DE102009022168A1

DE102009022168A1 - Hybridantrieb für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102009022168A1
Application number: DE102009022168A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Stolk; Alexander Von Dipl.-Ing. Gaisberg-Helfenberg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor (12) und einer als Elektromotor oder Generator betreibbaren Elektromaschine (16), wobei die Elektromaschine (16) einen inneren und einen äußeren Läufer (14, 20) aufweist und einer der Läufer (14, 20) mit dem Verbrennungsmotor (12) und der andere Läufer (20) mit einer Abtriebswelle (17) gekoppelt ist, wobei einer der Läufer (14, 20) als Leitstückläufer ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine kompakte, baulich einfache und weitgehend wartungsfreie Ausbildung der Elektromaschine.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Seit längerem sind Bestrebungen im Gange, bei Fahrzeugen Verbrennungsmotoren und Elektromaschinen als sogenannte Hybridantriebe derart zu koppeln, dass in unterschiedlichen Betriebsphasen der Vortrieb über eines der beiden Antriebsaggregate oder beide parallel bewirkt wird. Dabei kann entweder nur eine Elektromaschine vorgesehen sein, die entweder als Elektromotor oder als Generator betrieben wird oder es werden ein Elektromotor und ein Generator, also zwei Elektromaschinen vorgesehen, wobei der Generator mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist. Man unterscheidet dabei den parallelen vom seriellen Hybridantrieb. Beim parallelen Betrieb wirken Verbrennungsmotor und Elektromotor parallel gleichzeitig als Antriebsaggregate, beim seriellen Betrieb wirkt nur eines der Antriebsaggregate auf die anzutreibenden Räder, während das andere Antriebsaggregat nur die Leistung bereitstellt, die dem direkt wirkenden Antriebsaggregat zugeführt wird.
Aus der DE 600 26 645 T2 ist eine Mischform aus seriellem und parallelem Hybridantrieb bekannt, die einen Verbrennungsmotor und zwei Elektromaschinen umfasst, wobei eine erste Elektromaschine als Leistungsregulierungseinheit und eine zweite Elektromaschine als Elektromotor betrieben werden können. Weiterhin wird eine Kupplung, insbesondere eine Doppelkupplung, offenbart, die es erlaubt, den Hybridantrieb abhängig von vorgebbaren Fahrzuständen in vier Grundzuständen zu betreiben. Die Grundzustände unterscheiden sich jeweils durch das Zusammenwirken von Verbrennungsmotor und erster und zweiter Elektromaschine zum Antrieb der Räder. Die Doppelkupplung, der Verbrennungsmotor und die erste und zweite Elektromaschine werden von einer Steuereinheit entsprechend angesteuert. Die Doppelkupplung wird vorzugsweise durch elektromagnetische Kräfte betätigt und ermöglicht so ein Umschalten zwischen den vier Grundzuständen.
Herkömmliche serielle Hybridantriebe mit zwei Elektromaschinen (Generator und Elektromotor) benötigen einen entsprechend dimensionierten Elektromotor, der für alle Fahrzustände eine ausreichende Leistung bereitstellt. Ein parallel betriebener Hybridantrieb wiederum kann nicht unabhängig von der Geschwindigkeit bzw. teilweise nur mit schlechtem Wirkungsgrad elektrische Energie erzeugen.
Ein Hybridantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 195 32 135 A1 bekannt. In dieser Druckschrift ist eine erste Ausführung beschrieben, bei der eine aus zwei Läufern bestehende Elektromaschine eine Bremseinrichtung zum Festsetzen der Abtriebswelle aufweist. Bei Aktivierung der Bremseinrichtung ist der abtriebsseitige Läufer festgesetzt und die Elektromaschine dient als Startermotor für den Verbrennungsmotor. Bei einer zweiten Ausführung ist ein Innenläufer einer Elektromaschine mit der Abtriebswelle verbunden und über eine Kupplung mit dem Verbrennungsmotor verbindbar. Ein Außenläufer ist mittels einer Kupplung mit dem Innenläufer verbindbar oder mittels einer Bremseinrichtung feststellbar. Bei dieser Ausführungsform kann der Außenläufer festgesetzt werden, wobei der Innenläufer sowie der Verbrennungsmotor gekoppelt sind, so dass die Elektromaschine zum Starten des Verbrennungsmotors dienen kann oder im stationären Fahrbetrieb als Elektromotor oder Generator arbeitet. Alternativ sind die beiden Läufer kuppelbar, so dass die Elektromaschine damit funktionslos ist. Im Normalbetrieb wird die Antriebsleistung durch den Verbrennungsmotor bereitgestellt und die beiden Rotoren dienen dazu, eine Schaltkupplungsfunktion oder eine aktive Getriebesynchronisierung zu gewährleisten und Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors auszugleichen, alles durch gezielte elektrische Beschaltung der Elektromaschine. Mit anderen Worten, soweit nicht einer der Läufer festgesetzt ist, werden die beiden Läufer im stationären Betrieb mit weitgehend übereinstimmender Drehzahl betrieben.
