DE102006060872A1 - Hybrid-Antrieb für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Edmund Sander
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybrid-Antrieb (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und einem Elektromotor (3), wobei diese und zumindest ein Nebenaggregat (7) über einen Riemen-/Kettentrieb (6) miteinander verbunden sind. Am Verbrennungsmotor (2) und am Elektromotor (3) ist jeweils ein Antriebselement (9, 9') mit einem gleichgerichteten Freilauf (12, 12') für den Riemen-/Kettentrieb (6) vorgesehen, wodurch eine vordefinierte Riemen-/Kettengeschwindikgeit erzwungen werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybrid-Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor.
  • Als Hybrid-Antrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb einer Anwendung. Hybrid-Antriebe, welche einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor aufweisen, werden zunehmend auch im modernen Kraftfahrzeugbau eingesetzt, wobei durch das Betreiben des Verbrennungsmotors in einem sehr günstigen Wirkungsgradsbereich ein kraftstoffsparendes Fahren erreicht werden kann. Neben dem Elektromotor sind in Kraftfahrzeugen jedoch noch weitere Nebenaggregate, wie beispielsweise ein Klimakompressor, eine Servopumpe oder ein Lüfter angeordnet, welche entweder einen eigenen Elektromotor aufweisen oder zum Antrieb über einen Riementrieb mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden sind. Letztere Variante ist bei Hybrid-Fahrzeugen jedoch problematisch, da beim reinen Elektroantrieb der Verbrennungsmotor abgeschaltet ist und somit ein Antreiben der Nebenaggregate über die Kurbelwelle und den Riementrieb ausscheidet. Deshalb ist es bei Hybrid-Fahrzeugen erforderlich, jedem Nebenaggregat eine alternative Antriebsquelle zuzuordnen, was jedoch konstruktiv aufwändig und teuer ist. Insbesondere beim Einsatz von Elektromotoren als Antriebsquellen der Nebenaggregate steigt neben dem Aufwand in der Steuerung und Verkabelung auch der Aufwand zur Verwaltung des elektrischen Energiehaushaltes des Fahrzeuges.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Hybrid-Antrieb für ein Kraftfahrzeug eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, welche einen konstruktiv einfachen und kostengünstigen Aufbau und Betrieb von im Kraftfahrzeug angeordneten Nebenaggregaten bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die durch den Elektromotor erzeugte mechanische Energie zum Antrieb der Nebenaggregate zu nutzen. Hierfür sind ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor des Hybrid-Antriebs und zumindest ein Nebenaggregat über einen Riemen-/Kettentrieb miteinander antriebsverbunden, wobei am Verbrennungsmotor und am Elektromotor jeweils ein Antriebselement mit einem gleichgerichteten Freilauf für den Riemen-/Kettentrieb vorgesehen ist. In einem reinen verbrennungsmotorischen Antriebszustand wird somit der Riemen-/Kettentrieb vom Verbrennungsmotor angetrieben und überträgt seine mechanische Bewegung in ein Drehmoment am Elektromotor sowie ein Drehmoment am Nebenaggregat. Hierdurch wird das Nebenaggregat betrieben und gleichzeitig durch den als Generator wirkenden Elektromotor eine Fahrzeugbatterie aufgeladen. Bei vollständig geladener Fahrzeugbatterie kann das Antriebselement am Elektromotor in den Freilauf geschaltet werden, so dass sich der Elektromotor trotz der sich drehenden Kurbelwelle nicht mehr mitdreht. Im elektromotorischen Antriebszustand hingegen wird der Freilauf am Antriebselement der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors betätigt, so dass der Elektromotor nur noch das zumindest eine Nebenaggregat antreibt, während sich die Kurbelwelle nicht dreht.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Freilauf des Antriebselementes des Elektromotors bis zu einer Grenzgeschwindigkeit vGrenz des Riemen-/Kettentriebes geschlossen und bei einer höheren Geschwindigkeit geöffnet, wogegen der Freilauf des Antriebselementes des Verbrennungsmotors ab der Grenzgeschwindigkeit vGrenz geschlossen und bei einer geringeren Geschwindigkeit geöffnet ist. Hierdurch ist es möglich, eine genau definierte Drehzahl an den Nebenaggregaten festzulegen, welche drehzahlunabhängig von der Drehzahl des Elektromotors bzw. der Drehzahl des Verbrennungsmotors ist. Dies ermöglicht eine sehr genaue Auslegung der Nebenaggregate auf die erforderliche Leistung, wodurch eine Gewichts- und Kostenersparnis bei den Nebenaggregaten erreicht werden kann. Ein Auslegen der Nebenaggregaten auf einerseits ausreichende Leistung bei minimaler Drehzahl, andererseits aber auch das Auslegen als hochdrehzahlfestes Nebenaggregat kann dadurch entfallen. Insbesondere kann auch eine mechanische Belastung der Nebenaggregate eingeschränkt werden, so dass die Nebenaggregate nur noch auf im wesentlichen einen gleichbleibenden Betriebszustand/Leistungszustand ausgelegt werden müssen und nicht mehr wie bisher unterschiedliche Betriebs-/Leistungszustände verkraften bzw. abdecken müssen.
