DE102006021156A1

DE102006021156A1 - Hybridantriebstopologie für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102006021156A1
Application number: DE102006021156A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lohner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-06
Filing date: 2006-05-06
Publication date: 2007-11-08

Abstract

Eine einfache, kompakte und kostengünstige hybride Antriebstopologie mit bestem Energieumwandlungswirkungsgrad ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad eines Verbrennungsmotors mit dem rotationsfähigen Stator einer über einen Umrichter betriebenen, elektrischen Maschine eine Einheit bildet, deren Rotor über ein Differential mit einer antreibenden Fahrzeugachse verbunden ist, wobei die elektrische Maschine rotorseitig über Schleifringe gespeist wird, während eine zweite umrichtergespeiste elektrische Maschine eine zweite Antriebsachse antreibt bzw. bremst. Beide Umrichter sind hierbei zwischenkreisseitig miteinander und mit einem Energiespeicher verbunden. Alternativ kann der Umrichter der ersten Maschine rotationssymmetrisch in seine Maschine integriert werden, so dass nur noch zwei Schleifringe notwendig sind, und die zweite elektrische Maschine kann auch durch mehrere Radnabenmotoren ersetzt werden.

Description

Einleitung
Ungefähr 25 % des Primärenergiebedarfs der Bundesrepublik Deutschland entfallen auf den Verkehrssektor, der damit durch sein CO₂-Aufkommen einen hohen Anteil am sogenannten „Treibhauseffekt" hat. Um unsere Mobilität in ihrer jetzigen Form zu erhalten und trotzdem unsere Atmosphäre nachhaltig vor weiterer Erwärmung zu schützen, kommt auch auf dem Verkehrssektor der Energieeinsparung eine immer größere Bedeutung zu.
Die Fahrzyklen von Fahrzeugen z. B. des öffentlichen Personennahverkehrs aber auch die des Individualverkehrs sind durch häufiges Beschleunigen und Verzögern gekennzeichnet. Selbst bei fahrleitungsgebundenen, elektrisch angetriebenen Fahrzeugen kann meist nur ein Teil der kinetischen Energie des rollenden Fahrzeugs beim Bremsvorgang durch Rückspeisung in die Fahrleitung zurückgewonnen werden, da nicht immer ein Abnehmer für die anfallende Energie zur Verfügung steht. Bei mit fossilen Brennstoffen betriebenen Fahrzeugen wie z. B. Dieselbussen oder privaten PKW kann die kinetische Energie des rollenden Fahrzeugs gar nicht zurückgewonnen werden. Zudem kann der Verbrennungsmotor, dessen Drehzahl und Drehmoment über die Kupplung und das Getriebe von der aktuellen Fahrsituation des Fahrzeugs bestimmt werden, oft nicht in seinem effizientesten Arbeitspunkt betrieben werden.
1 zeigt ein typisches Drehmoment-/Drehzahldiagramm mit Bereichen konstanten spezifischen Verbrauchs. Es ist zu erkennen, daß der spezifische Verbrauch vom Optimalpunkt ausgehend mit fallendem Drehmoment und bei Abweichung von der Optimaldrehzahl signifikant ansteigt.
Stand der Technik
Als Stand der Technik ermöglicht der Einsatz eines Serienhybridantriebs (2) die mindestens teilweise Entkopplung von Dieselarbeitspunkt (Drehzahl, Drehmoment) und momentaner Fahrdynamik des Fahrzeugs, so daß der mittlere spezifische Verbrauch (Arbeitsgrad) des Dieselmotors durch eine optimale Regelung deutlich verbessert werden kann. Bei zusätzlichem Einsatz eines Energiespeichers ist sogar ein Teil der kinetischen Energie des rollenden Fahrzeugs beim generatorischen Bremsvorgang zurückgewinnbar. Der Nachteil des Serienhybrides besteht im Wesentlichen in einem reduzierten Gesamtantriebswirkungsgrad bei konstanter Geschwindigkeit durch die serielle Energiewandlung vom Verbrennungsmotor über Generator, Gleichrichter, Traktionsumrichter zum Traktionsmotor. Ein durch die hohe Anzahl von Traktionskomponenten erhöhtes Fahrzeuggewicht mindert die erzielbare Primärenergieeinsparung zusätzlich.
Alternativer Stand der Technik ist der Einsatz eines Parallelhybridantriebes (3), der sich auch durch eine große Anzahl von Traktionskomponenten negativ hervortut. Den Nachteil der festen Kopplung zwischen Verbrennungsmotor und aktueller Fahrdynamik des Fahrzeugs weist diese Antriebstopologie weiterhin auf.
Mit Hilfe eines Splithybridantriebes wird versucht, die Nachteile des Parallel- wie des Serienhybridantriebs in technisch sehr aufwendiger und teurer Weise zu kompensieren.