Ein weiterer Hybridantrieb ist aus der JP-2000142135 A bekannt, bei der die Elektromaschine einen äußeren und einen inneren Läufer aufweist, wobei der innere Läufer mit dem Verbrennungsmotor und der äußere Läufer mit den anzutreibenden Rädern verbunden und zwischen beiden Läufern ein ringförmiger Stator vorgesehen ist.
Es ist ferner beispielsweise aus der DE 39 10 451 C2 oder der DE 28 16 672 A bekannt, Leitstückläufer in Generatoren einzusetzen, um Wicklungen auf dem Läufer und damit Schleifkontakte zur Ableitung der erzeugten elektrischen Energie zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hybridantrieb bereitzustellen, der sich durch bauliche Einfachheit und einen möglichst wartungsfreien Betrieb der Elektromaschine auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Läufers als Leitstückläufer ermöglicht eine kompakte, baulich einfache und weitgehend wartungsfreie Ausbildung der Elektromaschine. Da das wirksame Magnetfeld nur zwischen dem äußeren Läufer und dem Leitstückläufer in Verbindung mit der Statorwicklung wirksam ist, also weder der üblicherweise vorhandene Stator noch Schleifkontakte für den Innenläufer benötigt werden, hat die Elektromaschine einen geringeren Raumbedarf, niedrigere Kosten und ein geringeres Gewicht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der motorseitige Läufer über eine Motorwelle mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist und die Motorwelle eine Kupplungseinheit umfasst. Die Kupplungseinheit ist in drei Stellungen betreibbar. In einer ersten Stellung ist der motorseitige Läufer feststellbar, in einer zweiten Stellung befindet sich die Kupplungseinheit außer Eingriff und in einer dritten Stellung sind beide Läufer miteinander gekoppelt. Hierdurch kann der Hybridantrieb in vier bevorzugten Betriebszuständen betrieben werden: Anfahren nur über den Elektromotor; serieller Antrieb durch den Elektromotor mit Unterstützung des langsamer drehenden Verbrennungsmotors; serieller Antrieb durch den Elektromotor bei gleichzeitiger Energiegewinnung über den schneller drehenden Verbrennungsmotor; Kupplung der beiden Läufer.
Die Kupplungseinheit ist bevorzugt als integrale Einheit ausgebildet aber da diese funktionell zwei getrennte Kupplungen umfasst, nämlich eine Kupplung zur Feststellung der Motorwelle und eine Kupplung zur Synchronisierung der Motorwelle mit dem Außenläufer kann die Kupplungseinrichtung zwei getrennte Kupplungen umfassen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der motorseitige Läufer als Leitstückläufer ausgebildet ist. In diesem Fall lässt sich die Kupplungseinrichtung der Motorwelle baulich einfach mit dem außen liegenden abtriebsseitigen Läufer in Wirkverbindung bringen.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 in einem fahrenden Fahrzeug sieht vor, dass der motorseitige Läufer vom Verbrennungsmotor mit einer geringeren Drehzahl angetrieben wird als der abtriebsseitige Läufer aufgrund des Fahrzeug-Fahrzustandes dreht, und die aufgrund der Drehzahldifferenz benötigte elektrische Energie aus einem Energiespeicher entnommen wird.
