DE102010007632A1

DE102010007632A1 - Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102010007632A1
Application number: DE102010007632A
Authority: DE
Inventors: Jochen 74372 Schmid; Stephan 71229 Hennings
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-08-11
Also published as: US20110192666A1; CN102145647A; JP2011178385A; CN102145647B; US8727051B2

Abstract

Ein Hybridfahrzeug, umfassen eine erste, verbrennungsmotorische Antriebsvorrichtung zum Antrieb der Räder einer ersten Achse, sowie eine zweite, elektrische Antriebsvorrichtung mit zwei Elektromaschinen zum Antrieb der Räder einer zweiten Achse, und wenigstens einen elektrischen Energiespeicher, der dann, wenn die beiden Elektromaschinen motorisch betrieben werden, stärker entladbar, und dann, wenn die beiden Elektromaschinen generatorisch betrieben werden, stärker aufladbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektromaschinen (16) der elektrischen Antriebsvorrichtung mit einem jeweils zugeordneten Getriebe (17) in einer elektrischen Achse (12) zusammengefasst sind, zum Antrieb der einzeln aufgehängten Räder der ersten Achse über eine jeweilige Gelenkwelle (18), wobei zwei den beiden Elektromaschinen jeweils zugeordnete elektrische Umrichter in einer Umrichtereinheit (24) derart zusammengefasst sind, dass ein Grundmodul (18) die mechanische Anbindung an eine Karosseriestruktur (28), die Anbindung an einen Kühlkreislauf (21a, 21b) sowie die elektrische Anbindung an den elektrischen Energiespeicher (22) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einem derartigen Hybridfahrzeug ergibt sich das Problem, dass zum Mitführen einer ausreichenden elektrischen Energiemenge relativ große und voluminöse elektrische Energiespeicher notwendig sind. Deshalb sind der oder jeder elektrische Energiespeicher zumeist räumlich getrennt von den Elektromaschinen angeordnet. Dies erfordert jedoch eine aufwendige Hochvoltverkabelung, insbesondere zwischen elektrischem Energiespeicher und Elektromaschinen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin ein vereinfachtes Hybridfahrzeug bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß sind die beiden Elektromaschinen der zweiten, elektrischen Antriebsvorrichtung, mit einem der jeweiligen Elektromaschine zugeordneten Getriebe, als eine elektrische Achse zu einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefasst, zum Antrieb eines jeweils einzeln aufgehängten Rades durch eine jeweilige Elektromaschine über jeweils eine Gelenkwelle. Dabei ist jeder Elektromaschine ein elektrischer Umrichter zugeordnet, wobei die beiden elektrischen Umrichter in einer Umrichtereinheit als gemeinsamer Baueinheit zusammengefasst sind. Durch die erfindungsgemäße Kombination der beiden Elektromaschinen in einer einzelnen elektrischen Achse, sowie der beiden elektrischen Umrichter in einer Umrichtereinheit, ergibt sich eine einfache Anordnung, und insbesondere Befestigung, dieser Komponenten im Hybridfahrzeug. Zudem ist zur elektrischen Kontaktierung von elektrischem Energiespeicher und elektrischen Umrichtern nur eine einzige Hochvoltleitung notwendig.
Das Funktionsprinzip der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges basiert auf dem Zusammenwirken zwischen zwei Antrieben: einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Antriebsvorrichtung, in dieser Ausführungsform einer Portalachse mit zwei Elektromaschinen. Das Hybridsystem dieser Ausführungsform besteht im wesentlichen aus den Komponenten Portalachse, Energiespeicher, elektrischer Schwungradspeicher, Leistungselektroniken und Hochvoltkabel.
Das Hybridsystem dieser Ausführungsform ermöglicht die Rückgewinnung von Bremsenergie, die in einem elektrischen Schwungradspeicher in Form von Bewegungsenergie gespeichert werden kann. Bei Bedarf kann der Fahrer diese zusätzliche Energie temporär zum Antrieb der Vorderachse nutzen und verfügt somit über eine Unterstützung oder Entlastung der Brennkraftmaschine. Das intelligente daran: Die temporäre Mehrleistung erhöht nicht den Kraftstoffverbrauch. Ganz im Gegenteil ist, je nach Fahrstrategie, der Verbrauch sogar reduzierbar, da die elektrische Antriebsleistung einen Teil der Leistung der Brennkraftmaschine zu Gunsten eines höheren Effizienzgrads substituieren kann. Dies ist beispielsweise bei einer Beschleunigung oder beim Starten des Hybridfahrzeuges von Vorteil. Insbesondere bei einem als Rennfahrzeug ausgebildeten Hybridfahrzeug, das an einem 24-Stunden-Rennen teilnimmt, ist dies elementar, da dort derjenige gewinnt, der am meisten Runden fährt.
Die Brennkraftmaschine ist in dieser Ausführungsform im hinteren Bereich des Hybridfahrzeuges angeordnet. Die zweite Antriebsvorrichtung auf der Vorderachse ist die so genannte Portalachse, die zwei Elektromaschinen umfasst und beim Bremsen im Generatorbetrieb arbeitet und dadurch elektrische Energie erzeugt. Beim Boosten kann der Fahrer diese zusätzliche Energie nutzen, um die beiden Elektromaschinen als zusätzlichen Antrieb zu nutzen. Somit verfügt das Hybridfahrzeug temporär über einen Allradantrieb mit Vorteilen für die Traktion. Die Kraftübertragung der Brennkraftmaschine erfolgt durch ein Getriebe, in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges ein sequentielles 6-Gang-Getriebe, auf die Hinterachse, während die Elektromaschinen ihr Antriebsmoment an der Vorderachse über eine feste Getriebeuntersetzung auf die Vorderachse aufbringt.
