DE102007053681A1

DE102007053681A1 - Differenzial-Hybrid-Antrieb

Info

Publication number: DE102007053681A1
Application number: DE102007053681A
Authority: DE
Inventors: Oliver Schloetzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2009-05-07

Abstract

Differentialhybridantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungs- und ein Elektromotor jeweils an ein gesondertes Getrieberad angeflanscht sind, die zueinander gegenüber angeordnet sind und von denen beide über zwei weitere angebrachte Getrieberäder, die ihrerseits an einem als Hauptantriebselement dienenden Planetenträger angebracht sind, mit dem jeweils anderen Planetenrad verbunden sind.

Description

1. Die Erfindung betrifft

– die Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotor zu einem Hybridantrieb, der auf einer Achse angeordnet ist, die nicht die Antriebsachse ist, und die mechanische Verbindung der Motoren durch ein Differential,
– den Einsatz eines stufenlosen Automatikgetriebes und den Ersatz einer Kupplung,
– den Ersatz von Anlasser und Lichtmaschine,
– die Optimierung der Motorennutzung und die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs durch eine sensorisch nach der jeweiligen Fahrsituation bedarfsgerecht ermittelte, automatisch gesteuerte Regelung des Motoreneinsatzes,
– die Geschwindigkeitsregelung eines Fahrzeugs über Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit eines Elektromotors,
– Funktionen des Antiblockiersystems (ABS) und der Antischlupfregelung (ASR) durch die ohnehin notwendigen Sensoriken der Motor-/Getriebe-Kombination.

2. Stand der Technik
Bekannt sind Hybridantriebe, die Verbrennungsmotoren, z. B. Benzin- oder Dieselmotoren, mit einem Elektroantrieb verbinden, und zwar in folgenden Varianten:

2.1 Hybridantrieb, bestehend aus einem Verbrennungsmotor, einem Generator und einem Elektromotor, wobei sämtliche dieser Aggregate die gleiche Leistung haben müssen. Der Verbrennungsmotor treibt den Generator an, dieser; ggf. über Batterien, den als einzigen Antriebsmotor dienenden Elektromotor. Dieser Typ eines Hybridantriebs ist somit sehr aufwendig. Er ersetzt zwar ein herkömmliches Getriebe, benötigt aber zum Starten einen Anlasser.
2.2 Hybridantrieb mit direkter Kraftübertragung auf die Antriebsachse durch Verbrennungsmotor-Generator-Antrieb (Serienhybrid). Dieser Hybridantrieb benötigt ein Getriebe.
2.3 Hybridantrieb mit direktem wechselweisen Betrieb von Verbrennungs- und Elektromotor auf die Antriebsachse, wobei sich die Serienkraft, addiert (Parallel-Hybrid). Zwar können bei diesem Typ des Hybridantriebs Verbrennungs- und Elektromotor auch gleichzeitig arbeiten, dann aber nicht mit unterschiedlicher Drehzahl. Auch dieser Hybridantrieb benötigt ein Getriebe.