Die Elektromaschine braucht also im seriellen Betrieb nur mit der Differenzdrehzahl zwischen dem Verbrennungsmotor und dem zweiten Läufer betrieben werden und muss damit bei langsamer laufendem Verbrennungsmotor als Antriebsleistung nur das Drehmoment multipliziert mit der Differenzdrehzahl zwischen Verbrennungsmotor und Elektromaschine aufbringen und kann damit im Vergleich zu konventionellen seriellen Hybridantrieben schwächer dimensioniert sein.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 in einem fahrenden Fahrzeug sieht vor, dass der motorseitige Läufer vom Verbrennungsmotor mit einer höheren Drehzahl angetrieben wird als der abtriebsseitige Läufer aufgrund des Fahrzeug-Fahrzustandes dreht, und die aufgrund der Drehzahldifferenz erzeugte Energie gespeichert wird. Es kann dabei vorzugsweise die Drehzahl des Verbrennungsmotors derart eingestellt werden, dass der Wirkungsgrad der Energieerzeugung maximal ist. Da der Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugung abhängig ist vom Betriebspunkt sowohl des Verbrennungsmotors als auch der als Generator arbeitenden Elektromaschine, kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors so eingestellt werden, dass der Gesamtwirkungsgrad der Energiegewinnung maximal ist. Damit lässt sich im Gegensatz zu herkömmlichen Hybridmotoren eine effizientere und damit kürzere Aufladung der Batterie erreichen. Vorzugsweise wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie bzw. der benötigten Antriebsleistung geregelt.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 in einem fahrenden Fahrzeug sieht vor, dass wahlweise die Drehzahl des Verbrennungsmotors geringfügig größer als zum Erreichen eines Betriebspunkts zum schwachen Aufladen der Energiespeichervorrichtung oder deutlich größer als zum Erreichen des Betriebspunkts zum starken Aufladen der Energiespeichervorrichtung gewählt wird. Vorteilhaft kann die Energiespeichervorrichtung dadurch entweder schonend beziehungsweise komfortabel oder schnell aufgeladen werden.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sieht vor, dass zum Anfahren des Fahrzeugs der Verbrennungsmotor nicht betrieben wird, d. h. aus ist und still steht, der mit dem Verbrennungsmotor verbundene Läufer festgesetzt ist, d. h. nicht dreht, und die Elektromaschine als Elektromotor angesteuert wird und das Fahrzeug antreibt. Dabei wirkt der mit dem Verbrennungsmotor verbundene festgesetzte Läufer als Stator. Das Fahrzeug kann somit, bei entsprechender Ansteuerung der Elektromaschine, rein elektrisch angefahren bzw. angetrieben werden. Vorzugsweise wird bei Erreichen eines vorgebbaren Kriteriums der zum Anfahren festgesetzte Läufer gelöst und der Verbrennungsmotor gestartet. Das Starten des Verbrennungsmotors kann mittels der Elektromaschine oder mittels eines zusätzlichen Starters erfolgen. Vorzugsweise ist das Kriterium, bei dessen Eintreten der zum Anfahren festgesetzte Läufer gelöst und der Verbrennungsmotor gestartet wird, ein Erreichen einer vorgebbaren Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder ein Unterschreiten einer vorgebbaren Batteriekapazität. Weiterhin wird vorzugsweise bei Erreichen des Kriteriums eine Drehzahl des mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Läufers mit einer Drehzahl des mit der Antriebswelle gekoppelten Läufers synchronisiert und der motorseitige Läufer mittels einer Kupplungseinrichtung mit dem abtriebsseitigen Läufer gekoppelt. Dabei kann unter dem Begriff „gekoppelt” in Eingriff gebracht, drehfest verbunden und/oder eingekuppelt verstanden werden. Vorteilhaft kann nach dem elektrischen Anfahren auf eine Betriebsweise mit reinem Verbrennungsmotorantrieb umgeschaltet werden, wobei der hohe Wirkungsgrad des nachgeschalteten Getriebes genutzt werden kann. Dieser Zustand kann abhängig von einem Betriebspunkt wieder aufgehoben werden, um mittels der Elektromaschine wieder Energie zuzuführen oder zu entnehmen, um so den Verbrennungsmotor mit einem optimalen Wirkungsgrad betreiben zu können.