Im Patent DE 41 18 678 A1 wird alternativ versucht, den Verbrennungsmotor von der angetriebenen Achse mittels einer elektrischen Maschine drehzahlmäßig zu entkoppeln. Um zusätzlich einen alternativen Betrieb von Elektro- oder Verbrennungsmotor zu generieren, werden hierfür zwei mechanische Bremsen additiv benötigt. Durch die Bremsen ist der Antrieb in dieser Form nicht kompakt aufbaubar. Weiterhin ist er als Antrieb eines realen Fahrzeug unbrauchbar, da bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten das Antriebsdrehmoment des Verbrennungsmotors zu gering ist oder (und) die Traktionsbatterie für die elektromotorische Traktion sehr groß dimensioniert werden muß. Bei längerer Fahrt bestimmen weiterhin der Ladezustand der Batterie zusammen mit der Fahrzeuggeschwindigkeit den Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors, so daß eine wirklich Entkopplung zwischen Rad- und Motordrehzahl nicht gegeben ist.
Fahrdynamisch gesehen ist zudem ein Umschalten zwischen den Betriebsarten Elektro- und Verbrennungsmotorantrieb nicht ruckfrei möglich.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hybride Antriebstopologie zu kreieren, die in ihrem Aufbau einfach, kompakt und kostengünstig ist und die zusätzlich in allen Fahrzuständen, auch bei hohen Traktionsdrehmomenten, beste Energieumwandlungswirkungsgrade aufweist.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Vorteile des Serienhybrides, die Entkopplung von Verbrennungsmotor und Fahrdynamik, mit den Vorteilen des Parallelhybrides, hohes Beschleunigungsdrehmoment und hoher Antriebswirkungsgrad bei konstanter Geschwindigkeit, in einer einfachen und kompakten Antriebstopologie sinnvoll zu vereinen. 4 zeigt ein Prinzipbild der erfindungsgemäßen Hybridantriebstopologie in modellhafter Darstellung. Der Verbrennungsmotor ist mit dem Rotor des Generators mechanisch fest verbunden bzw. es bietet es sich an den Rotor in die Schwungmasse des Verbrennungsmotors zu integrieren. In 4 ist die Maschine als Radialflußmaschine ausgeführt. In der beschriebenen Bauart ist der Einsatz einer Axialflußmaschine allerdings konstruktiv günstiger (siehe 5). Der „Stator" des Generators, der auch rotationsfähig konstruiert sein muß, mündet in die zum Differential führende Welle, so daß der Generatorstator genauso wie sein Rotor rotieren kann. Der elektrische Anschluß des Generators ist über Schleifringe ausgeführt. Dabei ist nicht festgelegt, ob der Rotor oder der Stator über die Schleifringe kontaktiert wird. Alternativ kann der Umrichter rotationssymmetrisch in die Maschine integriert werden, was die Zahl der Schleifringe auf zwei reduziert, über die die Zwischenkreisspannung dem rotierenden Umrichter zugeführt wird (siehe 6). Alternativ zur Versorgung über zwei Schleifringe kann die Zwischenkreisspannung dem rotationssymmetrischen Umrichter über zwei stromführende Lager zugeführt werden (siehe 7).
Da der Generator eine freie Drehzahlanpassung des Verbrennungsmotors erlaubt, kann das wirkungsgradmindernde und bauraumbenötigende Schaltgetriebe entfallen und es entsteht eine leichte und kompakte Antriebseinheit. Durch die differenzdrehzahlabhängige Leistungsverzweigung dieser Topologie kann ein Energiemanagement den Verbrennungsmotor immer in seinem besten Arbeitspunkt betreiben, die Batterie laden und die angeflanschte Antriebsachse antreiben. Auch der Start des Verbrennungsmotors kann aus dem Energiespeicher durch motorischen Betrieb des Generators erfolgen. Zur tatsächlichen Abkopplung des Verbrennungsmotorarbeitspunktes von der Fahrzeugdynamik sowie zur Vergrößerung der Fahrzeugbeschleunigung, da das Drehmoment des Verbrennungsmotors auf die Räder wirkt, als sei der vierte bzw. fünfte Gang eingelegt, wird eine zweite Antriebsachse mit einer zweiten elektrischen Maschine angetrieben bzw. gebremst. Die beiden Umrichter sind über ihre Zwischenkreise miteinander und mit einem Energiespeicher (Batterie, Superkondensator etc.) verbunden.
Es ergeben sich die folgenden betrieblichen Vorteile: Bei Fahrzeugstillstand bzw. geringer Geschwindigkeit operiert das Fahrzeug ähnlich dem Serienhybrid. Der Hauptdrehmomentanteil entstammt der zweiten elektrischen Maschine, während der Verbrennungsmotor/Generatorsatz „Energielieferant" ist. Leistungsmäßig kann wegen des Energiespeichers und der Leistungsverzweigung der Generator (inkl. seinem Umrichter) der erfindungsgemäßen Antriebstopologie im Gegensatz zum Serienhybrid und im Gegensatz zu DE 41 18 678 A1 deutlich kleiner bzw. kompakter dimensioniert werden. Das vom Fahrer gewünschte Drehmoment als Summe aus dem der zweiten Maschine und dem des Verbrennungsmotors kann dabei größer als das des klassischen Serienhybrides sein. Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Antriebes ist durch den Schaltgetriebewegfall, die Rückgewinnung der kinetischen Energie und die Abkopplung des Verbrennungsmotors vom Rad höher als der Stand der Technik. Durch den Zweiachsantrieb kommen der fahrdynamische Vorteil („Allrad") sowie eine vollständige Antriebsredundanz hinzu. Der Wegfall des Getriebes sowie die Tatsache, daß „Standardkomponenten" zum Aufbau des Antriebs Verwendung finden, wirken sich produktionskostenmindernd aus.