Bei allen bisher bekannten Hybridantrieben sind die Motoren auf der Antriebswelle starr oder über eine Kupplung miteinander verbunden. Sie geben ihre maximale Leistung weder nach dem Kriterium der geringsten Leistungsaufnahme noch automatisch nach der jeweiligen Fahrsituation ab.
Ein Verbrennungsmotor als einzig aktive Antriebsquelle gibt seine maximale Leistung nur in einem eng begrenzten Drehzahlbereich ab. Sein Drehmoment zur Beschleunigung liegt bei nur etwa 1/5 seines Nenndrehmoments. Deshalb kann er ein Fahrzeug aus dem Leerlauf nur durch langsamen Hochlauf in den optimalen Drehzahlbereich beschleunigen. Zum Ausgleich dieses Drehzahldrehmoment-Nachteiles benötigt der Verbrennungsmotor als einzig aktiver Antrieb ein Getriebe mit der dazu nötigen Verbindungsmechanik. Die Leistung des Verbrennungsmotors bei Leerlaufdrehzahl genügt nicht zum Laden einer Batterie, wie sie als Speichermedium für den Antrieb eines Fahrzeugs notwendig wäre. Die bekannten Hybridantriebe übernehmen schließlich nicht alte diejenigen Zusatzfunktionen, die der erfindungsgegenständliche Hybridantrieb übernehmen kann.
3. Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen
3.1 Drehmomente bei Verbrennungs- und Elektromotoren
Die Nennleistung eines Motors in Kilowatt spiegelt nicht sein Drehmomentverhalten während der Anfahr- oder Beschleunigungsphase wider, in der ein Verbrennungsmotor nur etwa ein Fünftel, ein Elektromotor dagegen etwa das dreifache seines Nenndrehmomentes freisetzt. Hieraus folgt, dass in der Anfahrphase ein Elektromotor etwa mit der 15fachen Kraft eines mit gleicher Nennleistung ausgestatteten Verbrennungsmotors beschleunigen kann. Allein wegen dieses Nachteils werden Verbrennungsmotoren bei Hubraum und Leistung überdimensioniert, damit sie bei Anfahrt der Beschleunigungsvermögen haben.
Der Verbrennungsmotor erreicht die besten Zylinderfüllungen, die höchste Kraftumsetzung und damit den niedrigsten Treibstoffverbrauch bei konstanter Drehzahl etwa zwischen 2000 und 2400 Upm und ist damit prädestiniert für die Aufrechterhaltung einer erreichten Fahrgeschwindigkeit.
Gelänge es, in der Beschleunigungsphase einen Elektromotor einzusetzen, so würde der dargelegte Grund für die Überdimensionierung von Verbrennungsmotoren entfallen. Zur Erzielung gleicher Fahrleistungen würden wesentlich kleinere, somit auch leichtere und kostengünstigere Antriebsaggregate genügen.
Der Einsatz eines Elektromotors zu Beschleunigungszwecken in Fahrzeugen setzt eine ausreichende Stromversorgung voraus. Als Energiequelle sind möglichst kleine und deshalb leichte Batterien anzustreben, die permanent, also auch bei Leerlauf des Verbrennungsmotors, so weit geladen werden, dass sie als Speichermedium für den Antrieb eines Fahrzeuges insbes. in der Beschleunigungsphase geeignet sind. Die für den Leerlauf des Verbrennungsmotors nötige Mindestdrehzahl genügt dieser Anforderung nicht. Um sie zu erfüllen, muss die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors entsprechend erhöht werden.
Ein am Fährbetrieb orientierter Einsatz jeweils desjenigen Motors, der für die jeweilige Anforderung die geringste Leistungsaufnahme benötigt, konkret; wann welcher Motor seine Leistung erbringen soll, ist durch eine Steuerungsautomatik zu regeln.
3.2 Antrieb
Sollen die jeweils vorteilhaften Drehmomentbereiche beider Motoren entsprechend der jeweiligen Fahrsituation (Stand, Beschleunigen, Geschwindigkeit halten, Bremsen, Rückwärtsfahren) aktiviert und genutzt werden, setzt dies voraus, dass beide Antriebsquellen

a) variabel miteinander gekoppelt sind und
b) b) ihre Drehmomente an ein und denselben Antrieb abgeben.

Der am Fahrbedarf orientierte wechselweise Betrieb von Elektro- und Verbrennungsmotor als fahrsituationsbedingte Antriebsquellen macht es aber wegen der unterschiedlichen Drehzahlen beider Antriebsquellen weiter erforderlich, Elektro- und Verbrennungsmotor zwar auf ein- und derselben Achse, aber nicht auf der Antriebsachse zu positionieren.
Durch die sehr unterschiedlichen Drehmomentverläufe von Verbrennungs- und Elektromotoren ergibt sich jedoch in der hier beschriebenen Anordnung ein nicht zu unterschätzendes Funktionsproblem.
Im Fahrbetrieb würde sich in dieser Anordnung immer jeweils die Antriebsquelle mit dem jeweilig höheren Drehmoment durchsetzen. Damit hätte der Gesamtantrieb immer nur gerade das Drehmoment, welches der jeweilig schwächere Motor lieferte. Hierzu gibt es jedoch einige elektronische und vor allem mechanische Lösungen.
4. Der erfinderische Gedanke wird wie folgt gelöst

4.1 Als Antrieb dient ein schematisch in Anlage 1 dargestellter Differentialhybrid, bei dem ein Verbrennungsmotor V am Planetenrad PV und ein Elektromotor E am Planetenrad PB angeflanscht sind. Die Planetenräder PV und PE übertragen die Drehmomente der an sie angeflanschten Motoren über die am Planetenträger PT angebrachten Planetenräder PR auf die weiteren Antriebselemente AE.