Nach dem Lösen des festgesetzten Läufers und beim Betrieb des Verbrennungsmotors wirken beide Läufer als Rotoren. Das Fahrzeug wird dabei als serieller Hybrid betrieben. Wie vorstehend bereits ausgeführt, kann in diesem Antriebszustand in Abhängigkeit der Drehzahlen beider Rotoren und des zwischen ihnen wirkenden Magnetfeldes von dem Verbrennungsmotor erzeugte Energie in der Energiespeichervorrichtung (Batterie) gespeichert oder aus der Energiespeichervorrichtung Energie zum Antrieb der Elektromaschine entnommen werden, wobei die Elektromaschine wiederum den Verbrennungsmotor beim Antrieb des Fahrzeugs unterstützt.
Insgesamt werden die beiden Rotoren oder Läufer also im Gegensatz zum Stand der Technik mit deutlich unterschiedlichen Drehzahlen betrieben und nur die aus dieser Drehzahldifferenz resultierende Leistung muss von der Elektromaschine bereitgestellt bzw. aus einem Energiespeicher, insbesondere einer Batterie, entnommen werden. Damit lässt sich diese kleiner und schwächer ausbilden und Gewicht einsparen. Die vorbeschriebenen Betriebsverfahren werden vorzugsweise mit der Hybridmotorausführung gemäß Anspruch 1 realisiert. Grundsätzlich sind diese jedoch auch mit einer Hybridmotorausführung ohne Leitstückläufer von Vorteil realisierbar. Bei dieser Betriebsweise kann die Elektromaschine gegenüber herkömmlichen Hybridantrieben kleiner und baulich einfacher ausgebildet werden, da im Volllastbetrieb nur ein Teil der Antriebsleistung von der Elektromaschine bereitgestellt werden muss. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigen:
1: eine bevorzugte Ausführungsform eines Hybridantriebes;
2: ein Diagramm einer mechanischen Leistung einer Elektromaschine über einer Drehzahldifferenz des in 1 gezeigten Hybridantriebs; und
3: ein Diagramm einer Leistungskurve eines Verbrennungsmotors über einer Drehzahl des in 1 dargestellten Hybridantriebs, wobei insbesondere für einen Betriebspunkt eines mittels des Hybridantriebs angetriebenen Fahrzeugs unterschiedliche Betriebszustände des Hybridantriebs verdeutlicht sind.
Die in 1 gezeigte bevorzugte Ausführung eines Hybridantriebes 10a umfasst einen Verbrennungsmotor 12, der über eine Motorwelle 13 mit einem inneren, motorseitigen Läufer 14 einer Elektromaschine 16 gekoppelt ist. Dieser motorseitige Läufer 14 ist als Leitstückläufer ausgebildet, d. h. dieser umfasst einen zentrischen Stator mit einer Statorwicklung 14a, der in Zusammenwirken mit dem umlaufenden Leitstückläufer 14 ein drehendes Magnetfeld bildet. Die Elektromaschine 16 umfasst ferner einen außen liegenden abtriebsseitigen Läufer 20, der mechanisch über eine Abtriebswelle 17 und ein abtriebsseitiges Getriebe 22 mit anzutreibenden Rädern 24 gekoppelt ist.
Der Verbrennungsmotor 12 bzw. die Motorwelle 13 ist mit einer Kupplungseinrichtung 18 versehen, die drei Stellungen einnehmen kann. In einer ersten Stellung wirkt sie als Feststellbremse für die Motorwelle 13 und damit für den motorseitigen Läufer 14, in einer zweiten Stellung ist diese außer Eingriff, so dass sich die beiden Läufer 14, 20 mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen können in einer dritten Stellung sind die beiden Läufer 14 und 20 starr miteinander gekoppelt.
Der Hybridantrieb 10a umfasst eine nur schematisch dargestellte Energiespeichereinrichtung 15 für elektrische Energie, vorzugsweise eine Speicherbatterie, die über nicht dargestellte Verbindungsleitungen mit der Elektromaschine 16, insbesondere mit dem Stator, der die Statorwicklung 14a aufweist, gekoppelt ist. Über diese Energiespeichereinrichtung 15 wird entweder elektrische Energie in die Elektromaschine 16 einspeist oder im Generatorbetrieb wird diese von der Elektromaschine 16 geladen.