Claims

Hybride Antriebstopologie, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad eines Verbrennungsmotors mit dem rotationsfähigen Stator einer über einen Umrichter betriebenen, elektrischen Maschine eine Einheit bildet, deren Rotor über ein Differential mit einer antreibenden Fahrzeugachse verbunden ist, wobei die elektrische Maschine rotorseitig über Schleifringe gespeist wird und z. B. als Radial- oder Axialflußmaschine ausgeführt sein kann, während eine zweite umrichtergespeiste elektrische Maschine eine zweite Antriebsachse antreibt bzw. bremst, wobei beide Umrichter zwischenkreisseitig miteinander und mit einem Energiespeicher verbunden sind.
Topologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Maschine statorseitig über Schleifringe gespeist wird.
Topologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad des Verbrennungsmotors mit dem Rotor und das Differential mit dem Stator der ersten elektrische Maschine mechanisch verbunden ist.
Topologie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad des Verbrennungsmotors mit dem Rotor und das Differential mit dem Stator der ersten elektrische Maschine mechanisch verbunden ist.
Topologie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrische Maschine mechanisch rotorseitig sowohl mit der ersten Maschine als auch mit dem Differential verbunden ist.
Topologie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrische Maschine als zwei radnahe oder Radnarbenmotoren ausgeführt sind.
Topologie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter der ersten Maschine rotationssymmetrisch in die Maschine integriert ist und nur noch zwei Schleifringe notwendig sind.
Topologie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter der ersten Maschine rotationssymmetrisch in die Maschine integriert ist und der Umrichterzwischenkreis über zwei stromführende, voneinander isolierte Lager kontaktiert wird.
Topologie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor nur auf ein Rad wirkt und die verbleibenden drei Räder von Elektromotoren angetrieben werden („echter" Allradantrieb).