DE102011053657A1

DE102011053657A1 - Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011053657A1
Application number: DE102011053657A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Huber Fahrzeugtechnik
Current assignee: Huber Fahrzeugtechnik
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: DE102011053657B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Antriebsstrang. Das Antriebssystem weist weiter einen Elektromotor auf, welcher über ein Zwischengetriebe zusätzlich oder alternativ zum Verbrennungsmotor dem Antriebsstrang zuschaltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein KFZ. Spezifisch betrifft die Erfindung ein KFZ mit schaltbarem Hybridantrieb (Switch Hybrid).
Gegenstand der Erfindung ist eine neuartige elektronisch steuerbare Vorrichtung an einem KFZ mit Verbrennungsmotor, z. B. LKW, mit ganz oder teilweise elektrischem Antrieb, wobei fünf unterschiedliche schaltbare Antriebs-Modi vom KFZ Führer eingestellt werden können. Dabei sind insbesondere ein Modus mit reinem Verbrennungsmotorantrieb vorgesehen und zudem ein garantiert emissionsfreier Modus mit reinem Elektromotorantrieb und optional zudem ein Modus mit erzwungener Vollaufladung der Elektroantriebsbatterie. Diese schaltbaren Modi werden realisiert durch Softwarefunktionen, die entweder in einem Fahrzeug-Steuergerät integriert werden oder alternativ durch ein Steuergerät auf höchster Hierarchie, das seinerseits die Steuergeräte des Verbrennungsmotors und des Elektroantriebes inkl. Batterie steuert realisiert werden. Die wahlweise Zuschaltung des Verbrennungsmotors und/oder des Elektromotors als Antrieb der Radachse erfolgt über ein Dualantriebsgetriebe, das z. B. die Kardanwelle unterteilend montiert ist, an dem es zwei krafteinspeisende Wellen gibt und eine Kraftausleitende Welle. Optional werden das Dualantriebsgetriebe und der Elektroantrieb mit Batterien sowie auch das Zentralsteuergerät als Nachrüstsatz ausgeführt und in ein KFZ mit Verbrennungsmotor nachgerüstet, so dass ein Hybridfahrzeug entsteht.
Herkömmliche Hybridfahrzeige sind seit Jahren weltweit bekannt und im Einsatz. Dabei gibt es unterschiedliche Ausführungsformen und Konzepte, vom Mikrohybrid mit Start Stopp Funktion über Mildhybrid mit untergeordneter Leistungsunterstützung bis zum so genannten Vollhybrid wie die PKWs von, bei denen der Verbrennungsmotor zwar mitläuft, bei denen aber die Leistung der Elektroantriebe für den vollen Fahrbetrieb ausreicht. All den bekannten Hybridfahrzeugen ist gemeinsam, dass eine Regelelektronik steuert, zu welchem Grad der Elektroantrieb aktiv am Antrieb beteiligt ist, wann der Elektroantrieb rückwärts als Ladegenerator benutzt wird (z. B. beim Bremsen) und wann und zu welchem Ausmaß der Verbrennungsmotor den Antrieb übernimmt und optional zudem die Ladeenergie bereit stellt. Nachteilig an diesen Hybridformen ist, dass der Fahrer selbst auf die Funktion der Steuerungsautomatik angewiesen ist, also nicht selbst aktiv entscheiden kann, wann die Elektroantriebsbatterien geladen werden und wann nicht. Im Endeffekt bedeutet dies auch, dass bisher nicht sichergestellt werden kann, dass sich das Hybridfahrzeug tatsächlich im Emissionsfreien Modus bewegt. Die Vergünstigungen wie z. B. besondere Fahrerlaubnis auf ausgezeichneten Fahrspuren wie in Kalifornien oder Einfahrtserlaubnis wie in Deutschland für Bereiche mit Grüner Emissionsschutzzone 4 werden bisher also auf die Möglichkeit hin gewährt, dass das Fahrzeug theoretisch einen günstigen Betriebszustand erreichen kann, unabhängig davon, ob es tatsächlich in einem günstigen betriebszustand fährt oder nicht. Im Detail darf man mit einem Vollhybrid in Kalifornien auch dann auf der linken Spur fahren, wenn man soeben mit leerer Batterie und 100% Verbrennungsantrieb unterwegs ist. Weiterhin ist nachteilig, dass in den bisher bekannten Hybridfahrzeugen keine Vorrichtungen vorhanden sind, die es dem Fahrzeugführer ermöglichen würden, ganz gezielt und definiert einen rein elektrischen und somit garantiert emissionsfreien Antriebsmodus einzustellen, also faktisch vergleichbar mit einem reinen Elektroauto zu fahren. Insbesondere fehlen die Bedienelemente für diesen Zweck am Armaturenbrett und es fehlen auch die geeigneten Getriebe, um die jeweils nicht aktiven Motoren vollständig vom Radantrieb abzukoppeln. Schließlich besteht angesichts der Investitionskosten für Neufahrzeuge auch eine preiswerte Möglichkeit, um ein bereits vorhandenes KFZ mit Verbrennungsmotor, z. B. einen LKW, durch einen Nachrüstsatz zum Hybridfahrzeug mit oben genannten Eigenschaften aufzurüsten.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hybridfahrzeug mit definiert schaltbaren Antriebsmodi bereitzustellen, das in der Lage ist, auf Wunsch des Fahrers einen Modus zu wählen und beizubehalten.