  • Zweckmäßig ist an dem Antriebselement des Verbrennungsmotors eine Kupplung und/oder eine Bremse vorgesehen, welche eine von der Drehzahl des Antriebselements unabhängige Riemen-/Kettengeschwindigkeit ermöglicht. Hierdurch ist es möglich, auch bei hohen Drehzahlen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors eine gleichbleibende Riemen-/Kettengeschwindigkeit einzustellen, welche vorzugsweise einer idealen Antriebsgeschwindigkeit des mit dem Riemen-/Kettentrieb angetriebenen Nebenaggregats entspricht. Denkbar ist hierbei, dass der Elektromotor den Riemen-/Kettentrieb in einem unteren Drehzahlbereich antreibt, während der Verbrennungsmotor den Riemen-/Kettentrieb bei höheren Drehzahlen antreibt, bei welchen bereits der Freilauf des am Elektromotor angeordneten Antriebselementes aktiviert ist. Steigt die Drehzahl der Kurbellwelle im Verbrennungsmotor weiter an, so verhindert die Kupplung und/oder die Bremse das Überschreiten einer vordefinierten Riemen-/Kettengeschwindigkeit. Durch diese Maßnahme erübrigt sich auch ein hochdrehzahlfestes Auslegen der Nebenaggregate, wodurch diese kostengünstiger hergestellt werden können.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch,
  • 1 einen möglichen Aufbau bzw. eine mögliche Anordnung eines Verbrennungs- und Elektromotors in Richtung der Achsen einer Kurbelwelle bzw. eines Elektromotors gesehen,
  • 2 eine Darstellung wie in 1, wobei der Elektromotor den Riemen-/Kettentrieb antreibt,
  • 3 einen Übergang von einem elektromotorischen Antrieb zu einem verbrennungsmotorischen Antriebszustand,
  • 4 einen rein verbrennungsmotorischen Antriebszustand,
  • 5 eine Kupplung und/oder eine Bremse im Bereich des Antriebselementes des Verbrennungsmotors,
  • 6 eine Darstellung bei verbrennungsmotorischem Antrieb und einer durch die Kupplung bzw. die Bremse geregelten Riemen-/Kettengeschwindigkeit.
  • Entsprechend 1 weist ein erfindungsgemäßer Hybrid-Antrieb 1 für ein im übrigen nicht dargestelltes Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor 2 und einen Elektromotor 3 auf. Dabei verläuft eine Welle 4 des Elektromotors 3 sowie eine Kurbelwelle 5 des Verbrennungsmotors 2 senkrecht zur Bildebene. Über einen Riemen-/Kettentrieb 6 sind dabei der Verbrennungsmotor 2, der Elektromotor 3 und zumindest ein Nebenaggregat 7 miteinander antriebsverbunden. Bei dem gezeigten Nebenaggregat 7 kann es sich beispielsweise um einen Klimakompressor und/oder eine Servopumpe und/oder einen Lüfter und/oder eine Wasserpumpe handeln. Eine Antriebswelle 8 des Nebenaggregates 7 verläuft dabei parallel zur Welle 4 des Elektromotors 3 bzw. zur Kurbelwelle 5 des Verbrennungsmotors 2 und damit ebenfalls im wesentlichen senkrecht zur Bildebene.