Damit werden der Verbrennungsmotor und der Elektromotor mechanisch mit einem Differential verbunden, das einerseits als Antriebsachse oder -element auf die weitere Antriebsmechanik wirkt. Dieser Differenzialhybridantrieb gewährleistet oder ermöglicht eine konstante Drehzahl des Verbrennungsmotors, ein immer optimales Drehmoment. minimalen Verbrauch, optimale Wärmebilanz (d. h. keine Heiß- und keine Kaltpunkte) und eine lange Abnutzungsdauer durch Vermeidung von Lastschleifen.
Die Anordnung der Antriebselemente sowie die Funktionselemente des Hybrids ist zudem nahezu frei wählbar. So können neben der beschriebenen gegenüberliegenden Anordnung, die Antriebselemente ebenso parallel oder in einem beliebigen Winkel angeordnet sein, so dass entsprechend dem verfügbaren Bauraum die Aggregate angeordnet werden können.
Er ermöglicht weiter eine variable Drehzahl des Elektromotors, über deren Veränderung, Fahrtrichtung und Geschwindigkeit wie folgt bestimmt und geregelt werden können:
Stillstand des Fahrzeugs ist, anders als bei herkömmlichen Automatikgetrieben, bei Motorleerlauf ungebremst möglich. Das wird dadurch erreicht, dass sich, wenn das Fahrzeug horizontal steht, der Elektromotor genau so schnell rückwärts dreht wie der Verbrennungsmotor vorwärts. Dann stehen Antriebswelle und Räder. Ein Wegrollen des Wagens ist nicht möglich. Beschleunigen/Vorwärtsfahrt: Die Beschleunigung erfolgt durch Reduzierung der Drehzahl des Elektromotors bis zu dessen Stillstand und weiter durch Antreiben des Elektromotors bis zur Höchstdrehzahl in Drehrichtung des Verbrennungsmotors, dessen Drehzahl weiterhin konstant bleibt.
Rückwärtsfahrt erfolgt dadurch, dass sich der Elektromotor etwas schneller rückwärts dreht als der Verbrennungsmotor vorwärts.
Der Differentialhybridantrieb kann ggf. auch im reinen Elektrobetrieb arbeiten oder bei Überlandfahrten ab einer bestimmten Geschwindigkeit im reinen Verbrennungsbetrieb.
Der Differentialhybridantrieb macht ein jedes Getriebe, gleich welcher Bauart, entbehrlich, bietet als stufenloses Automatikgetriebe in allen Geschwindigkeitsbereichen mehr Komfort, benötigt keine Kupplung, hat weniger Bauteile und Gewicht, ist weniger störanfällig und erheblich kostengünstiger herzustellen.
Ein jeder Fahrbereich und auch die Fahrtrichtungen vorwärts/rückwärts werden ausschließlich mittels Gaspedal und/oder Joystick gewählt. Die Regelung kann erkennen, ob ein Rad durchdreht. Sie vermindert dann über das erfindungsgegenständliche Differentialgetriebe das Drehmoment auf dieses Rad und erfüllt damit die Funktion der Antischlupfregelung (ASR).
4.2 Die Motor-/Getriebeeinheit übernimmt darüber hinaus folgende weitere Funktionen:
Feststellbremse:
Ist die Motor-/Getriebeeinheit abgeschaltet, können sich die Räder nicht mehr drehen.
Betriebsbremse: Die Bremsenergie der vom Differentialhybridantrieb gesteuerten – nur auf angetriebene Achsen wirkenden – Betriebsbremse kann in beliebiger Höhe verzögern, wird vollständig (abzüglich der Verlustleistungen, die hier vernachlässigt werden können) in den Batterien gespeichert und ist für die nächste Beschleunigung verfügbar. Mit der im Getriebe eingebauten mechanischen Bremse und der elektrischen Nutzbremse hat jede angetriebene Achse zwei voneinander unabhängig wirkende Bremssysteme. Für die Räder einer angetriebenen Achse ist eine herkömmliche Betriebsbremse entbehrlich, die Räder des Fahrzeugs werden zusätzlich von einer konventionellen Bremse unterstützt:
Antiblockiersystem ABS: Die für den Differentialhybrid ohnehin benötigte Regelung kann an den Antriebsrädern die ABS-Funktion übernehmen und gewährleisten, dass die sog. Nutzbremsung ein Blockieren der Räder verhindert.
Anlasser: Das Antriebsrad bleibt gebremst, der Elektromotor dreht rückwärts und startet damit den Verbrennungsmotor vorwärts, weil das Differential eine Drehrichtungsumkehr bewirkt.
Lichtmaschine: Arbeitet der Elektromotor im Generatorbetrieb, wird Strom erzeugt. Eine gesonderte Lichtmaschine ist somit nicht mehr nötig.
Der bedarfsgerecht gesteuerte Einsatz von Elektro- und/oder Verbrennungsmotor bewirkt infolge optimaler Drehmomentnutzung eine erhebliche Treibstoffreduzierung bei verbesserter Beschleunigung und Elastizität, außerdem durch Wegfall häufiger Gaswechsel eine Schonung des Verbrennungsmotors und eine Verlängerung der Abnutzungsdauer. Der Verbrennungsmotor arbeitet immer im optimalen Drehmomentbereich. Dadurch wird sein Verschleiß niedrig gehalten. Drehzahlunterschiede fördern den Verschleiß.
Das Beschleunigungsvermögen und die Elastizität kommen ausschließlich vom Elektromotor, der durch eine Steuerlogik automatisch den Fahrwunsch erfüllt und gleichzeitig die Energie zwischen Motor, Batterie- und Generatorbetrieb pendeln lässt, was bewirkt, dass die Batterien extrem kleingehalten werden können, weil die Batterien immer nur für kurze Zeit, nämlich nur in der Beschleunigungsphase, benötigt werden. Ansonsten weiden Überschussenergie und Bremsenergie elektrisch gespeichert.
4.3 Lösung des Drehmoment-Überschuss Problems:
Wie bereits schon im Eingang erwähnt, besteht bei dieser Anordnung das Problem, dass der jeweils drehmomentstärkere Motor den anderen Antrieb abwürgt. Der Verlauf der erzeugten Drehmomente geht bei dieser flexiblen Anordnung nicht nur auf den Antrieb, sondern auch und bei hohen Drehmomentunterschieden vor allem auf den entgegengesetzten Antrieb. Damit vernichtet man die gesamten Vorteile, welche der Differenzialhybrid bietet.
Um das zu verhindern, bzw. um die Drehmomente der angebrachten Antriebe tatsächlich zu addieren, gibt es folgende Lösungen.