Natürlich sind auch andere Anordnungen möglich, beispielsweise eine Anordnung der Brennkraftmaschine im vorderen Bereich des Hybridfahrzeuges. In diesem Fall kann die Brennkraftmaschine entweder zum Antrieb der Hinterachse vorgesehen sein, wobei die elektrische Achse als Vorderachse vorgesehen ist. Alternativ kann die Brennkraftmaschine zum Antrieb der Vorderachse vorgesehen sein, wobei die elektrische Achse dann als Hinterachse vorgesehen ist.
Der Energiespeicher des Hybridsystems ist ein elektrisches Schwungrad, das in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges neben dem Fahrer karosseriefest positioniert ist. Der Energiespeicher ist eine Elektromaschine, die als Schwungrad arbeitet und dementsprechend einen Rotor besitzt, der die Energie in Form von Bewegung speichert.
Über mehrere Leistungselektroniken werden Stromflüsse zwischen den Elektromaschinen und dem Schwungradspeicher gesteuert. Das Zusammenspiel der Antriebseinheiten, Brennkraftmaschine und Elektromaschinen, wird über den Hybridmanager (Steuergerät), der der Motorsteuerung übergeordnet ist kontrolliert. Er erhält alle wesentlichen Systemdaten, um ein optimales Zusammenwirken des Gesamtsystems zu gewährleisten.
Die Stärken des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges liegen in der vorteilhaften Kombination aus Effizienz und Performance. Beispielsweise im Stadtverkehr oder bei Rennen, speziell bei einem 24-Stunden-Rennen, geht es nicht alleine um die maximale Leistung des Fahrzeugs. Vielmehr steht auch die Effizienz im Vordergrund, da jeder Boxenstopp, um zu tanken, wertvolle Zeit kostet. Die Performancevorteile kann das erfindungsgemäße Hybridfahrzeug in diversen Rennsituationen ausspielen.
So ist das zusätzliche Antriebsmoment an der Vorderachse ein erheblicher Vorteil bei Überholmanövern auf geraden Streckenabschnitten oder beim Beschleunigen aus Kurven heraus. Hier ist speziell der temporäre Allradantrieb aufgrund der Traktionsvorteile nützlich. Die zusätzliche Leistung erhöht nicht den Kraftstoffverbrauch, sondern kann vollständig durch die zurück gewonnen Energie beim Bremsen (Rekuperation) erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Hybridfahrzeug verfügt zudem über Fahrprogramme, die eine Entlastung der Brennkraftmaschine ermöglichen und damit Kraftstoff sparen. In Fahrsituationen mit dichtem Verkehr, beispielsweise in Stausituationen, bzw. bei dichtem Fahrerfeld bei Rennen, kann ein effizientes Fahrprogramm wertvollen Kraftstoff sparen. Die wesentlichen Stärken sind dabei elektrischer Boost (Zusatzmoment) ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch, Fahrprogramme für eine performance- oder effizienzorientierte Betriebsstrategie, Traktionsvorteile durch temporären Allradantrieb (Rundenzeitpotential gegenüber Heckantrieb), verbesserte Gewichtsbalance zwischen Vorder- und Hinterachse aufgrund der Portalachse, vergleichsweise geringen Systemkomplexität (u. a. keine Trennkupplung, kein Eingriffe in Getriebe- und Motorsteuerung nötig) und Gewichts- und Package-Vorteile durch Verwendung von Hochleistungskomponenten.
In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges wird der Vorteil des für Sportwagen bedeutenden tieferen Schwerpunktes ausgenutzt. Die Portalachse umfasst zwei Elektromaschinen, die jeweils über eine Lamellenkupplung und einer feste Getriebeuntersetzung mit den Rädern der Vorderachse verbunden sind. Eine Leistungselektronik reguliert den Stromfluss der Elektromaschinen.
Die Portalachse mit den beiden nebeneinander angeordneten permanenterregten Synchronmaschinen ist direkt in die Vorderachse integriert. Der niedrige Schwerpunkt durch die Einbaulage ist von großem Vorteile für die Fahrdynamik. Jede Synchronmaschine betreibt jeweils ein Rad der Vorderachse. Die elektrische Leistung pro Maschine kann in einem Bereich zwischen 25 und 100 kW liegen. In dieser Ausführungsform beträgt die elektrische Leistung pro Maschine etwa 60 kW und führt zu einem zusätzlichen maximalen Antriebsmoment von etwa 150 Nm. Wenn der Fahrer bremst, arbeiten sie im Generatorbetrieb. Die dadurch zurück gewonnene Energie wird über die Hochvoltkabel zum Schwungradspeicher weiter geleitet. Jede Elektromaschine verfügt über einen Positionssensor, der die genau Lage des Rotors für einen optimalen Betrieb bestimmt (Magnetfeldlage).
