese Anbindung der elektrischen Maschine bleibt die axiale Länge des gesamten Antriebes unverändert zum Basisantrieb, was vor allem für die engen Bauraumbedingungen bei Front-Quer-Einbau einen großen Vorteil gegenüber dem koaxialen Einbau zwischen Motor und Getriebe bedeutet.
Ein Wiederstart ist möglich, indem die E-Maschine über die Kupplung der geraden Gänge den Verbrennungsmotor anlässt und gleichzeitig über ein Anlegen der Kupplung des ersten Ganges ein Teil des Moments abgezweigt und zum Abtrieb geleitet wird. Damit spürt der Fahrer eine sofortige Reaktion des Fahrzeugs, noch bevor der Verbrennungsmotor voll gestartet ist. Ermöglicht wird das gute Ansprechverhalten durch eine elektromotorische Aktorik, mit der unabhängig von Drehzahlen des Triebstranges das vollständige Schließen der Kupplungen schon während der Stillstandsphase möglich ist.
Bei der Rekuperation ist der Momentenfluss anders herum. Da der Klimakompressor direkt mit der E-Maschine verbunden ist, kann die Rekuperation wahlweise in elektrische Energie oder in den Klimakompressor erfolgen. Diese Anordnung ermöglicht auch eine Standklimatisierung, da die E-Maschine bei offener Kupplung und Synchronisierungen im Getriebe den Klimakompressor direkt antreiben kann.
Aus Sicht der Triebstrangdynamik stellt das Abschalten und Zuschalten des Verbrennungsmotors während der Fahrt die kritischste Situation dar. Insbesondere der Wiederstart als Reaktion auf eine Betätigung des Gaspedals erfordert ein sehr schnelles Ansprechverhalten.
Das Abstellen des Verbrennungsmotors erfolgt nach einer vorgegebenen Zeit durch eine Überschneidung der Momente von der aktiven Kupplung K2 auf die elektrische Maschine. Nach dem Öffnen der Kupplung verzögert der Verbrennungsmotor auf Drehzahl Null und die E-Maschine übernimmt generatorisch das Schubmoment.
Bei dem genauen Aufbau des Triebstranges sind, wie bei Doppelkupplungsgetrieben üblich, die beiden Teilgetriebe in einem einzigen Getriebe verschachtelt. Die Position der elektrischen Maschine ist achsparallel zum Getriebe mit einem Antrieb über zwei Stirnräder vom Festrad des 4. Ganges und einer Übersetzung von ca. 1,2.
Die Anmelderin hat in einen Prototypen (für den Hersteller Opel, Modell Astra, mit seitlich angeflanschter E-Maschine) mit einem solchen Getriebe in Verbindung mit einem 1,3 1 Dieselmotor aufgebaut. Die E-Maschine in dem Prototypen hat eine Leistung von 10 kW und ist für diese Leistungsklasse und für dieses Fahrzeug zur Rekuperation voll ausreichend und stellt damit einen Mildhybriden dar. Durch entsprechend größere Skalierung der E-Maschine ließe sich bei gleichem Aufbau auch ein Vollhybrid realisieren. Direkt unter der elektrischen Maschine wird der Klimakompressor positioniert und über einen Keilrippenriemen angetrieben. Mit dieser Anbindung kann die Innenraumklimatisierung sowohl während der Rekuperation als auch in Stillstandsphasen aufrechterhalten werden.
Die Kommunikation zwischen den Steuergeräten von Verbrennungsmotor, Getriebe, Startergenerator und Energiespeicher erfolgt über den vorhandenen CAN (CAN = Control Area Network). Die Koordination der Hybridfunktionen sowie das Energiemanagement wurden im Getriebesteuergerät integriert.