  • Erfindungsgemäß ist nun am Verbrennungsmotor 2 und am Elektromotor 3 jeweils ein Antriebselement 9, 9' mit einem gleichgerichteten Freilauf 12, 12' für den Riemen-/Kettentrieb 6 vorgesehen. Der Riemen-/Kettentrieb 6 gewährleistet somit eine Antriebsverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 2, dem Elektromotor 3 und dem zumindest einen Nebenaggregat 7. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebselemente 9, 9' ist es möglich, den Riemen-/Kettentrieb 6 auf eine vordefinierte Drehzahl bzw. Riemen-/Kettengeschwindigkeit zu bringen. Dies eröffnet die Möglichkeit, die jeweiligen Nebenaggregate 7 lediglich für eine eng begrenzte Riemen-/Kettengeschwindigkeit auszulegen und dadurch eine Gewichts- und Kostenersparnis zu erreichen. Bisher mussten derartig angetriebene Nebenaggregate auf eine ausreichende Leistung bei einer geringen Drehzahl bzw. Riemen-/Kettentriebgeschwindigkeit ausgelegt werden, trotzdem aber hochdrehzahlfest sein, damit sie auch eine vom Verbrennungsmotor 2 erzeugte hohe Riemen-/Kettentriebgeschwindigkeit problemlos aufnehmen konnten.
  • Der erfindungsgemäße Hybrid-Antrieb 1 ist dabei vorzugsweise als sogenannter Full-Hybrid-Antrieb ausgebildet, welcher neben einem rein verbrennungsmotorischen Fahren auch ein rein elektromotorisches Fahren erlaubt. Im reinen Elektroantriebszustand, das heißt bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 2 bzw. beim Leerlauf des Verbrennungsmotors 2, wird das zumindest eine Nebenaggregat 7 ausschließlich vom Elektromotor 3 mit einer im wesentlichen konstanten Drehzahl angetrieben. Im rein verbrennungsmotorischen Antriebszustand, beispielsweise also ab einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 von ca. 2.000 Umdrehungen je Minute, übernimmt der Verbrennungsmotor 2 den Antrieb der Nebenaggregate 7, wobei bei dieser Drehzahl der Freilauf 12' des Elektromotors aktiviert sein kann. Denkbar ist auch, dass der Freilauf 12' deaktiviert ist und der Elektromotor 3 als Generator dient.
  • Generell kann vorgesehen sein, dass die beiden Freiläufe 12, 12' drehzahlabhängig sind, wobei beispielsweise der Freilauf 12' des Antriebselementes 9' des Elektromotors 3 bis zu einer Grenzgeschwindigkeit vGrenz des Riemen-/Kettentriebes 6 geschlossen und bei einer höheren Geschwindigkeit geöffnet ist, während der Freilauf 12 des Antriebselementes 9 des Verbrennungsmotors 2 ab der Grenzgeschwindigkeit vGrenz geschlossen und bei einer geringeren Geschwindigkeit geöffnet ist.
  • Im Folgenden sollen nun einzelne Betriebszustände des erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebs 1 kurz erläutert werden:
    Gemäß 2 ist ein rein elektromotorischer Antrieb dargestellt, wobei der Elektromotor 3 den Riemen-/Kettentrieb 6 und damit das Nebenaggregat 7 antreibt. Der Freilauf 12' des Antriebselementes 9' am Elektromotor 3 ist dabei geschlossen und überträgt ein Drehmoment von der Welle 4 des Elektromotors 3 auf das Antriebselement 9' und damit auf den Riemen-/Kettentrieb 6. Demgegenüber ist der Freilauf 12 der Kurbelwelle 5 geöffnet, so dass eine Übertragung eines Drehmomentes vom Antriebselement 9 auf die Kurbelwelle 5 nicht erfolgt. Der Verbrennungsmotor 2 kann sich dabei in abgeschaltetem Zustand befinden oder im Standgas betrieben werden. Hierbei kann eine Drehzahl der Welle 4 des Elektromotors 3 beispielsweise 2.000 Umdrehungen je Minute betragen, welche sich, vorausgesetzt, das Antriebselement 9' am Elektromotor 3 und ein entsprechendes Antriebselement 9'' am damit antriebsverbundenen Nebenaggregat 7 weisen einen gleichen Radius auf, drehzahlgleich auf das Nebenaggregat 7 überträgt. Die Drehzahl der Kurbelwelle 5 des Verbrennungsmotors 2 soll dabei geringer als die beispielhaft vorher erwähnten 2.000 Umdrehungen je Minute sein.