A: Mit einer klassischen Differenzialsperre kann der Drehmomentverlauf direkt auf die Abtriebwelle gebracht werden. Die Sperre greift bei Bedarf ein, und kann elektronisch oder Mechanisch gesteuert sein.
B: Ebenso kann eine gesteuerte Viskosebremse diese Aufgaben übernehmen. Hier wäre der Eingriff der Bremse sanfter und Materialschonender, allerdings wird durch eine Viskosebremse mehr Energie verbraucht.
C: Mit einer elektronischen Steuerung können die Antriebe so gesteuert werden, dass die eingeleiteten Drehmomente nahezu gleich sind. Damit wird der gleiche Effekt erreicht, und steigert die Flexibilität. Jedoch müssen hier die Motoren in einigen Betriebszuständen unnötig hohe Leistungen abgeben, um den Ausgleich zu schaffen.
D: Mit einem Differenzial welches mit einem ähnlichem Prinzip arbeitet wie die bekannten Torsendifferenziale kann der Effekt des Abwürgens des schwächeren Antriebs ebenfalls unterbunden werden. Ein Torsendifferenzial ist ein Differenzial, welches mithilfe eines zusätzlichem Getriebeelements die Kraft nicht wie bei herkömmlichen Differenzialen auf das sich leichter durchdrehende Rad leitet, sondern auf dasjenige mit der besseren Haftung. Die Zahnradgeometrie die diesen Effekt in entgegengesetzter Kraftrichtung darstellt, gibt die Momente der Antriebe unmittelbar und direkt an die Abtriebswelle weiter, ohne dass eine Elektronik oder eine mechanische Sperre eingreifen muss. Diese Lösung ist allerdings kostenintensiver als die vorgenannten.

E: Elektromotor
PE: Zahnrad E-Motor
PT: Zahnradträger
AE: Abtriebswelle
PR: Planetenräder
PV: Zahnrad Verbrennungsmotor
V: Verbrennungsmotor

Claims

Differentialhybridantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungs- und ein Elektromotor jeweils an ein gesondertes Getrieberad angeflanscht sind, die zueinander gegenüber angeordnet sind und von denen beide über zwei weitere angebrachte Getrieberäder, die ihrerseits an einem als Hauptantriebselement dienenden Planetenträger angebracht sind, mit dem jeweils anderen Planetenrad verbunden sind.
Differenzialhybridantrieb, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getrieberäder, welche an den Antriebsmotoren angeflanscht sind, über eine Sperre auf starren Durchtrieb geschaltet werden können.
Differenzialhybridantrieb, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getrieberäder, welche an den Antriebsmotoren angeflanscht sind, über eingreifende Zahnräder auf Einfestgelegtes Übersetzungsverhältnis geschaltet werden können.
Differenzialhybridantrieb, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getrieberäder, welche an den Antriebsmotoren angeflanscht sind, über ein variables, abkoppelbares Zusatzgetriebe verbunden sind, so dass das das Übersetzungsverhältnis zwischen den Antrieben wähl und bestimmbar ist.
Differenzialhybridantrieb, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getrieberäder, welche an den Antriebsmotoren angeflanscht sind, über eine zuschaltbare Viskosebremse verfügen, und damit der Differenzialhybrid auf starren Durchtrieb geschaltet werden kann.
Differenzialhybridantrieb, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomente der Antriebsmotoren über eine Elektronik so geregelt werden können, dass die Kräfte ausgeglichen sind, und somit die Momente gleichmäßig an die Abtriebswelle abgegeben werden können.
Differenzialhybridantrieb, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getrieberäder, welche an den Antriebsmotoren angeflanscht sind, über ein Torsenelement verbunden sind.