DE102006046097A1 - Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Bernd-Guido Dr. Schulze
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer seriellen Anordnung eines Verbrennungsmotors, einer vorwiegend als Generator betreibbaren ersten Elektromaschine, einer vorwiegend als Elektromotor betreibbaren zweiten Elektromaschine, und eines Achsantriebs, und mit einem über schaltbare Leitungen und eine Leistungselektronik mit den beiden Elektromaschinen verbindbaren Fahrbatterie sowie einem Steuergerät zur Steuerung des Energieflusses zwischen den Elektromaschinen und der Fahrbatterie. Zur Erzielung kompakter Abmessungen und eines verbesserten Wirkungsgrades ist vorgesehen, dass die beiden Elektromaschinen in einem elektromagnetischen Getriebe (6) mit einem mit einer Eingangswelle verbundenen, drehbar gelagerten Antriebrotor (7), mit einem mit einer Ausgangswelle verbundenen, drehbar gelagerten Abtriebsrotor (8) und mit einem gemeinsamen, drehfest mit einem Gehäusebauteil verbundenen und axial verschiebbar gelagerten Stator (9) zusammengefasst sind, wobei der Antriebsrotor (7) und der Abtriebsrotor (8) axial benachbart in zylindrischer Anordnung jeweils umfangsseitig verteilte Permanentmagnete mit wechselnder Polarität aufweisen und wobei der Stator (9) in einer radial benachbarten Anordnung zu den Permanentmagneten der Rotoren (7, 8) mindestend eine Kurzschlusswicklung aufweist, die mit einer zugeordneten Leistungselektronik (13) in Verbindung steht, wobei das wirksame Übersetzungsverhältnis durch eine Axialverschiebung des Stators ...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer seriellen Anordnung eines Verbrennungsmotors, einer vorwiegend als Generator betreibbaren ersten Elektromaschine, einer vorwiegend als Elektromotor betreibbaren zweiten Elektromaschine, und eines Achsantriebs, und mit einem über schaltbare Leitungen und eine Leistungselektronik mit den beiden Elektromaschinen verbindbaren Fahrbatterie sowie einem Steuergerät zur Steuerung des Energieflusses zwischen den Elektromaschinen und der Fahrbatterie.
  • Unter einem Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs wird ein Antriebsstrang mit einem Hybridantrieb verstanden, der aus einer Kombination eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors besteht, wobei der Elektromotor entweder aus einer mitgeführten Fahrbatterie oder über Stromabnehmer aus einem Fahrdraht versorgt werden kann. Entsprechend der antriebstechnischen Anordnung des Verbrennungsmotors und des Elektromotors wird zwischen einem seriellen und einem parallelen Hybridantrieb unterschieden.
  • Bei einem parallelen Hybridantrieb, der beispielsweise aus der DE 102 48 715 A1 und der DE 101 58 536 B4 bekannt ist, sind der Verbrennungsmotor und der Elektromotor in paralleler Anordnung auf den Achsantrieb wirksam, d.h. das betreffende Kraftfahrzeug kann wahlweise unmittelbar von dem Verbrennungsmotor oder dem Elektromotor oder gemeinsam von beiden Antriebsmotoren angetrieben werden. Nachteilig an dieser Auslegung ist jedoch, dass für das Anfahren und den Fahrbetrieb mit dem Verbrennungsmotor eine Anfahrkupplung und ein Fahrgetriebe erforderlich ist, wodurch sich ein großer Bauraumbedarf und ein hohes Gewicht des Antriebsstrangs ergeben.
  • Bei einem seriellen Hybridantrieb treibt der Verbrennungsmotor dagegen einen Generator an, über den in Verbindung mit einer Fahrbatterie ein mit dem Achsantrieb verbundener Elektromotor gespeist wird. Der unmittelbare Antrieb des Kraftfahrzeugs erfolgt somit immer über den Elektromotor, wobei der Verbrennungsmotor aber bedarfsweise, z. B. beim Befahren von Innenstadtbereichen mit Emissionsbeschränkungen, abgestellt werden kann, so dass der Elektromotor dann nur aus der Fahrbatterie gespeist wird. Vorteilhaft ist an dieser Auslegung, dass eine Anfahrkupplung und ein Fahrgetriebe nicht erforderlich sind und eingespart werden können, was einen geringen Bauraumbedarf und ein niedriges Gewicht des Antriebsstrangs ergibt. Nachteilig bei dieser Auslegung ist jedoch die zweifache Energieumwandlung mechanisch-elektrisch und elektrisch-mechanisch zwischen dem Verbrennungsmotor, dem Generator, und dem Elektromotor, was einen relativschlechten Wirkungsgrad zur Folge hat. Des Weiteren wird der Elektromotor bei größeren Fahrgeschwindigkeiten zumeist in einem ungünstigen Betriebsbereich betrieben.