  • Bei steigender Drehzahl übernimmt zunehmend der Verbrennungsmotor 2 die Antriebsleistung. Dabei sollen sich der Verbrennungsmotor 2 und der Elektromotor 3 bezüglich ihres Drehzahlbereiches ergänzen. Während der Elektromotor 3 im unteren Drehzahlbereich sein größtes Drehmomentenmaximum hat, lässt dieses bei höheren Drehzahlen nach. Demgegenüber hat der Verbrennungsmotor 2 im unteren Drehzahlbereich eher eine Drehmomentenschwäche und erreicht sein Drehmomentenmaximum erst bei höheren Drehzahlen. Daher erscheint es sinnvoll ab einer gewählten Drehzahlgrenze auf den elektromotorischen Antrieb zu verzichten und beispielsweise diesen als Generator einzusetzen. Gemäß 3 ist daher ein Übergang vom elektromotorischen Antrieb zum verbrennungsmotorischen Antrieb gezeigt. Dabei treibt der Elektromotor 3 immer noch den Riemen-/Kettentrieb 6 an, wobei der Freilauf 12' des Antriebselementes 9' am Elektromotor 3 geschlossen ist und das vom Elektromotor 3 bzw. der Welle 4 erzeugte Drehmoment an das Antriebselement 9' überträgt. Der Verbrennungsmotor 2 läuft mit gleicher Drehzahl wie der Elektromotor 3, so dass unter der Voraussetzung von Antriebselementen 9 und 9' mit gleichen Radien bzw. gleicher Größe nun auch der Freilauf 12 am Antriebselement 9 der Kurbelwelle 5 geschlossen werden kann. Eine Drehzahl der Kurbelwelle 5 ist dabei beispielsweise 2.000 Umdrehungen je Minute.
  • In 4 übernimmt der Verbrennungsmotor 2 nunmehr den Antrieb, wobei die Drehzahl der Kurbelwelle 5 beispielsweise größer als 2.000 Umdrehungen je Minute ist. Der Freilauf 12' des Antriebselementes 9' des Elektromotors 3 ist dabei geöffnet, so dass kein Drehmoment vom Antriebselement 9' auf die Welle 4 des Elektromotors 3 übertragen wird. Der Freilauf 12 des Antriebselementes 9 des Verbrennungsmotors 2 ist geschlossen. Bei wiederum vorausgesetzten gleichen Abmessungen der Antriebselemente 9 und 9'' weist daher auch die Antriebswelle 8 des Nebenaggregates 7 nunmehr eine Drehzahl von größer als 2.000 Umdrehungen je Minute auf. Denkbar ist hierbei selbstverständlich auch, dass auch der Freilauf 12' des Antriebselementes 9' des Elektromotors 3 geschlossen ist und der Elektromotor 3 so geschaltet ist, so dass dieser als Generator wirkt und eine Fahrzeugbatterie aufgeladen werden kann.
  • Bei weiter steigenden Drehzahlen des Verbrennungsmotors 2 bzw. dessen Kurbelwelle 5 kann optional am Antriebselement 9 des Verbrennungsmotors 2 eine Kupplung 10 und/oder eine Bremse 11 vorgesehen sein, welche eine von der Drehzahl des Antriebselementes 9 unabhängige Riemen-/Kettengeschwindigkeit ermöglicht. Hierdurch kann die Geschwindigkeit des Riemen-/Kettentriebes 6 auf eine Maximalgeschwindigkeit begrenzt werden, so dass die Nebenaggregate 7 auch lediglich auf diese Maximalgeschwindigkeit ausgelegt sein müssen. Dabei kann die Kupplung 10 beispielsweise als Permanentmagnet-Kupplung ausgebildet sein, während die Bremse 11 als Wirbelstrombremse ausgebildet sein kann.