Wie bereits erwähnt, ist die Dynamik, mit der ein Wiederstart des Verbrennungsmotors und der Aufbau des Radmomentes erfolgt, von entscheidender Bedeutung für die Akzeptanz der Funktion Stopp/Start in Verbindung mit einem automatisierten Getriebe. Nach dem Lösen der Bremse ergibt sich folgender Ankriechvorgang: Die elektromotorische Aktorik bereitet während der Stillstandsphase die nächste Anfahrt durch vollständiges Schließen der Kupplung K2 und das Anlegen der Anfahrkupplung K1 auf Kriechmoment vor. Nach dem Magnetisieren der elektrischen Maschine (T_T ≈ 70 ms) steigt das Startmoment auf einen zum Beschleunigen des Verbrennungsmotors notwendigen Wert von ca. 140 Nm. Parallel führt Kupplung K1 10 Nm über den eingelegten 1. Gang auf den Abtrieb. 140 ms nach dem Lösen des Bremspedals sind die Spiele des Antriebes überbrückt und das Fahrzeug beginnt zu beschleunigen. Dies führt im Vergleich zu ASG-Antrieben zu einem deutlich verbesserten Ansprechverhalten (ASG = Automatisiertes Schaltgetriebe). Ca. 290 ms nach dem Lösen des Bremspedals erreicht der Verbrennungsmotor Leerlaufdrehzahl und zündet.
Genau so zeitkritisch ist der Wiederstart des Verbrennungsmotors aus einer Schubphase. Es soll das Zuschalten des Verbrennungsmotors bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 55 km/h angenommen werden: Die Initialisierung erfolgt durch Betätigung des Gaspedals. Zunächst wird die elektrische Maschine durch Auslegen des aktiven Ganges vom Abtrieb getrennt und von generatorischem auf motorisches Moment geregelt. Durch ein schnelles Schließen der Kupplung K2 wird die Kurbelwelle beschleunigt. Neben der zugeführten Leistung der E-Maschine wird durch Anlegen der Kupplung K1 zusätzlich Leistung vom Abtrieb auf die Kurbelwelle geführt, um die Zeit bis zum Zünden des Verbrennungsmotors weiter zu reduzieren. Dieses Moment darf jedoch nur kurzzeitig aufrechterhalten werden, da der Fahrer dies sonst als verzögertes Ansprechverhalten wahrnimmt. Als erste Reaktion auf die Gaspedalbetätigung spürt der Fahrer die Reduzierung des Schubmoments auf Null. Ca. 340 ms nach dem Betätigen des Gaspedals erreicht die Kurbelwelle die Drehzahl der Getriebeeingangswelle 1. Ab diesem Zeitpunkt wird Moment an Kupplung K1 aufgebaut und nach 380 ms beginnt das Fahrzeug zu beschleunigen.
Weiterhin kann das Verhalten des Fahrzeuges bei einer Beschleunigung aus dem Stand deutlich verbessert werden. Das zur Verfügung stehende Moment der elektrischen Maschine wird zunächst zum Verbrennungsmotor geführt, um die Anfahrdrehzahl schnell zu erreichen. Im Anschluss wird entsprechend dem steigenden Verbrennungsmotormoment das Moment der E-Maschine reduziert. Die Boostfunktion ist ausschließlich in Bereichen niedriger Verbrennungsmotordrehzahlen aktiv. Das maximale Moment des Verbrennungsmotors wird dabei nicht überschritten, um dem Fahrer ein reproduzierbares Beschleunigungsverhalten auch über mehrere Zyklen zu geben. Die Beschleunigung des Fahrzeuges aus einer Stopp/Start-Situation erfolgt über die Boosttunktion auch mit höherer Dynamik. Hierbei kann eine um ca. 1,1 s schnellere Beschleunigung bis 70 km/h gegenüber dem Basisfahrzeug erzielt werden.