    •
  • Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, einen seriellen Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der bei kompakten Abmessungen einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
  • Des Weiteren soll ein Verfahren zur Steuerung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs angegeben werden.
  • Das Problem wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die beiden Elektromaschinen in einem elektromagnetischen Getriebe mit einem mit einer Eingangswelle verbundenen, drehbar gelagerten Antriebsrotor, mit einem mit einer Ausgangswelle verbundenen, drehbar gelagerten Abtriebsrotor, und mit einem gemeinsamen, drehfest mit einem Gehäusebauteil verbundenen und axial verschiebbar gelagerten Stator zusammengefasst sind, wobei der Antriebsrotor und der Abtriebsrotor axial benachbart in zylindrischer Anordnung jeweils umfangsseitig verteilte Permanentmagnete mit wechselnder Polarität aufweisen, und wobei der Stator in einer radial benachbarten Anordnung zu den Permanentmagneten der Rotoren mindestens eine Kurzschlusswicklung aufweist, die mit einer zugeordneten Leistungselektronik in Verbindung steht, wobei das wirksame Übersetzungsverhältnis durch eine Axialverschiebung des Stators relativ zu den Rotoren einstellbar ist.
  • Durch die Kombination des bislang, z.B. aus der DE 44 08 719 C1 und der DE 101 63 226 A1 , als stufenloses Getriebe bekannten elektromagnetischen Getriebes mit einem Verbrennungsmotor, einer Fahrbatterie, und einer Leistungselektronik wird ein leistungsfähiger Hybridantriebsstrang gebildet, der aufgrund seiner erweiterten Steuerungsmöglichkeiten im Vergleich zu bekannten parallelen Hybridantriebssträngen einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrang können einerseits über die Einstellung des Stators und andererseits über eine Energiezufuhr bzw. Energieabfuhr zwischen der Kurzschlusswicklung und der Fahrbatterie alle bekannten Hybridfunktionen, wie z. B. Boosten, Rekuperieren, Lastpunktanhebung oder -absenkung, Start-Stopp-Betrieb, periodisches Beschleunigen und Ausrollen, elektrisches Starten des Verbrennungsmotors, und elektrisches Fahren, durchgeführt werden.
  • Das verwendete elektromagnetische Getriebe kann, wie aus der DE 44 08 719 C1 und der DE 101 63 226 A1 bekannt ist, als ein Außenläufer ausgebildet sein, bei dem der Stator radial innenliegend angeordnet ist, die Kurzschlusswicklung radial außen auf dem Stator angeordnet ist, der Antriebsrotor und der Abtriebsrotor radial außenliegend angeordnet sind, und die Permanentmagnete auf der der Kurzschlusswicklung zugewandten radialen Innenseite an den Rotoren angeordnet sind. Das betreffende elektromagnetische Getriebe kann aber auch als ein Innenläufer mit einem radial außenliegenden Stator und mit radial innenliegenden Rotoren ausgebildet sein, bei dem die Kurzschlusswicklung radial innen an dem Stator angeordnet ist, und die Permanentmagneten auf der der Kurzschlusswicklung zugewandten radialen Außenseite auf den Rotoren angeordnet sind.
  • Da, abhängig von der Antriebsdrehzahl, d.h. der Drehzahl des Verbrennungsmotors, und der axialen Position des Stators in der Kurzschlusswicklung Spannungen und Ströme unterschiedlicher Höhe und Pulsfrequenzen auftreten, steht die Fahrbatterie zweckmäßig über einen steuerbaren Gleichspannungswandler mit der Kurzschlusswicklung des Stators in Verbindung.
