DE102007026264A1

DE102007026264A1 - Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102007026264A1
Application number: DE102007026264A
Authority: DE
Inventors: Hans Glonner; Juergen Dr. Gebert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2008-12-11

Abstract

Hybridfahrzeug, mit - einem Verbrennungsmotor, - mindestens einer elektrischen Maschine, die in einem ersten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet und von einer Bordbatterie des Hybridfahrzeugs mit Strom versorgt wird und in einem zweiten Betriebsmodus als Generator, der die Bordbatterie auflädt, - einem Antriebsstrang, über den der Verbrennungsmotor und/oder die elektrische Maschine mit Antriebsrädern des Hybridfahrzeugs koppelbar ist. Ferner ist ein geschlossener thermodynamischer Kreislauf vorgesehen, der einen Wärmetauscher und eine Arbeitsmaschine aufweist, wobei der Wärmetauscher von einem Fahrzeugsystem des Hybridfahrzeugs aufgenommene Wärme an ein Betriebsmedium des thermodynamischen Kreislaufs überträgt, welches die Arbeitsmaschine antreibt, wobei die Arbeitsmaschine in einem ersten Betriebszustand Drehmoment über den Antriebsstrang an die Antriebsräder abgibt und in einem zweiten Betriebszustand von den Antriebsrädern entkoppelt ist, die elektrische Maschine antreibt und die Bordbatterie lädt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Unter einem Hybridfahrzeug wird ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und mindestens einem Elektromotor verstanden. Bei sogenannten „Mild-Hybrids" dient der Elektromotor zur Unterstützung des Verbrennungsmotors (Boost) bzw. zur Rekuperation von Bremsenergie. Die Rückgewinnung von Bremsenergie, die bei herkömmlichen Fahrzeugen als Verlustwärme an die Umgebung abgegeben wird, eröffnet ein gewisses Kraftstoffeinsparpotential. Bei sogenannten „Vollhybriden" ist es möglich, den Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang abzukoppeln bzw. vollständig abzuschalten und rein elektrisch zu fahren. Weitere Einsparpotentiale ließen sich heben, wenn es gelänge, die Wärmeleistung, die über einzelne Fahrzeugsysteme an die Umgebung abgeführt wird, zumindest teilweise zu nutzen. So werden nämlich ca. zwei Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Primärenergie über das Kühlsystem des Verbrennungsmotors und das Abgas des Verbrennungsmotors unwiederbringlich an die Umgebung dissipiert.
Es gibt bereits Ansätze, die Abwärme mittels sogenannter „thermoelektrischer Generatoren" in elektrische Energie umzuwandeln. Marktreife Anwendungen sind derzeit jedoch noch nicht bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hybridfahrzeug zu schaffen, das zumindest einen Teil der aus dem Betrieb des Verbrennungsmotors entstehenden Abwärme nutzbar macht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Hybridfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, und mindestens einer elektrischen Maschine, die in einem ersten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet und von einer Bordbatterie des Hybridfahrzeugs mit Strom versorgt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus als Generator, der die Bordbatterie auflädt. In dem ersten Betriebsmodus erzeugt die elektrische Maschine Drehmoment das, je nach Auslegung der elektrischen Maschine und der Bordbatterie, das Fahrzeug rein elektromotorisch antreibt oder den Verbrennungsmotor unterstützt (Boost).
Das Fahrzeug weist ferner einen Antriebsstrang auf, über den der Verbrennungsmotor und/oder die elektrische Maschine mit Antriebsrädern des Hybridfahrzeugs koppelbar ist. „Koppelbar" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mindestens eine Kupplung vorgesehen ist, über die die Antriebsräder mechanisch mit dem Verbrennungsmotor und/oder mit der elektrischen Maschine verbunden werden können.
Der Kern der Erfindung besteht darin, Wärmeleistung, die bei herkömmlichen Fahrzeugen ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird, zumindest zu einem Teil mittels eines thermodynamischen Kreislaufs nutzbar zu machen. Einem oder mehreren Fahrzeugsystemen, wie z. B. dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors, dem Abgassystem, dem Getriebeölkreislauf, dem Motorölkreislauf o. ä. kann mittels eines Wärmetauschers (Ab-)Wärme entzogen und zum Betrieb eines thermodynamischen Kreislaufs genutzt werden. Mit tels des Wärmetauschers, der Wärme von einem Fahrzeugsystem aufnimmt und an ein Betriebsmedium des thermodynamischen Kreislaufs überträgt, kann eine Arbeitsmaschine des thermodynamischen Kreislaufs betrieben werden. In der Arbeitsmaschine, bei der es sich beispielsweise um eine Turbine oder um eine Kolbenmaschine handeln kann, wird das erhitzte Betriebsmedium unter Abgabe mechanischer Leistung entspannt. Die von der Arbeitsmaschine des thermodynamischen Kreislaufs erzeugte mechanische Leistung kann dann bedarfsgerecht in den Antriebsstrang des Fahrzeugs eingespeist und zum Antrieb der Antriebsräder des Fahrzeugs genutzt werden. In Fahrzuständen, in denen keine (zusätzliche) mechanische Antriebsleistung aus dem thermodynamischen Kreislauf benötigt wird, kann die von der Arbeitsmaschine erzeugte mechanische Leistung zum Antrieb der elektrischen Maschine und somit zur Erzeugung elektrischer Energie, d. h. zum Laden der Bordbatterie verwendet werden.