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Kräfte durch hydraulische Lamellenkupplungen übertragen, die eine präzise Kraftübertragung ermöglichen. Die Lamellenkupplung ist permanent geschlossen und wird automatisch über den Hybridmanager geregelt. Beispielsweise kann der Fahrer aus Sicherheitsgründen die Kupplungen über eine Bedieneinheit öffnen, um die Elektromaschinen vom Antriebsstrang zu entkoppeln. Eine feste Getriebeuntersetzung reduziert die hohe Ausgangsdrehzahl der Elektromaschinen von bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute und überträgt die Momente über die Antriebswellen ans Rad. Die Portalachse und die dazugehörige Umrichtungseinheit verfügt über einen separaten Niedertemperatur-Wasser-Kühlkreislauf mit einem mittig im Vorderwagen positionierten Kühler. Die Kühlkanäle sind im Gehäuse der Portalachse untergebracht.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung speichert der elektrische Schwungradspeicher die beim Bremsen zurück gewonnene elektrische Energie in kinetischer Form, also in Bewegungsenergie. Der Speicher ist in dieser Ausführungsform an der Position des Beifahrersitzes positioniert und umfasst ein Sicherheitsgehäuse, einen Stator und einen Rotor. Eine Leistungselektronik steuert den Stromfluss. Der Speicher ist im Prinzip eine Elektromaschine, die mit einem außen liegenden Rotor (Außenläufer) als Schwungrad arbeitet. Der Stator ist fest mit dem Gehäuse verbunden und der Rotor ist so gelagert, dass er sich frei um den Stator drehen kann. Wird das Schwungrad aufgeladen so werden die Statorwicklungen mit der generierten elektrischen Energie durch die Rekuperation bestromt und erzeugen durch die Wechselwirkung des entstehenden elektrischen Magnetfelds im Stator mit dem Dauermagnetfeld des Rotors eine Drehbewegung. Die elektrische Energie wird in kinetische Energie gewandelt. Der drehende Rotor speichert auf diese Weise die Energie und gibt Sie bei Bedarf wieder ab, indem der Stator in den Generatorbetrieb wechselt und die Bewegungsenergie zu elektrischer Energie wandelt. Der drehende Rotor induziert dabei mit seinem drehenden Magnetfeld in den Statorwicklung eine elektrische Spannung, die den beiden Elektromaschinen der Portalachse als Antriebskraft dient. Der Rotor wird durch die wirkenden Kräfte abgebremst.
Gegenüber anderen Speichertechnologien – speziell Akkumulatoren – hat das elektrische Schwungrad wesentlichen Vorteile, nämlich einen hohen Wirkungsgrad von größer 90%, eine hohe Zyklenfestigkeit von größer 1 Mio. Zyklen, einen einfachen mechanischen Aufbau und daher geringere Komplexität und eine höhere Leistungsdichte.
Die Leistungselektronik der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges umfasst eine Umrichtereinheit, welche für jede der beiden Elektromaschinen der Portalachse jeweils einen Frequenzumrichter (AC-DC-Wandler) umfasst, der jeweils für eine Elektromaschine die Ströme regulieren. Ein zweiter Umrichter steuert die elektrischen Ströme des Schwungradspeichers. Die Frequenzumrichter sind nötig, um den Wechselstrom, der z. B. bei der Rekuperation generiert wird, in Gleichstrom zu wandeln. Der Wechselstrom kann nicht direkt zum Betrieb des elektrischen Schwungrads genutzt werden, da die Drehzahlunterschiede der Elektromaschinen im Vergleich zum Schwungrad zu Frequenzunterschieden und dadurch zu Schwankungen in den elektrischen Spannungen führen. Negativ verstärkt wird dies durch die zeitliche Komponente, da hier im Zeitverlauf des Bremsvorgang unterschiedliche Spannungsspitzen erzeugt werden. Daher ist zunächst eine Gleichrichtung nötig, um die generierten Ströme nutzen zu können. Ein Gleichstromzwischenkreislauf verbindet die Umrichtungseinheit des Schwungrades mit der der Portalachse. Dieser Gleichstromzwischenkreislauf nivelliert das Spannungsniveau und liefert einen konstanten elektrischen Strom.