Modus a) Reiner Verbrennungsantrieb mit abgekoppeltem Elektromotor (Läufer dreht sich nicht mit)
Modus b) Hybridantrieb mit Steuerung des Leistungsmix von Elektroantrieb (vor allem bei geringen Drehzahlen) und des Verbrennungsantrieb (in dessen Effizienzbereich).
Modus c) reiner Elektroantrieb mit abgekoppeltem und abgeschaltetem Verbrennungsmotor, emissionsfrei und ohne Kraftstoffverbrauch.
Modus d) Manuelle Rekuperation (Batterieladefunktion beim Verzögern) durch Betätigen des Rekuperationschalters mit optionaler Start Stopp Automatik.
Modus e) optional im Stand oder bei Fahrt: Ladebetrieb mit Energieerzeugung durch Verbrennungsmotor und Ladefunktion für die Elektroantriebsbatterie, aber kein Elektromotorantrieb, also kein Batterieenergieverbrauch.
Der wirtschaftliche Nutzen der Erfindung liegt zum einen in der erhöhten Energieeffizienz, zum anderen im reduzierten Schadstoffausstoß, aber vor allem auch in der Möglichkeit, mit einem KFZ gezielt den Anforderungen an Emissionsverhalten gerecht werden zu können (emissionsfreier Elektroantrieb) sowie auch die Vorbereitung auf einen möglichst langen Einsatz als Elektrofahrzeug ohne Ladesteckdose gezielt auslösen zu können. Weiteres Ziel ist es, vorhandene KFZ mit verbrennungsantrieb zum Hybridfahrzeug aufrüsten zu können.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein KFZ mit einem Verbrennungsmotor und einem Antriebsstrang. Weiter weist das Antriebssystem einen Elektromotor auf, welcher über ein Zwischengetriebe zusätzlich oder alternativ zum Verbrennungsmotor dem Antriebsstrang zuschaltbar ist.
Insbesondere beinhaltet die Vorrichtung/Anordnung/das Antriebssystem ein übergeordnetes Steuergerät 10 (oder alternativ Funktionsalgorithmen im Steuergerät), einen Rekuperationsschalter 11, einen Verbrennungsmotor 0, ein Zwischengetriebe 1, einen Elektromotor 2, eine Gelenkwelle 5, eine Elektroantriebsbatterie 8 und einen Radantrieb 9. Das Getriebe 1 ist so gebaut, dass es Drehmoment von Elektromotor 2 und/oder von Verbrennungsmotor 0 aufnehmen kann, um es an Radantrieb 9 weiter zu leiten, wahlweise auch Drehmoment von Verbrennungsmotor 0 abgeben und an den Elektromotor 2 übertragen kann oder vom Radantrieb 9 aufnehmen und an den Elektromotor 2 übertragen kann. Getriebe 1 hat die Eigenschaft, dass Verbrennungsmotor 0 vollständig vom Radantrieb 9 abgekoppelt werden kann und ebenso Elektromotor 2 vollständig abgekoppelt werden kann. Insbesondere erlaubt dies den Betriebsmodus 1, in dem nur der Verbrennungsmotor 0 am Radantrieb 9 angekoppelt ist, während der Elektromotor 2 abgekoppelt ist und auch bei Fahrt still steht. Die Modi a bis e ergeben aus den Variationen der Schaltzustände am Getriebe 1 in Kombination mit der Lastart am Elektromotor 2, der im Umkehrbetrieb als Ladegenerator für die Elektroantriebsbatterie 8 wirkt. Steuerungstechnisch wird das Ziel erreicht durch Einsatz einer übergeordneten Hybridsteuerzentrale, die hierarchisch oberhalb der Motorsteuerung des Verbrennungsmotors angesiedelt ist. Die Nachrüstbarkeit wird dadurch erreicht, dass die Kardanwelle 5 unterbrochen wird, das Zwischengetriebe 1 eingesetzt wird, der Elektromotor 2 angebracht wird, mit den erforderlichen Wandlern und Leitungen, und dass wieder aufladbare Elektroantriebsbatterien 8 angebracht werden.
Im Gegensatz zu Mikrohybriden ist die Leistung des Elektroantriebes voll ausreichend für den Fahrbetrieb. Im Gegensatz zu den Mildhybrids ist die Fahrleistung ausreichend und zudem kann der Elektromotor mechanisch vom Radantrieb voll abgekoppelt werden, so dass sich der Läufer des Elektromotors nicht dreht.
Im Gegensatz zu den Vollhybriden kann der Elektromotor mechanisch vom Radantrieb voll abgekoppelt werden, so dass sich der Läufer des Elektromotors nicht dreht.
Im Gegensatz zu allen bekannten Hybridformen verfügt der erfindungsgemäße Hybrid (Switch Hybrid) über definiert schaltbare Modi a bis d und optional e, wobei insbesondere ein Modus definiert ist, in dem garantiert keine Emissionen des Verbrennungsmotors auftreten können.
Im Gegensatz zu allen bekannten Hybridformen verfügt der Switch Hybrid zudem über einen Schalter, der die Aufladung der Elektroantriebsbatterie manuell auslöst.
Weiterer Unterschied: Das Zwischengetriebe 1 hat im Gegensatz zu Allradgetrieben zwei Achsen, an denen Motorkraft eingekoppelt wird/werden kann, nämlich eine von Verbrennungsmotor 0 und eine von Elektromotor 2. Und es verfügt über eine Achse, an der der Radantrieb 9 angekoppelt ist/werden kann. Allradverteilergetriebe haben hingegen einen Motorantrieb und zwei angehende Radantriebswellen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen erläutert.
1 zeigt systematisch die Anordnung der Elemente 0 bis 10 in einem Switch Hybrid KFZ