Im Unterschied zu Fahrzeugen mit Abgasturboladern, bei denen die primär die Strömungsenergie des Abgases genutzt wird, kann mit einem derartigen thermodynamischen Kreislauf die im Abgas enthaltene Wärmeenergie zu einem beträchtlichen Teil „rekuperiert" werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die rekuperierte Wärmeleistung bedarfsgerecht entweder in Form mechanischer Leistung in den Antriebsstrang eingespeist und zum Antrieb der Antriebsräder des Fahrzeugs genutzt werden kann oder, wenn keine derartige „zusätzliche" Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird, kann die rekuperierte Wärmeleistung ausschließlich oder primär zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt und in der Bordbatterie gespeichert werden. Der „thermische Nachlauf" des Verbrennungsmotors, d. h. die zeitlich verzögert zur Verfügung stehende Wärmeleistung beim Übergang von einer Zugphase in den Schubbetrieb, kann somit wirksam genutzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die 1–3 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung.
1 zeigt ein Schema eines Hybridfahrzeugs 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, dessen Kurbelwelle 3 über eine erste Trennkupplung 4 mit einer Welle 5 einer elektrischen Maschine 6 verbunden ist. Die Welle 5 der elektrischen Maschine 6 ist über eine Anfahrkupplung 7 mit einer Eingangswelle 8 eines Getriebes 9 verbunden. Bei dem Getriebe 9 kann es sich beispielsweise um ein Handschaltgetriebe, ein Automatikgetriebe, ein automatisiertes Handschaltgetriebe, ein Doppelkupplungsgetriebe etc. handeln. Über eine Ausgangswelle 10 des Getriebes 9, ein Achsgetriebe 11 und Antriebswellen 12, 13 ist der Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs 1 mit Antriebsrädern 14, 15 verbunden.
Das Hybridfahrzeug 1 weist ferner einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf 16 auf mit einer Pumpe 17, einem Wärmetauscher 18, einer Arbeitsmaschine 19 und einem Kondensator 20. Der Wärmetauscher 18 ist thermisch mit einem hier nicht näher dargestellten Fahrzeugsystem, wie z. B. dem Kühlkreislauf des Fahrzeugs oder dem Abgassystem (nicht dargestellt) verbunden und nimmt von diesem Abwärme auf. Der Wärmetauscher 18 überträgt die aufgenommene Wärmeleistung an ein von der Pumpe 17 umgepumptes Betriebsmedium des thermodynamischen Kreislaufs 16. Bei dem Betriebsmedium kann es sich beispielsweise um Ethanol bzw. um ein Ethanol-Wasser-Gemisch handeln, wobei der Wärmetauscher 18 das Betriebsmedium überhitzt und in die Dampfphase überführt. In der Arbeitsmaschine 19, bei der es sich beispielsweise um eine Hubkolbenmaschine oder um eine Turbine handeln kann, wird das Betriebsmedium unter Abgabe mechanischer Energie entspannt. Anschließend wird das entspannte und abgekühlte Betriebsmedium im Kondensator 20 weiter abgekühlt und erneut in die flüssige Phase übergeführt.
Die von der Arbeitsmaschine erzeugte mechanische Leistung wird bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Freilauf 21 der Welle 5 der elektrischen Maschine 6 zugeführt. Bei geschlossener Anfahrkupplung 7 kann die von der Arbeitsmaschine erzeugte mechanische Leistung unmittelbar in den Antriebsstrang eingespeist und zum Antrieb der Räder 14, 15 genutzt werden. Wird keine (zusätzliche) mechanische Antriebsleistung an den Antriebsrädern 14, 15 benötigt, so kann die elektrische Maschine 6 vom Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs 1 abgekoppelt werden und die von der Arbeitsmaschine 19 erzeugte mechanische Leistung kann zum Antrieb der elektrischen Maschine, d. h. zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden, die dann in einer Bordbatterie 22 (zwischen)gespeichert werden kann.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Explizit dargestellt ist hier eine zwischen der ersten Trennkupplung 4 und der elektrischen Maschine 6 angeordnete zweite Trennkupplung 23, über die der Rotor der elektrischen Maschine 6 mit der Welle 5 gekoppelt oder von der Welle 5 abgekoppelt werden kann. Wenn die zweite Trennkupplung geschlossen ist, kann die von der Arbeitsmaschine 19 erzeugte mechanische Leistung unmittelbar in den Antriebsstrang eingespeist und zum Antrieb der Räder 14, 15 genutzt werden. Ist die Trennkupplung 23 hingegen geöffnet, so kann die elektrische Maschine 6 unabhängig von der Antriebsstrangdrehzahl als Generator betrieben werden. Die von der Arbeitsmaschine 19 erzeugte mechanische Leistung kann dann mittels der elektrischen Maschine 6 in elektrische Leistung umgewandelt und elektrisch in der Bordbatterie 22 gespeichert werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, ähnlich dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, wobei schematisiert eine Regelung bzw. Steuerung 24 dargestellt ist, mit den Komponenten digitale Motorelektronik 25, Steuerung bzw. Regelung 26 der elektrischen Maschine 6, Getriebesteuergerät 27, Steuerung bzw. Regelung 28 des thermodynamischen Kreislaufs 16, wobei die Steuerung bzw. Regelung 28 diverse Ventile bzw. Bypässe sowie die hier nicht dargestellte Pumpe des thermodynamischen Kreislaufs 16 regelt bzw. steuert.
Die in den 1 bis 3 dargestellten Anordnungen ermöglichen wahlweise die Einkopplung der „Expanderleistung", d. h. der von der Arbeitsmaschine 19 abgegebenen mechanischen Leistung, direkt auf die Welle 5 des Antriebsstrangs des Hybridfahrzeugs 1 oder indirekt über eine elektrische Einkopplung mittels der elektrischen Maschine 6 in die Bordbatterie 22. In einer Schubphase kann Wärmeleistung aus dem Abgas des Verbrennungsmotors 1 oder aus dem Kühlsystem des Verbrennungsmotors 1 mittels der elektrischen Maschine 6 in elektrische Leistung umgewandelt und in der Bordbatterie gepuffert werden.