Die elektrischen Ströme des Hybridsystems werden über eine spezielle Hochvoltkabel geleitet. Neben den dreiphasigen Kabeln zum Betrieb der Elektromaschinen und des Schwungradspeichers, gibt es eine einfache Kabelverbindung, die den Gleichspannungszwischenkreislauf darstellt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung verfügt das Cockpit des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges über einige hybridspezifische Bedienelemente, die dem Fahrer die effektive Nutzung des Systems erleichtern. Im wesentlichen handelt es sich hierbei um die Bedieneinheiten Boost-Taste am Lenkrad, zum Abrufen des zusätzlichen elektrischen Antriebsmoments, Ladezustand des Schwungradspeichers, LED-Anzeige Boost-Empfehlung, Map-Schalter zum Abruf spezifischer Fahrprogramme, Hybrid-Off Schalter.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung informiert eine Anzeige im Kombiinstrument (LCD-Display) den Fahrer über einen prozentuale Wert über den Ladezustand des Schwungradspeichers (Wert von 0–100%). Die maximale Boost-Dauer beträgt in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges zwischen 5 und 20 und vorzugsweise ca. 10–12 Sekunden. Zusätzlich erhält der Fahrer eine Boost-Empfehlung über eine LED-Leuchte, die ebenfalls im Kombiinstrument untergebracht ist. Diese signalisiert dem Fahrer wann die Boost-Funktionalität genutzt werden kann, aus energetischen Gesichtspunkten genutzt werden sollte oder nicht zur Verfügung steht. Weiterhin ist am Lenkrad ein so genannter Map-Schalter (Rast-Schalter) angebracht, der speziell abgestimmte Fahrprogramme für eine spezifische Betriebs- bzw. Rennstrategie ermöglicht. Der Schalter ist mit mehreren, beispielsweise 10, Funktionen belegbar. Mögliche Funktionen sind u. a. ein ein „Effizienz-Modus”, der bei reduzierter Leistung ein möglichst effizientes Fahren mit geringem Kraftstoffverbrauch ermöglicht. Dazu werden Parameter wie Gaspedalkennlinien und Schaltpunktanzeigen entsprechend angepasst. Bei der Lastpunktabsenkung kann die gewünschte Leistung durch den Verbrennungsmotor, der durch den Elektroantrieb unterstützt wird, kompensiert werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung verfügt das System in der Mittelkonsole über eine weitere hybridspezifische Bedieneinheit: den Hybrid-Off Schalter. In der Grundstellung ist der Hybridantrieb aktiv. Der Fahrer hat die Möglichkeit über zwei Stufen den Hybridantrieb zu deaktivieren, nämlich ein Hybridsystem „soft-off” mit eingeschränkter Funktionalität beim Boosten und beim Rekuperieren, sowie ein Hybridsystem „hard-off” wo die Lamellenkupplung zur Portalachse geöffnet und die Elektromaschinen vom Antriebsstrang entkoppelt werden. Weiter werden dem Fahrer wichtige Kenn- und Diagnosewerte im LCD-Display angezeigt, die vom Hybridmanager kontinuierlich ausgewertet werden. Hier kann der Fahrer u. a. auf Basis von Leistungs- und Temperaturdaten des Antriebs die Fahrstrategie anpassen. Beim Rekuperieren kann ein Teil der Bremsenergie zurück gewonnen werden und dadurch wieder für den Antrieb nutzbar gemacht werden. Neben dem hydraulischen Bremssystem steuern die Elektromaschinen der Portalachse im Generatorbetrieb einen Teil der Bremsleistung bei. Dabei nutzen die beiden Elektromaschinen die mechanische Bewegungsenergie der Vorderachsantriebswellen des fahrenden Hybridfahrzeuges, indem der mitdrehende Rotor in den Statorwicklungen eine elektrische Spannung erzeugt. Die Spannung treibt als elektrische Energie den elektrischen Schwungradspeicher an, der die Energie wiederum in kinetischer Energie speichert.
Die Höhe des Verzögerungswunsches des Fahrers wird über das Bremspedal sensiert und fließt als Parameter in die Betriebsstrategie mit ein, um ein Bremsmoment in der Elektromaschine zu erzeugen. Die Bremsleistung ergibt sich somit aus einer Überlagerung der mechanischen Bremsanlage und der Generatorleistung der Elektromaschinen. Der Energiefluss beim Boosten erfolgt vom Ablauf her wie folgt:

1) Fahrer bremst und Elektromaschinen der Portalachse arbeiten im Generatorbetrieb
2) Generatorbetrieb erzeugt ein zusätzliches Bremsmoment an der Vorderachse
3) Teile der Bremsenergie werden zurückgewonnen und in elektrische Energie gewandelt
4) Gewonnene elektrische Energie wird genutzt, um das Schwungrad in Bewegung zu versetzen und Energie in Bewegung zu speichern.

Die wesentlichen Vorteile der Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) sind Rückgewinnung eines Teils der üblicherweise verlorenen Bremsenergie, zusätzliche Bremsleistung durch die Elektromaschinen und Schonung der mechanischen Bremsanlage.
Beim erfindungsgemäßen Hybridfahrzeuges fungiert die Brennkraftmaschine weiterhin als Primärantrieb. Abhängig von der Fahrsituation wird das zusätzliche elektrische Antriebsmoment beim Boosten an die Vorderräder abgegeben. Auf geraden Streckenabschnitten kann die Boost-Funktion kurzfristig und sehr spontan mit maximaler Leistung genutzt werden, während in kurvigen Passagen mit hoher Querbeschleunigung das zusätzliche Moment kontinuierlicher aufgebracht wird. Werden bestimmte Grenzwerte überschritten (z. B. zu hohe Querbeschleunigung oder zu geringer Ladezustand des Schwungradspeichers) wird die Boost-Funktion automatisch eingeschränkt. Um die Boost-Funktion nutzen zu können analysiert der Hybridmanager kontinuierlich alle Fahrkennwerte des Fahrzeugs. Dazu gehören unter anderem die Drehzahl, der Lenkwinkel, die Längs- und Querbeschleunigung. Weiterhin wird der Ladezustand des Schwungradspeichers kontinuierlich überwacht. Der Hybridmanager signalisiert dem Fahrer über das Aufleuchten der LED-Leuchte im Kombiinstrument die Systembereitschaft und Verfügbarkeit der Zusatzleistung. Während des Boostens verfügt das Hybridfahrzeug temporär über einen Allradantrieb.