  • Zur Begrenzung der Leitungsverluste und der Baugröße weist die Fahrbatterie üblicherweise ein höheres Spannungsniveau auf als das Bordnetz und die Bordbatterie mit den üblichen 12 Volt. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Fahrbatterie über einen steuerbaren Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz und der Bordbatterie in Verbindung steht. Hierdurch kann die Bordbatterie bedarfsweise aus der Fahrbatterie aufgeladen werden und ein separater Generator für das Bordnetz eingespart werden.
  • Zur Realisierung eines zuschaltbaren Allradantriebs kann eine weitere antreibbare Achse mit einem zugeordneten Elektromotor vorgesehen sein, der bedarfsweise mit der Fahrbatterie und/oder der Kurzschlusswicklung des Stators verbunden werden kann. Die Zuschaltung der weiteren Antriebsachse kann beispielsweise in Abhängigkeit der Traktion der Hauptantriebsachse erfolgen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrang kann der Elektrostart des Verbrennungsmotors bei Fahrzeugstillstand dadurch erfolgen, dass der Stator vollständig in oder auf den Antriebsrotor verschoben wird, und der Antriebsrotor in Verbindung mit der Kurzschlusswicklung als Elektromotor betrieben wird.
  • Zum Anfahren aus dem Fahrzeugstillstand heraus wird der Stator zunächst vollständig in oder auf den Antriebsrotor gestellt und nachfolgend in Richtung des Abtriebsrotors verschoben, wobei der Antriebsrotor in Verbindung mit der Kurzschlusswicklung als Generator und der Abtriebsrotor in Verbindung mit der Kurzschlusswicklung als Elektromotor betrieben wird.
  • Zum Boosten oder zur Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors wird Energie aus der Fahrbatterie in die Kurzschlusswicklung eingespeist, wobei der Stator zur Kompensation der dadurch veränderten Übersetzung des elektromagnetischen Getriebes in Richtung des Antriebsrotors verschoben werden kann.
  • Zum Rekuperieren oder zur Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors wird Energie aus der Kurzschlusswicklung in die Fahrbatterie eingespeist, wobei der Stator zur Kompensation der dadurch veränderten Übersetzung des elektromagnetischen Getriebes in Richtung des Abtriebsrotors verschoben werden kann. Abtriebsrotor und Stator werden hierbei als Generator eingesetzt. Insbesondere wird bei einem Bremsvorgang beim Aufbau des Bremsdrucks der Stator in Richtung des Abtriebsrotors verschoben. Dabei kann an das Steuergerät ein Signal für den Bremsdruck übermittelt werden, woraufhin das Steuergerät ein Signal an einen Stellantrieb des Stators abgibt, diesen in Richtung des Abtriebsrotors axial zu verschieben. Bei dem Signal für den Bremsdruck kann es sich zum Beispiel um ein Steuersignal handeln, durch den der Bremsdruck aufgebaut wird, oder ein Signal, dass von einem Sensor zur Ermittlung des Bremsdrucks abgegeben wird. Durch die Verschiebung des Stators wird die Leistungsaufnahme der Fahrbatterie des Hybridsystems bei einem Bremsvorgang optimiert.
  • Zum elektrischen Fahren bei abgestelltem Verbrennungsmotor wird der Stator vollständig in oder auf den Abtriebsrotor verschoben und nachfolgend der Abtriebsrotor in Verbindung mit der Kurzschlusswicklung als Elektromotor betrieben.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft zur Erläuterung der Erfindung dienen.
  • Hierzu zeigt:
  • 1 Den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs.
  • 2 Ein Fahrdiagramm des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrangs bei der Rekuperation
    •
  • Ein Hybridantriebsstrang 1 nach 1 weist eine serielle Anordnung eines Verbrennungsmotors 2, einer Elektromaschine 3, und eines Achsantriebs 4 einer Antriebsachse 5 auf. Die Elektromaschine 3 ist als ein elektromagnetisches Getriebe 6 mit einem Antriebsrotor 7, einem Abtriebsrotor 8, und einem drehfest und axial verschiebbar gelagerten Stator 9 ausgebildet. Die Rotoren 7, 8 sind jeweils mit umfangsseitig verteilt angeordneten Permanentmagneten wechselnder Polarität versehen. Der Stator 9 weist mindestens eine axial und umfangsseitig verlaufende Kurzschlusswicklung auf, die bei einer Drehung der Rotoren 7, 8 mit den Permanentmagneten in elektromagnetische Wechselwirkung tritt. Das elektromagnetische Getriebe 6 stellt somit eine Kombination eines Generators und eines Elektromotors dar.