Claims

Hybridfahrzeug, mit – einem Verbrennungsmotor (2), – mindestens einer elektrischen Maschine (6), die in einem ersten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet und von einer Bordbatterie (22) des Hybridfahrzeugs (1) mit Strom versorgt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus als Generator, der die Bordbatterie (22) auflädt, – einem Antriebsstrang (3–5, 7–12), über den der Verbrennungsmotor (2) und/oder die elektrische Maschine (6) mit Antriebsrädern (14, 15) des Hybridfahrzeugs (1) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener thermodynamischer Kreislauf (16) vorgesehen ist, der einen Wärmetauscher (18) und eine Arbeitsmaschine (19) aufweist, wobei der Wärmetauscher (18) von einem Fahrzeugsystem des Hybridfahrzeugs (1) aufgenommene Wärme an ein Betriebsmedium des thermodynamischen Kreislaufs (16) überträgt, welches die Arbeitsmaschine (19) antreibt, wobei die Arbeitsmaschine (19) in einem ersten Betriebszustand Drehmoment über den Antriebsstrang (3–5, 7–12) an die Antriebsräder (14, 15) abgibt und in einem zweiten Betriebszustand von den Antriebsrädern (14, 15) entkoppelt ist, die elektrische Maschine (6) antreibt und die Bordbatterie (22) lädt.
Hybridfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (3–5, 7–12) zwischen dem Verbrennungsmotor (2) und der elektrischen Maschine (6) eine erste Trennkupplung (4) aufweist, über die der Verbrennungsmotor von dem Antriebsstrang (3–5; 7–12) abkoppelbar ist.
Hybridfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (19) über einen Freilauf (21) mit einem Läufer (5) der elektrischen Maschine (6) verbunden ist.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Trennkupplung (23) vorgesehen ist, über die die elektrische Maschine (6) von dem Antriebsstrang (3–5, 7–12) abkoppelbar ist.
Hybridfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (3–5, 7–12) ein Getriebe (9) mit einer Getriebeeingangswelle (8) aufweist, wobei der Verbrennungsmotor (2) und die elektrische Maschine (6) über eine Anfahrkupplung (7) mit der Getriebeeingangswelle (8) koppelbar sind.
Hybridfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem, mit dem der Wärmetauscher (18) thermisch gekoppelt ist, die von heißem Abgas durchströmte Abgasanlage des Hybridfahrzeugs (1) ist.
Hybridfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugsystem, mit dem der Wärmetauscher (18) thermisch gekoppelt ist, ein Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors (2) ist.