Besonders beim Beschleunigen aus Kurven heraus ergeben sich Traktionsvorteile. Alternativ zum leistungsorientierten Boosten kann das temporäre elektrische Zusatzmoment auch zur Entlastung der Brennkraftmaschine über ein spezielles Fahrprogramm eingesetzt werden. Speziell in einem 24-Stunden-Rennen können dadurch wertvolle Distanzen zurückgelegt und Kraftstoff eingespart werden. Der Energiefluss beim Boosten erfolgt vom Ablauf her wie folgt:

1) Fahrer drückt den Boost-Button am Lenkrad
2) Rotierendes Schwungrad wird abgebremst und erzeugt dabei generatorisch elektrische Energie
3) Elektrische Energie treibt die beiden Elektromaschinen der Portalachse an und dient als zusätzliche Antriebskraft and er Vorderachse

Die wesentlichen Vorteile des zusätzlichen elektrischen Antriebsmoment beim Boosten sind ein zusätzliches Antriebsmoment für mehr Beschleunigung, ein spontaner Leistungsabruf über Boost-Button für mehr Dynamik, verbesserte Traktion durch temporären Allradantrieb, kein zusätzlicher Kraftstoffverbrauch und keine zusätzlichen Emissionen sowie Einsatz des zusätzlichen Antriebsmoments zur Entlastung der Brennkraftmaschine und Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs in schematischer Darstellung;
2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten, elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 eine perspektivische Ansicht eines transparent dargestellten Hybridfahrzeugs mit eingebauter zweiter, elektrischer Antriebsvorrichtung gemäß 2;
4 einen Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht einer zweiten, elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß 2, 3; und
5 eine Umrichtereinheit einer zweiten, elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in einer perspektivischen Ansicht von oben.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
In 1 ist eine rein schematische und stark vereinfachte Draufsicht auf ein Hybridfahrzeug 10 dargestellt mit einer ersten Antriebsvorrichtung zum Antrieb der Räder einer ersten Achse mit einer Brennkraftmaschine, sowie einer zweiten, elektrischen Antriebsvorrichtung zum Antrieb der Räder einer zweiten Achse, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Wie in 1 gezeigt ist, weist das Hybridfahrzeug 10 eine Brennkraftmaschine 14 auf, wie z. B. einen Verbrennungsmotor. Die Brennkraftmaschine 14 ist dabei beispielsweise im Heckbereich des Hybridfahrzeug 10 angeordnet, wie in 1 dargestellt ist, und treibt über eine erste Achsantriebsvorrichtung 5 die beiden Räder (nicht dargestellt) einer ersten Achse, hier z. B. der Hinterachse an.
Gemäß der Erfindung weist dazu das Hybridfahrzeug 10 eine zweite, elektrische Antriebsvorrichtung 12 auf, welche die beiden Räder der zweiten Achse, hier z. B. der Vorderachse 20, des Hybridfahrzeugs 10 antreibt. Hierzu weist die zweite, elektrische Antriebsvorrichtung 12 zwei Elektromaschinen 16 auf, von denen jeweils eine ein jeweils zugeordnetes Rad (nicht dargestellt) der Vorderachse 20 antreibt. Die Elektromaschinen 16 sind dabei voneinander getrennt ausgebildet und treiben die beiden Räder unabhängig voneinander an.
Wie in dem Beispiel in 1 gezeigt ist, umfasst die elektrische Achse 20 bzw. hier die Vorderachse 20 mit der zweiten, elektrischen Antriebsvorrichtung 12 zwei voneinander getrennte Elektromaschinen 16, die über eine jeweilige Stirnradstufe 17 und eine jeweilige Gelenkwelle 18 das jeweils zugeordnete Rad antreiben. Zur Versorgung der Elektromaschinen 16 mit elektrischer Energie ist ein elektrischer Energiespeicher 22 vorgesehen, beispielsweise eine Hochvoltbatterie, oder ein Schwungradspeicher. Die Erfindung ist aber auf diese beiden Beispiele für elektrische Energiespeicher 22 nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jede andere Art von elektrischem Energiespeicher 22 oder Kombination von elektrischen Energiespeichern 22 vorgesehen werden, die geeignet ist die Elektromaschinen 16 mit der notwendigen elektrischen Energie zu versorgen.
Der elektrische Energiespeicher 22 ist des Weiteren mit einer Umrichtereinheit 24 verbunden. Die Umrichtereinheit 24 wandelt dabei beispielsweise den Gleichstrom des elektrischen Energiespeichers 22 in einen Wechselstrom für die jeweilige Elektromaschine 16 um, so dass die Elektromaschinen 16 das zugeordnete Rad der elektrischen Achse 20 bei Bedarf antreiben kann. Das Antreiben der beiden Räder kann dabei über eine entsprechende Steuervorrichtung 26 oder Hybridsteuervorrichtung gesteuert werden. Die Steuervorrichtung 26 ist dabei mit dem elektrischen Energiespeicher 22, der Umrichtereinheit 24 und den beiden Elektromaschinen 16 verbunden. Dabei kann die Steuervorrichtung 26, wie in 1 gezeigt ist, mit einer Motorsteuerungsvorrichtung 28 gekoppelt oder über ein Bussystem 30, wie z. B. ein CAN-Bussystem, verbunden sein oder alternativ auch als Teil der Motorsteuerungsvorrichtung 28 ausgebildet sein (nicht dargestellt). Über die Motorsteuerungsvorrichtung 28 wird hierbei die Brennkraftmaschine 14 und die erste Antriebsvorrichtung 5 gesteuert zum Antrieben der zugeordneten Hinterachse.