  • Zur Steuerung der verschiedenen Betriebsfunktionen des Hybridantriebsstrangs 1 steht ein Steuergerät 10 u. a. zur Einstellung der axialen Position des Stators 9 mit einem zugeordneten Stellantrieb 11 und zur Erfassung des Ladezustands einer Fahrbatterie 12 mit dieser in Verbindung. Die Fahrbatterie 12 steht ihrerseits über elektrische Leitungen und eine Leistungselektronik 13, der mindestens ein Gleichspannungswandler 14 zugeordnet ist, sowohl mit der auf dem Stator 9 angeordneten Kurzschlusswicklung als auch mit dem Bordnetz 15 bzw. der Bordbatterie 16 in Verbindung.
  • Durch die weitgehend beliebig schalt- und steuerbare Verbindung der Fahrbatterie 12 mit der Kurzschlusswicklung des elektromagnetischen Getriebes 6 sind durch den gesteuerten Austausch von Energie typische Hybridfunktionen, wie Boosten, Rekuperieren, und Lastpunktanhebung oder -absenkung des Verbrennungsmotors, möglich. Die Kombination des elektromagnetischen Getriebes 6 mit der Fahrbatterie 12 und der Leistungselektronik 13 bildet somit einen vollwertigen Hybridantrieb.
  • Durch die Verbindung der Fahrbatterie 12 mit dem Bordnetz 15 kann die Bordbatterie 16 bedarfsweise ohne einen zusätzlichen Generator geladen werden.
  • In 2 ist ein möglicher Fahrzustand des Hybridantriebs anhand eines Fahrdiagrammes gezeigt, hier die Rekuparation. Hierbei wird beim Bremsvorgang Fahrenergie des Fahrzeugs in die Fahrbatterie 12 zurückgespeist. Dabei wird ein Signal für den sich aufbauenden Bremsdruck an das Steuergerät 10 übermittelt. Beim den Signal kann es sich zum Beispiel um ein Steuersignal handeln, durch den der Bremsdruck aufgebaut wird, oder um ein Signal, das von einem Sensor abgegeben wird, der den Bremsdruck ermittelt. Daraufhin gibt das Steuergerät 10 ein Signal an den Stellantrieb 11 ab, den Stator 9 in Richtung des Abtriebsrotors 8 zu verschieben. Durch die größere wirksame Leiterlänge der Kurzschlusswicklung im Bereich des Abtriebsrotors 8 wird eine größere Elektromotorspannung am Stator 9 erreicht, die über einen Kondensator der Leistungselektronik 13, der als Zwischenspeicher dient, abgegriffen wird. Der Spannungsverlauf ist obersten Diagramm der 2 gezeigt. Mittels der Leistungselektronik wird die Bremsenergie dann in der Fahrbatterie 12 gespeichert. Hierbei treten im gezeigten Beispiel Batterieströme bis zu 40 A auf und eine Leistungsaufnahme der Fahrbatterie 12 von 12 KW. In der 2 sind weiter der Verlauf der Batteriestromes der Fahrbatterie 12, der Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit und er der Verlauf des Bremsdrucks bei einem Bremsvorgang eines Fahrzeuges gezeigt. Während des gesamten Vorgangs wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors vorzugsweise konstant gehalten, wie im unteren Diagramm der 2 gezeigt.