  • In 5 ist dabei ein Zustand gezeigt, bei welchem die Kurbelwelle 5 des Verbrennungsmotors 2 mit einer Drehzahl von größer als 2.000 Umdrehungen je Minute dreht. Der Freilauf 12 des Antriebselementes 9 ist dabei geschlossen, wobei die Kupplung 10 und/oder die Bremse 11 die Drehzahl des Antriebselementes 9 beispielsweise auf 2.000 Umdrehungen je Minute begrenzen. Der Freilauf 12' des Antriebselementes 9' des Elektromotors 3 ist ebenfalls geschlossen, so dass dieser beispielsweise als Generator zum Aufladen der Fahrzeugbatterie benutzt werden kann. Das Nebenaggregat 7 dreht sich mit gleicher Drehzahl wie das Antriebselement 9 des Verbrennungsmotors 2, wiederum vorausgesetzt, ein Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebselement 9 des Verbrennungsmotors 2 und Antriebselement 9'' des Nebenaggregates 7 beträgt 1:1.
  • In 6 ist eine zur 5 ähnliche Situation dargestellt, wobei hier der Freilauf 12' des Antriebselementes 9' des Elektromotors 3 geöffnet ist, so dass vom Antriebselement 9' kein Drehmoment auf die Welle 4 des Elektromotors 3 übertragen werden kann. Dies ist wiederum ähnlich wie in 5 ein rein verbrennungsmotorischer Antrieb.
  • In 6 ist auch eine Steuereinrichtung 13, vorgesehen, welche zur Steuerung des Riemen-/Kettentriebs 6 und/oder zur Steuerung des Freilaufes 12' am Antriebselement 9' des Elektromotors 3 und/oder zur Steuerung des Freilaufes 12 am Antriebselement 9 des Verbrennungsmotors 2 und/oder zur Steuerung der Kupplung 10 bzw. der Bremse 11 ausgebildet sein kann. Die Steuereinrichtung 13 ist dabei in entsprechender Weise mit vorgenannten Komponenten des Hybrid-Antriebes 1 verbunden. Die Steuereinrichtung 13 kann dabei selbstverständlich auch bei einem Hybrid-Antrieb 1 nach den 1 bis 5 eingesetzt werden.

Claims (10)

  1. Hybrid-Antrieb (1) für ein Kraftfahrzeug, – mit einem Verbrennungsmotor (2) und einem Elektromotor (3), – wobei der Verbrennungsmotor (2), der Elektromotor (3) und zumindest ein Nebenaggregat (7) über einen Riemen-/Kettentrieb (6) miteinander antriebsverbunden sind, – wobei am Verbrennungsmotor (2) und am Elektromotor (3) jeweils ein Antriebselement (9, 9') mit einem gleichgerichteten Freilauf (12, 12') für den Riemen-/Kettentrieb (6) vorgesehen ist.
  2. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Freiläufe (12, 12') drehzahlabhängig sind.
  3. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (12') des Antriebselements (9') des Elektromotors (3) bis zu einer Grenzgeschwindigkeit vGrenz des Riemen-/Kettentriebs (6) geschlossen und bei einer höheren Geschwindigkeit geöffnet ist, wogegen der Freilauf (12) des Antriebselements (9) des Verbrennungsmotors (2) ab der Grenzgeschwindigkeit vGrenz geschlossen und bei einer geringeren Geschwindigkeit geöffnet ist.
  4. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Antriebselement (9) des Verbrennungsmotors (2) eine Kupplung (10) und/oder eine Bremse (11) vorgesehen ist, welche eine von der Drehzahl des Antriebselements (9) unabhängige Riemen-/Kettengeschwindigkeit ermöglicht.
  5. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (10) und/oder die Bremse (11) die Geschwindigkeit des Riemen-/Kettentriebs (6) auf eine Maximalgeschwindigkeit vmax begrenzt.
  6. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalgeschwindigkeit vmax des Riemen-/Kettentriebs (6) größer ist als die Grenzgeschwindigkeit vGrenz.
  7. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (10) als Permanentmagnet-Kupplung ausgebildet ist.
  8. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse (11) als Wirbelstrombremse ausgebildet ist.
  9. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Nebenaggregat(e) (7) als Klimakompressor und/oder als Servopumpe und/oder als Lichtmaschine und/oder als Lüfter und/oder als Wasserpumpe ausgebildet ist/sind.
  10. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (13) vorgesehen ist, die zur Steuerung der Geschwindigkeit des Riemen-/Kettentriebs (6) und/oder zur Steuerung des Freilaufs (12') am Antriebselement (9') des Elektromotors (3) und/oder zur Steuerung des Freilaufs (12) am Antriebselement (9) des Verbrennungsmotors (2) und/oder zur Steuerung der Kupplung (10) und/oder der Bremse (11) ausgebildet ist.
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