Des Weiteren können die Steuervorrichtung 26 und/oder die Motorsteuerungsvorrichtung 28 wahlweise zusätzlich, wie in 1 gezeigt ist, mit wenigstens einer Eingabevorrichtung 32, z. B. einem Boostknopf 34, verbunden sein und/oder mit einer Displayvorrichtung 36. Über die Eingabevorrichtung 32 kann dabei der Fahrer des Hybridfahrzeugs 10 eingeben, dass er das Hybridfahrzeug 10 in einem vorbestimmten Betriebsmodus betreiben möchte. Als ein solcher Betriebsmodus kann dabei beispielsweise ein für einen Vierradantrieb bzw. Boostbetrieb geeigneter Betriebsmodus vorgegeben werden.
Ein solcher Betriebsmodus ist beispielsweise ein Beschleunigungsmodus bei welchem der Fahrer z. B. sein Hybridfahrzeug 10 aus einer Kurve heraus beschleunigen kann. Wählt der Fahrer über die Eingabeeinrichtung 32 den Beschleunigungsmodus, so bedeutet das, dass das Hybridfahrzeug 10 in diesem Beschleunigungsmodus statt nur über die Hinterachse über einen Vierradantrieb über beide Achsen angetrieben wird. Bei dem Vierradantrieb kann gemäß der Erfindung die zweite Achse, hier z. B. die Vorderachse 20, über die zweite, elektrische Antriebsvorrichtung 12 zusätzlich angetrieben werden, so dass ein Vierradantrieb realisiert wird. Dazu werden die Vorderachse 20 bzw. die beiden Vorderräder 18 zusätzlich angetrieben über die zweite, elektrische Antriebsvorrichtung 12 und deren beide Elektromaschinen 16.
In der Displayvorrichtung 36 kann wahlweise zusätzlich beispielsweise der gewählte Betriebsmodus angezeigt und/oder eine Auswahl von geeigneten Betriebsmodi aus denen der Fahrer auswählen kann. Wahlweise kann die Displayvorrichtung 36 zusätzlich auch als Eingabevorrichtung ausgebildet sein (nicht dargestellt) und beispielsweise einen Touchscreen aufweisen zum Eingeben oder Anklicken eines gewünschten Betriebsmodus, in welchem das Hybridfahrzeug 10 in einem Vierradantrieb betrieben wird.
Wie zuvor beschrieben, kann das Hybridfahrzeug 10 gemäß der Erfindung sowohl in einem Zweiradantrieb als auch in einem Vierradantrieb betrieben werden. Im Zweiradantrieb werden dabei beispielsweise die Hinterräder über die Brennkraftmaschine 14 betätigt und im Vierradantrieb zusätzlich die Vorderräder 18 über zugeordnete Elektromaschinen 16. Die Elektromaschinen 16 werden dabei mit Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 22 gespeist. Der elektrische Energiespeicher 22 wird über die generatorisch betriebenen Elektromaschinen 16 der elektrischen Achse 20 geladen oder gespeist. Das Laden des elektrischen Energiespeichers 22 über wenigstens eine oder beide Elektromaschinen 16 kann dabei beispielsweise ausschließlich über diese erfolgen oder der elektrische Energiespeicher 22 über wenigstens eine weitere Energielieferquelle mit elektrischer Energie gespeist werden. Eine zusätzliche elektrische Energiequelle kann beispielsweise ein stationäres Stromnetz sein, z. B. eine Tankstelle mit einem Elektroanschluss.
In 2 ist eine Perspektivansicht eines Beispiels der zweiten, elektrischen Antriebsvorrichtung 12 des Hybridfahrzeugs 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Wie zuvor beschrieben weist die zweite, elektrische Antriebsvorrichtung 12 zwei Elektromaschinen 16 auf, zum Antreiben der Räder einer Fahrzeugachse 20, z. B. der Hinterachse oder der Vorderachse 20, welche jeweils ein zugeordnetes Rad der Achse antreiben können. Die jeweilige Elektromaschine 16 ist mit einem zugeordneten elektrischen Umrichter der Umrichtereinheit 24 über zwei Leitungsvorrichtungen 38, beispielsweise zwei Hochvoltverkabelungen, verbunden. Ein weiterer elektrischer Umrichter 25 ist über eine Leitungsvorrichtung 37, beispielsweise eine Hochvoltverkabelung, mit einem elektrischen Energiespeicher 22 verbunden, beispielsweise einer Schwungradspeichervorrichtung 22, wie in 2 gezeigt ist.
Zum Steuern der beiden Elektromaschinen 16 ist eine Steuervorrichtung oder Hybridsteuervorrichtung vorgesehen. Diese ist mit elektrischen Umrichtern der Umrichtereinheit 24 über jeweils eine Leitungsvorrichtung verbunden, siehe 1, sowie über eine Leitungsvorrichtung mit dem elektrischen Energiespeicher 22. Des Weiteren ist die Steuerungsvorrichtung mit der Motorsteuerungsvorrichtung verbunden, beispielsweise über ein Bussystem, z. B. ein CAN-Bussystem wie in 1 gezeigt ist.