2 zeigt ein Diagramm 21 mit einer x-Achse 19 und einer y-Achse 23. Auf der x-Achse 19 ist eine Drehzahldifferenz der Elektromaschine 16, also der Läufer 14, 20 aufgetragen. Auf der y-Achse 23 ist eine mechanische Leistung der Elektromaschine 16 aufgetragen. Mittels einer in das Diagramm 21 eingezeichneten Kennlinie 26 ist die von der Drehzahldifferenz Δn_E abhängige mechanische Leistung der Elektromaschine 16 verdeutlicht. Die Kennlinie 26 ist beispielhaft, wobei deren Steigung abhängig von einer Bestromung der Elektromaschine 16 variieren kann.
3 zeigt ein weiteres Diagramm 25 mit einer x-Achse 27 und einer y-Achse 28. Auf der x-Achse 27 ist eine Drehzahl des in 1 dargestellten Verbrennungsmotors 12 aufgetragen. Auf einer y-Achse 28 ist eine dazugehörige mechanische Leistung aufgetragen. Mittels einer Leistungskurve 29 ist eine drehzahlabhängige Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors 12 veranschaulicht. Bei der Leistungskurve 29 kann es sich beispielsweise um eine Leistungskurve handeln, bei der der Verbrennungsmotor 12 einen maximalen Wirkungsgrad bei einer vorgewählten Drehzahl aufweist. Es kann sich bei der Leistungskurve 29 jedoch auch um eine beliebige andere Leistungskurve handeln, beispielsweise um die maximal mögliche Leistung bei einer vorgegebenen Drehzahl.
Der dargestellte Hybridantrieb wird im Wesentlichen in vier verschiedenen Betriebszuständen betrieben. Im Folgenden werden die vier verschiedenen Betriebszustände, insbesondere anhand der 2 und 3 näher erläutert.
In einem ersten Betriebszustand wird die Motorwelle 13 und damit der Verbrennungsmotor 12 sowie der motorseitige Läufer 14 über die als Feststellbremse wirkende Kupplungseinrichtung 18 festgesetzt, damit der motorseitige Läufer 14 steht und die Elektromaschine 16 unter Verwendung elektrischer Energie aus der Energiespeichereinrichtung 15 als Elektromotor betrieben wird. In diesem Betriebszustand wird also die gesamte benötigte Antriebsleistung von der Elektromaschine 16 bereitgestellt. Dieser erste Betriebszustand wird hauptsächlich beim Anfahrvorgang des Fahrzeuges zur Anwendung kommen. Beim Bremsen bzw. Bergabfahren kann der Verbrennungsmotor 12 abgeschaltet und parallel die Kupplungseinrichtung 18 auf Feststellwirkung geschaltet werden, so dass die Elektromaschine 16 mit stehender Motorwelle 13 und damit motorseitigem Leitstückläufer 14 als Generator arbeitet und damit die Bremsenergie als elektrische Energie zur Aufladung der Energiespeichereinrichtung 15 nutzbar ist.
Der erste Betriebszustand ist in 3 mittels eines ersten Bereiches 30 gekennzeichnet. Es ist zu erkennen, dass mittels der Elektromaschine 16 bei festgesetzter Kupplungseinrichtung 18 maximal ein erstes Leistungsniveau 31 erreichbar ist. Das erste Leistungsniveau 31 ist vorliegend über der auf der x-Achse 27 aufgetragenen Drehzahl konstant. Für diesen Bereich des in 3 dargestellten Diagramms 25 ist auf der x-Achse 27 die Drehzahl der Elektromaschine 16 aufgetragen. Auf der Y-Achse 28 ist entsprechend die elektrische Leistung, die dem Getriebe zugeführt wird, aufgetragen. Im ersten Bereich 30, ist unterstellt, dass nur eine geringe Antriebsleistung erforderlich ist. Vorteilhaft kann dabei der Verbrennungsmotor 12 abgestellt werden, so dass das Fahrzeug rein elektrisch angetrieben wird. Insbesondere kann der erste Bereich 30 zum rein elektrischen Anfahren des Fahrzeugs genutzt werden.