    • 1
    Hybridantriebsstrang
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    Elektromaschine
    4
    Achsantrieb
    5
    Antriebsachse
    6
    elektromagnetisches Getriebe
    7
    Antriebsrotor
    8
    Abtriebsrotor
    9
    Stator
    10
    Steuergerät
    11
    Stellantrieb
    12
    Fahrbatterie
    13
    Leistungselektronik
    14
    Gleichspannungswandler
    15
    Bordnetz
    16
    Bordbatterie

Claims (12)

  1. Hybridantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer seriellen Anordnung eines Verbrennungsmotors, einer vorwiegend als Generator betreibbaren ersten Elektromaschine, einer vorwiegend als Elektromotor betreibbaren zweiten Elektromaschine, und eines Achsantriebs, und mit einem über schaltbare Leitungen und eine Leistungselektronik mit den beiden Elektromaschinen verbindbaren Fahrbatterie sowie einem Steuergerät zur Steuerung des Energieflusses zwischen den Elektromaschinen und der Fahrbatterie, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektromaschinen in einem elektromagnetischen Getriebe (6) mit einem mit einer Eingangswelle verbundenen, drehbar gelagerten Antriebsrotor (7), mit einem mit einer Ausgangswelle verbundenen, drehbar gelagerten Abtriebsrotor (8), und mit einem gemeinsamen, drehfest mit einem Gehäusebauteil verbundenen und axial verschiebbar gelagerten Stator (9) zusammengefasst sind, wobei der Antriebsrotor (7) und der Abtriebsrotor (8) axial benachbart in zylindrischer Anordnung jeweils umfangsseitig verteilte Permanentmagnete mit wechselnder Polarität aufweisen, und wobei der Stator (9) in einer radial benachbarten Anordnung zu den Permanentmagneten der Rotoren (7, 8) mindestens eine Kurzschlusswicklung aufweist, die mit einer zugeordneten Leistungselektronik (13) in Verbindung steht, wobei das wirksame Übersetzungsverhältnis durch eine Axialverschiebung des Stators (9) relativ zu den Rotoren (7, 8) einstellbar ist.
  2. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrbatterie (12) über einen steuerbaren Gleichspannungswandler (13) mit der Kurzschlusswicklung des Stators (9) in Verbindung steht.
  3. Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrbatterie (12) über einen steuerbaren Gleichspannungswandler (13) mit dem Bordnetz (15) und der Bordbatterie (16) in Verbindung steht.
  4. Hybridantriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere antreibbare Achse mit einem zugeordneten Elektromotor vorgesehen ist, der bedarfsweise mit der Fahrbatterie (12) und/oder der Kurzschlusswicklung des Stators (9) verbindbar ist.
  5. Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebsstrangs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Elektrostart des Verbrennungsmotors (2) bei Fahrzeugstillstand der Stator (9) vollständig in oder auf den Antriebsrotor (7) verschoben wird, und der Antriebsrotor (7) in Verbindung mit der Kurzschlusswicklung als Elektromotor betrieben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren aus dem Fahrzeugstillstand heraus der Stator (9) zunächst vollständig in oder auf den Antriebsrotor (7) gestellt wird und nachfolgend in Richtung des Abtriebsrotors (8) verschoben wird, wobei der Antriebsrotor (7) in Verbindung mit der Kurzschlusswicklung als Generator und der Abtriebsrotor (8) in Verbindung mit der Kurzschlusswicklung als Elektromotor betrieben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Boosten oder zur Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors (2) Energie aus der Fahrbatterie (12) in die Kurzschlusswicklung eingespeist wird, und dass der Stator (9) zur Kompensation der dadurch veränderten Übersetzung des elektromagnetischen Getriebes (6) in Richtung des Antriebsrotors (7) verschoben wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Rekuperieren oder zur Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors (2) Energie aus der Kurzschlusswicklung in die Fahrbatterie (12) eingespeist wird, und dass der Stator (9) zur Kompensation der dadurch veränderten Übersetzung des elektromagnetischen Getriebes (6) in Richtung des Abtriebsrotors (8) verschoben wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Bremsvorgang des Kraftfahrzeugs beim Aufbau des Bremsdrucks der Stator (9) in Richtung des Abtriebsrotors (8) verschoben wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuergerät (10) ein Signal für den Bremsvorgang übermittelt wird, woraufhin das Steuergerät (10) ein Signal an einen Stellantrieb des Stators (9) abgibt, diesen in Richtung des Abtriebsrotors (8) zu verschieben.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Fahren bei abgestelltem Verbrennungsmotor (2) der Stator (9) vollständig in oder auf den Abtriebsrotor (8) verschoben wird und nachfolgend der Abtriebsrotor (8) in Verbindung mit der Kurzschlusswicklung als Elektromotor betrieben wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordbatterie (16) über einen zugeordneten Gleichspannungswandler (14) bedarfsweise aus der Fahrbatterie (12) oder aus der Kurzschlusswicklung des Stators (9) geladen wird.
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