3 zeigt des Weiteren ein Beispiel einer Anordnung der in 2 gezeigten zweiten, elektrischen Antriebsvorrichtung 12 in einem Hybridfahrzeug. Wie in dem Beispiel in 3 gezeigt ist, ist die zweite, elektrische Antriebsvorrichtung 12 zum Antreiben beider Räder der Vorderachse 20 vorgesehen und daher mit den Vorderrädern 18 verbunden. Genauer gesagt sind die Elektromaschinen 16 an der Vorderachse 20 und deren Vorderrädern 18 angeordnet. Des Weiteren ist die Umrichtereinheit 24 beispielsweise ebenfalls vorne im Hybridfahrzeug 10 in der Nähe oder bei den Elektromaschinen 16 oder der elektrischen Achse 20 angeordnet. Die Umrichtereinheit 24 könnte jedoch auch an jedem anderen Platz im Hybridfahrzeug 10 angeordnet werden, sofern er mit den Elektromaschinen 16 verbunden oder gekoppelt sind, um ihnen die notwendige elektrische Energie bereitzustellen. Als elektrischer Energiespeicher 22 ist beispielsweise ein Schwungradspeicher 22 vorgesehen. Dieser ist in dem in 3 gezeigten Beispiel im mittleren Bereich des Hybridfahrzeugs 10, d. h. im Bereich des Passagierraums des Hybridfahrzeugs 10, angeordnet. Der elektrische Energiespeicher 22 kann aber ebenso an jeder anderen Stelle im Fahrzeug 10 angeordnet sein, beispielsweise im vorderen Bereich, d. h. nahe der Vorderachse 20, oder im hinteren Bereich, d. h. nahe der Hinterachse des Hybridfahrzeuges 10, insbesondere im Bereich der Reserveradmulde. Alternativ sind als elektrischer Speicher zwei elektrisch miteinander gekoppelte Schwungräder vorgesehen, insbesondere angeordnet im Bereich der Rücksitzanlage des Hybridfahrzeuges 10. Dabei ist der elektrische Energiespeicher 22 über eine Leitungsvorrichtung 37 mit dem zugeordneten elektrischen Umrichter 25 verbunden und die Elektromaschinen 26 über zwei entsprechende Leitungsvorrichtungen 38 mit der Umrichtereinheit 24.
4 zeigt einen Ausschnitt der zweiten, elektrischen Antriebsvorrichtung 12 gemäß der Erfindung. Wie zuvor beschrieben weist die zweite, elektrische Antriebsvorrichtung 12 die Achse 20 mit den beiden Elektromaschinen 16 auf, zum Antreiben der beiden Räder der Achse 20, sowie den dazu gehörenden elektrischen Umrichtern der Umrichtereinheit 24. Dabei sind einmal zwei Leitungsvorrichtungen 38 gezeigt zum Verbinden der Elektromaschinen 16 mit den elektrischen Umrichtern. Die Elektromaschinen 16 treiben über eine jeweilige Stirnradstufe 17 und eine jeweilige Gelenkwelle 18 das jeweils zugeordnete Rad an. Die Umrichtereinheit 24 ist dabei in einem Gehäuse angeordnet, wie in nachfolgender 5 gezeigt ist.
5 zeigt die Umrichtereinheit 24, welche mit den beiden Elektromaschinen 16 über zwei Leitungsvorrichtungen 38 verbunden ist, und wobei die Umrichtereinheit 24 über eine weitere Leitungsvorrichtung 37 mit dem elektrischen Energiespeicher 22 verbunden ist. Die Umrichtereinheit 24 verfügt über ein Grundmodul 18 sowie ein mit dem Grundmodul 18 gekoppeltes Ergänzungsmodul 19. Das Grundmodul 18 umfasst dabei einen elektrischen Umrichter, welcher mit der einen Elektromaschine 16 zusammenwirkt, wohingegen das Ergänzungsmodul 19 einen elektrischen Umrichter umfasst, welcher mit der anderen Elektromaschinen 16 zusammenwirkt.
Das Grundmodul 18 umfasst neben dem Umrichter für die eine Elektromaschine 16 weiterhin Anschlüsse 21a, 21b zur Kühlung der Umrichtereinheit 24, wobei der Anschluss 21a einem Vorlauf und der Anschluss 21b einem Rücklauf für Kühlmittel entspricht. Über die Anschlüsse 21a, 21b für Kühlmittel kann die Umrichtereinheit 24 in einen Kühlmittelkreislauf eingebunden und gekühlt werden.
Zusätzlich zu den Anschlüssen 21a, 21b zur Kühlung der Umrichtereinheit 24 verfügt das Grundmodul 18 der Umrichtereinheit 24 weiterhin über einen Anschluss 37a zur elektrischen Kontaktierung des dem elektrischen Energiespeicher 22 zugeordneten Umrichters 25 über eine Leitungsvorrichtung 37.
Ferner verfügt das Grundmodul 18 der Umrichtereinheit 24 über einen Anschluss 38a zur elektrischen Kontaktierung der mit dem vom Grundmodul 18 aufgenommenen elektrischen Umrichter zusammenwirkenden einen Elektromaschine 16 über eine Leitungsvorrichtung 38.