Im Anschluss an die Funktionserprobung wurden mit dem Prototypen die Verbrauchseinsparungen gemessen. Als Basis dient das bereits stark verbrauchsoptimierte Doppelkupplungsgetriebe, bei dem durch die Hybridfunktion, nämlich Stopp/Start und Bremsenergierückgewinnung, ein weiterer Vorteil von ca. 12 % Kraftstoffeinsparung im gemischten Zyklus herausgefahren werden konnte.
Ein Vergleich der verschiedenen Konzepte ist sehr schwierig, da es bei jedem der Konzepte wieder eine Vielzahl von Ausführungsmöglichkeiten gibt, die in eine solche Bewertung nicht mit einfließen können. Trotzdem gelingt es, einige wesentliche Aussagen zu machen, die für eine Vorentscheidung bei der Wahl des richtigen Hybridsystems hilfreich sein können.
Zunächst interessiert die Frage, welche Konzepte sich für Mild- oder Vollhybriden eignen. Grundsätzlich sind, je nach Dimensionierung der E-Maschine(n) beide geeignet. Es wird bei diesen Hybriden dann vielleicht in Zukunft auch einen fließenden Übergang geben zwischen Mild- und Vollhybriden, zum Beispiel wenn Rangieren elektrisch gewünscht wird, aber elektrisches Fahren nicht gefordert wird.
Zum Beispiel lässt sich die Variante "zwischen zwei Kupplungen" je nach Größe der E-Maschine sowohl zum Mild- als auch zum Vollhybriden ausbauen. Typische elektrische Leistungen sind 10–15 KW für Rekuperieren. Für Stopp/Start ist das dann schon etwas überdimensioniert. Elektrisches Fahren würde ca. 30 KW oder mehr erfordern.
Einige Hybridkonzepte gehen nur in Verbindung mit bestimmten Getriebetypen oder erfordern eine Getriebeart, die ohne Hybrid gar nicht funktionsfähig wäre. Hierunter fallen vor allem die leistungsverzweigten Varianten.
Eine wichtige Rolle werden die Kosten spielen. Besonders ins Gewicht fallen neben der E-Maschine auch die Leistungselektronik und die Speicherung in der Batterie und den Super caps. Hier verlässliche Angaben zu machen fällt schwer, da die Komponenten heute noch nicht großserientauglich am Weltmarkt zur Verfügung stehen.
Trotzdem lassen sich aber einige Aussagen machen. Die Kosten einer E-Maschine werden näherungsweise etwas unterproportional der installierten Leistung sein. Das wird auch auf die Speichermedien Batterie und Supercaps zutreffen.
Hybridkonzepte, bei denen zwei E-Maschinen eingesetzt werden, werden bei gleicher elektrischer Gesamtleistung aufwändiger sein als wenn nur eine Maschine eingesetzt wird. Dazu kommen noch Aufwendungen im Getriebe, wie zum Beispiel eine zusätzliche Kupplung mit Aktorik, oder eine elektrisch angetriebene Ölpumpe, die bei Automatikgetrieben notwendig wird, um Stopp/Start zu ermöglichen.
Es ist davon auszugehen, dass in den nächsten Jahren eine Konsolidierungsphase eintritt und eine Konzentration auf die erfolgversprechensten Konzepte erfolgt. Ganz entscheidend wird auch die Frage sein, ob ein Hybrid auch elektrisch fahren können muss oder nur zur Verbrauchsreduzierung eingesetzt wird. Dies wird darüber entscheiden, ob Voll- oder Mildhybride letztendlich den Durchbruch schaffen werden.

Claims

Kraftfahrzeug mit mindestens einer Verbrennungsmaschine und mindestens einem Starter-Generator, einer so genannten E-Maschine, wobei der mindestens eine Starter-Generator und die mindestens eine Verbrennungsmaschine in Wirkverbindung zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Verbrennungsmotors und der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der E-Maschine zu der Leistungsanforderung des Kraftfahrzeuges, die Verbrennungsmaschine und die E-Maschine, oder nur die Verbrennungsmaschine oder nur die E-Maschine betrieben werden.