In einem zweiten Betriebszustand wird die Kupplungseinrichtung 18 auf Freilauf geschaltet, so dass die beiden Läufer 14, 20 damit unabhängig voneinander drehen können. Gleichzeitig wird der Verbrennungsmotor 12 gestartet. Nach der Anlaufphase wird der motorseitige Läufer 14 vom Verbrennungsmotor 12 mit einer niedrigeren Drehzahl gedreht als der im Elektromotorbetrieb arbeitende abtriebsseitige Läufer 20 aufgrund der benötigen Antriebssituation. Damit wird nur ein Teil der benötigen Antriebsleistung von der als Elektromotor wirkenden Elektromaschine 16 und ein anderer Teil vom Verbrennungsmotor 12 bereitgestellt. Ein Teil der Antriebsleistung wird dabei als elektrische Energie der Energiespeichereinrichtung 15 entnommen. Dieser Betriebszustand wird bewusst eingestellt, wenn es wünschenswert ist, die Energiespeichereinrichtung 15 teilweise zu entladen, damit in dem nachstehend beschriebenen weiteren Betriebszustand eine Aufladung der Energiespeichereinrichtung 15 mit größtmöglichem Wirkungsgrad erfolgen kann. Da die Elektromaschine 16 in diesem seriellen Betriebszustand nur einen Teil der erforderlichen Antriebsleistung aufbringen muss, kann diese relativ schwach – verglichen mit herkömmlichen Elektromaschinen – ausgebildet werden.
Der zweite Betriebszustand ist in 3 mittels eines zweiten Bereichs 32 gekennzeichnet. In 2 entspricht der zweite Bereich 32 einem in einem ersten Quadranten des Diagramms 21 linear ansteigenden Teils der Kennlinie 26. Wie in 3 zu erkennen, ist in dem zweiten Bereich 32 die Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 geringer als für einen Betriebspunkt 33 des Fahrzeugs notwendig. Der Betriebspunkt 33 ist in 3 beispielhaft eingezeichnet und liegt in einem Schnittpunkt eines zweiten Leistungsniveaus 34 und der Leistungskurve 29. Das zweite Leistungsniveau 34 ist beispielhaft und kann in der Höhe je nach Leistungsanforderung des Fahrzeuges variieren. Mittels der Leistungskurve 29 und dem zweiten Leistungsniveau 34 ist zu erkennen, dass ohne Hybridantrieb eine bestimmte Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 erforderlich wäre. Vorteilhaft ist es möglich, den Verbrennungsmotor, in Ausrichtung der 3 gesehen, links des Betriebspunktes 33, also mit einem niedrigeren Drehzahlniveau und damit mit einer niedrigeren mechanischen Leistungsabgabe zu betreiben. Der Verbrennungsmotor 12 leistet dabei weniger als zum Forttrieb notwendig ist. Mittels eines ersten Doppelpfeils 35 ist beispielhaft ein Anheben der an dem Getriebe 22 anliegenden Leistung auf das zweite Leistungsniveau 34 mittels der Elektromaschine 16 angedeutet. Vorteilhaft kann der Verbrennungsmotor 12 mit einer niedrigeren Leistung betrieben werden als die zum eigentlichen Fahren erforderliche Leistung. Diese kann vorteilhaft durch die Elektromaschine 16 ergänzt, also teilweise elektrisch erzeugt werden.
In einem dritten Betriebszustand bleibt die Kupplungseinrichtung 18 außer Eingriff und der motorseitige Läufer 14 wird vom Verbrennungsmotor 12 mit einer höheren Drehzahl betrieben als der abtriebsseitige Läufer 20, so dass ein Leistungsüberschuss entsteht, der als elektrische Energie zur Aufladung der Energiespeichereinrichtung 15 zugeführt wird. Dabei ist es möglich, den Verbrennungsmotor 12 derart zu betreiben, dass die Effizienz der Batterieaufladung maximiert wird.
Der dritte Betriebszustand ist in 3 mittels eines dritten Bereichs 36 gekennzeichnet. In 2 entspricht der dritte Bereich 36 einem in einem dritten Quadrant des Diagramms 21 liegenden nach links unten abfallenden Abschnitt der Kennlinie 26. Mittels eines zweiten Doppelpfeils 37 ist in 3 angedeutet, dass die bei einer geringfügig größeren Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 als zum Erreichen des Betriebspunktes 33 notwendig eine vergleichsweise geringe überschüssige Menge an mechanischer Leistung mittels der Elektromaschine 16 in elektrische Energie umgewandelt und in der Energiespeichervorrichtung 15 gespeichert werden kann. Dies ermöglicht ein besonders komfortables Aufladen der Energiespeichervorrichtung 15. Mittels eines dritten Doppelpfeils 38 ist ein besonders schnelles Laden der Energiespeichervorrichtung 15, also eine vergleichsweise große Menge an umgewandelter mechanischer Energie in elektrische Energie angedeutet. Im Bereich des dritten Doppelpfeils 38 weist die Leistungskurve 29 ein Maximum auf, so dass dabei für den Betriebspunkt 33 die Energiespeichervorrichtung 15 maximal schnell aufladbar ist. Dabei ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 deutlich größer als zum Erreichen des Betriebspunktes 33.