Darüber hinaus umfasst das Grundmodul 18 der Umrichtereinheit 24 Befestigungsmittel 23, über welche die Umrichtereinheit 24 mechanisch an die Karosseriestruktur 28 des Hybridfahrzeugs 10 angebunden werden kann.
Das mit dem Grundmodul 18 gekoppelte bzw. koppelbare Ergänzungsmodul 19 umfasst, wie bereits erwähnt, den mit der anderen Elektromaschine 16 zusammenwirkenden elektrischen Umrichter sowie einen Anschluss 38a zur elektrischen Kontaktierung des vom Ergänzungsmodul 19 aufgenommenen elektrischen Umrichters mit der anderen Elektromaschine 16 über eine Leitungsvorrichtung 38. Das Ergänzungsmodul 19 der Umrichtereinheit 24 ist über das Grundmodul 18 an die Karosseriestruktur 28 mechanisch anbindbar. Ferner ist das Ergänzungsmodul 19 über das Grundmodul 18 kühlbar. Darüber hinaus ist der vom Ergänzungsmodul 19 aufgenommene, mit der anderen Elektromaschine 16 zusammenwirkende elektrische Umrichter über das Grundmodul 18 an den Umrichter 25 des elektrischen Energiespeichers 22 koppelbar.
Bei der Kopplung des Grundmoduls 18 und des Ergänzungsmoduls 19 greifen Vorsprünge, die am Gehäuse 27 des Grundmoduls 18 ausgebildet sind, in nicht sichtbare Vertiefungen des Gehäuses 29 des Ergänzungsmoduls 19 ein. Über an den Gehäusen 27, 29 ausgebildete Befestigungsabschnitte 43 können dieselben miteinander verschraubt werden.
In einer Ausführungsform ist zusätzlich eine weitere, dritte Elektromaschine vorgesehen, die der ersten Antriebsvorrichtung zugeordnet ist. Diese dritte Elektromaschine ermöglicht wenigstens einen zusätzlichen elektrischen Antrieb der Räder der von der Brennkraftmaschine 14 angetriebenen ersten Achse. Je nach Auslegung sind dann die Räder der ersten Achse alleine von der Brennkraftmaschine 14, gemeinsam von der Brennkraftmaschine 14 und der dritten Elektromaschine, oder sogar alleine von der dritten Elektromaschine, antreibbar. Die dritte Elektromaschine ist dabei generatorisch und/oder motorisch betreibbar. Im generatorischen Betrieb der dritten Elektromaschine sind der elektrische Energiespeicher 22 und/oder die Elektromaschinen 16 mit elektrischer Energie versorgbar.

Claims

Hybridfahrzeug, umfassend eine erste Antriebsvorrichtung zum Antrieb der Räder einer ersten Achse mit einer Brennkraftmaschine, sowie eine zweite Antriebsvorrichtung mit zwei Elektromaschinen zum Antrieb der Räder einer zweiten Achse, und wenigstens einen elektrischen Energiespeicher, der dann, wenn eine Elektromaschine motorisch betrieben wird, entladbar, und dann, wenn eine Elektromaschine generatorisch betrieben wird, aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektromaschinen (16) der elektrischen Antriebsvorrichtung mit einem jeweils zugeordneten Getriebe (17) in einer elektrischen Achse (12) zusammengefasst sind, zum Antrieb der einzeln aufgehängten Räder der ersten Achse über eine jeweilige Gelenkwelle (18), und wobei zwei den beiden Elektromaschinen jeweils zugeordnete elektrische Umrichter in einer Umrichtereinheit zusammengefasst sind.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Umrichtereinheit derart ausgebildet ist, dass ein Grundmodul (18) die mechanische Anbindung an eine Karosseriestruktur (28), die Anbindung an einen Kühlkreislauf (21a, 21b) sowie die elektrische Anbindung an einen elektrischen Energiespeicher (22) umfasst.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine (14) im hinteren Bereich des Hybridfahrzeuges angeordnet und zum Antrieb der Hinterachse vorgesehen ist, wobei die elektrische Achse als Vorderachse (20) vorgesehen ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine (14) im vorderen Bereich des Hybridfahrzeuges angeordnet und zum Antrieb der Hinterachse vorgesehen ist, wobei die elektrische Achse als Vorderachse (20) vorgesehen ist.
Hybridfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Energiespeicher als mindestens ein Schwungradspeicher ausgebildet ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei ein Schwungradspeicher im mittleren Bereich des Hybridfahrzeuges, insbesondere im Bereich des Beifahrersitzes oder im Bereich der Rücksitzanlage, angeordnet ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 5, wobei ein Schwungradspeicher im hinteren Bereich des Hybridfahrzeuges, insbesondere im Bereich der Reserveradmulde, angeordnet ist.
Hybridfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ersten Antriebsvorrichtung eine dritte Elektromaschine zugeordnet ist, mit der die Räder der ersten Achse wahlweise alleine, oder zusammen mit der Brennkraftmaschine, elektrisch antreibbar sind.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 8, wobei die dritte Elektromaschine auf einer Welle zum Antrieb der ersten Achse durch den Brennkraftmaschine angeordnet ist.