Es kann wünschenswert sein, den Hybridantrieb 10a bei gleichbleibenden Fahrtverhältnissen abwechselnd in dem zweiten und dritten Betriebszustand zu betreiben, um den Gesamtwirkungsgrad des Antriebes zu maximieren.
In einem vierten Betriebszustand schließlich wird die Kupplungseinrichtung 18 mit dem abtriebsseitigen Läufer 20 in Eingriff gebracht, so dass der motorseitige und der abtriebsseitige Läufer 14, 20 zwangsgekoppelt synchron laufen. Der vierte Betriebszustand ist in 3 mittels eines vierten Bereiches 39 angedeutet und liegt sehr nahe des Betriebspunktes 33, wobei sich eine sehr kleine Drehzahldifferenz für die Elektromaschine 16 ergibt. Vorteilhaft ist es möglich, um einen stationären Betrieb der Elektromaschine 16 mit solchen geringen Drehzahldifferenzen zu vermeiden, die Kupplungseinrichtung 18 mit dem abtriebsseitigen Läufer 20 in Eingriff zu bringen.
Vorteilhaft ergibt sich in diesem vierten Betriebszustand ein direkter Abtrieb der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors 12 auf das Getriebe 22, wobei vorteilhaft der Wirkungsgrad dem eines herkömmlichen Triebstrangs mit einer Kupplung und einem nachgeschalteten Getriebe entspricht. Vorteilhaft fallen im vierten Betriebszustand keinerlei mittels der Elektromaschine 16 verursachte Wandlungsverluste an. In 2 entspricht der vierte Betriebszustand bzw. der vierte Bereich 39 einem mit der x-Achse 19 zusammenfallenden waagrechten Bereich der Kennlinie 26, wobei, wie vorab beschrieben, keinerlei mechanische Energie mittels der Elektromaschine 16 umgewandelt wird. Es ist günstiger, die Läufer 14 und 20 zwangsgekoppelt synchron zu betreiben. Dies kann vorteilhaft dann gewählt werden, wenn der Betriebspunkt 33 nahe einem Optimum liegt, beispielsweise hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Geräuschentwicklung und/oder anderen Kriterien.

10a: Hybridantrieb
12: Verbrennungsmotor
13: Motorwelle
14a: Statorwicklung
14: Läufer
15: Energiespeichereinrichtung
16: Elektromaschine
17: Abtriebswelle
18: Kupplungseinrichtung
19: x-Achse
20: Läufer
21: Diagramm
22: Getriebe
23: y-Achse
24: Räder
25: Diagramm
26: Kennlinie
27: x-Achse
28: y-Achse
29: Leistungskurve
30: erster Bereich
31: erstes Leistungsniveau
32: zweiter Bereich
33: Betriebspunkt
34: zweites Leistungsniveau
35: erster Doppelpfeil
36: dritter Bereich
37: zweiter Doppelpfeil
38: dritter Doppelpfeil
39: vierter Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 60026645 T2 [0002]
- DE 19532135 A1 [0004]
- JP 2000142135 A [0005]
- DE 3910451 C2 [0006]
- DE 2816672 A [0006]

Claims

Hybridantrieb für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (12) und einer als Elektromotor oder Generator betreibbaren Elektromaschine (16), wobei die Elektromaschine (16) einen inneren und einen äußeren Läufer (14, 20) aufweist und einer der Läufer (14, 20) mit dem Verbrennungsmotor (12) und der andere Läufer (20) mit einer Abtriebswelle (17) gekoppelt ist, ferner zwischen den Läufern (14, 20) das wirksame Magnetfeld bildbar ist, mittels dem zwischen diesen ein Drehmoment übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Läufer (14, 20) als Leitstückläufer ausgebildet ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Läufer als Leitstückläufer (14) mit einer zentrischen Statorwicklung (14a) ausgebildet ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Läufer (20) als Leitstückläufer mit einer äußeren Statorwicklung ausgebildet ist.
Hybridantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Läufer als Leitstückläufer (14) ausgebildet ist.
Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Läufer (14) über eine Motorwelle (13) mit dem Verbrennungsmotor (12) gekoppelt ist und die Motorwelle (13) eine Kupplungseinrichtung (18) umfasst, mittels welcher entweder die Motorwelle (13) festsetzbar oder mit dem abtriebsseitigen Läufer (20) kuppelbar oder die Kupplungseinrichtung (18) außer Eingriff bringbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (12) und einer als Elektromotor oder Generator betreibbaren Elektromaschine (16), wobei die Elektromaschine (16) einen inneren und einen äußeren Läufer (14, 20) aufweist und einer der Läufer (14, 20) mit dem Verbrennungsmotor (12) und der andere Läufer (20) mit einer Abtriebswelle (17) gekoppelt ist, ferner zwischen den Läufern (14, 20) das wirksame Magnetfeld bildbar ist, mittels dem zwischen diesen ein Drehmoment übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Läufer (14) vom Verbrennungsmotor (12) mit einer niedrigeren Drehzahl angetrieben wird als der abtriebsseitige Läufer (20) aufgrund des Fahrzeug-Fahrzustandes dreht, und die aufgrund der Drehzahldifferenz benötigte zusätzliche Leistung von der Elektromaschine (16) bereitgestellt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (12) und einer als Elektromotor oder Generator betreibbaren Elektromaschine (16), wobei die Elektromaschine (16) einen inneren und einen äußeren Läufer (14, 20) aufweist und einer der Läufer (14, 20) mit dem Verbrennungsmotor (12) und der andere Läufer (20) mit einer Abtriebswelle (17) gekoppelt ist, ferner zwischen den Läufern (14, 20) das wirksame Magnetfeld bildbar ist, mittels dem zwischen diesen ein Drehmoment übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Läufer (14) vom Verbrennungsmotor (12) mit einer höheren Drehzahl angetrieben wird als der abtriebsseitige Läufer (20) aufgrund des Fahrzeug-Fahrzustandes dreht, und die aufgrund der Drehzahldifferenz erzeugte Energie in einer Energiespeichereinrichtung (15) gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (12) mit einer derartigen Drehzahl betrieben wird, dass die Energieerzeugung in der Elektromaschine (16) mit maximalem Wirkungsgrad erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise die Drehzahl des Verbrennungsmotors (12) geringfügig größer als zum Erreichen eines Betriebspunkts (33) zum schwachen Aufladen der Energiespeichervorrichtung (15) oder deutlich größer als zum Erreichen des Betriebspunkts (33) zum starken Aufladen der Energiespeichervorrichtung (15) gewählt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (12) und einer als Elektromotor oder Generator betreibbaren Elektromaschine (16), wobei die Elektromaschine (16) einen inneren und einen äußeren Läufer (14, 20) aufweist und einer der Läufer (14, 20) mit dem Verbrennungsmotor (12) und der andere Läufer (20) mit einer Abtriebswelle (17) gekoppelt ist, ferner zwischen den Läufern (14, 20) das wirksame Magnetfeld bildbar ist, mittels dem zwischen diesen ein Drehmoment übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren des Fahrzeugs der Verbrennungsmotor (12) nicht betrieben wird, der mit dem Verbrennungsmotor (12) verbundene Läufer (14) festgesetzt ist und die Elektromaschine (16) als Elektromotor das Fahrzeug antreibt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vorgebbaren Kriterium der festgesetzte Läufer (14) gelöst und der Verbrennungsmotor gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium ein Erreichen einer vorgebbaren Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder ein Unterschreiten einer vorgebbaren Batteriekapazität ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des Kriteriums eine Drehzahl des mit dem Verbrennungsmotor (12) gekoppelten Läufers (14) mit einer Drehzahl des mit der Antriebswelle (17) gekoppelten Läufers (20) synchronisiert wird und der motorseitige Läufer (14) mittels einer Kupplungseinrichtung (18) mit dem abtriebsseitigen Läufer (20) gekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantrieb ein Hybridantrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.