1a) Gesamtsystem
1b) Detail Zwischengetriebe 1 mit Motorantrieben 0 und 2 sowie Radantrieb 9
1c) Detail Steuergerät 10 mit Einflussnahme über „Schalter” S0 und S2 auf Motoren 0 und 2 sowie Zwischengetriebe 1 und Batterie 8 sowie über Schalter S5 die Antriebswelle 5 und Radantrieb 9. Damit werden die verschiedenen Modi a bis e geschaltet: a) Verbrennungsantrieb b) Hybridantrieb Leistungsgeregelt etc. c) Elektroantrieb emissionsfrei d) Verzögerungsbetrieb und Start/Stopp e) Batterieladebetrieb

2 zeigt das User Interface zur Einstellung der Antriebsmodi

2a) Als integriertes Interface 12 als Teil eines MMI (Design Typ), wobei man in dieser Ansicht über einen Speller oder Joystick die Auswahl treffen kann, z. B. Modus „nur Elektro”
2b) Als nachrüstbares Interface 21 mit Befestigung am Armaturenbrett 20 mit Tachometerkonsole 30, wobei Rekuperationsschalter 11 für Ladebetrieb angebracht ist.

Eine bevorzugte Ausführung umfasst ein KFZ/LKW mit Dieselmotor- oder Ottomotor- oder anderer Verbrennungsmotor-Getriebeeinheit 0, die über eine Kardanwelle 5 die Radachse 9 antreibt, wobei zusätzlich ein Zwischengetriebe 1 vor, bzw. in die Kardanwelle zum Radantrieb eingebaut ist, das über eine zweite antreibbare Achse verfügt, an der ein Elektromotor 2 schaltbar angekoppelt ist. Desweiteren umfasst das Fahrzeug elektrische Leitungen, Energiewandler wie Wechselrichter, Steuergeräte und wiederaufladbare Elektroantriebsbatterien jeweils für eine so hohe Leistung, dass dies für den Fahrbetrieb mit Reichweiten des KFZ bis z. B. 30 bis 300 km ausreichend ist.
Eine besonders bevorzugte Ausführung nach obigem Beispiel wird als Nachrüstsatz nachträglich in ein bereits bestehendes verbbrennungsmotorisches KFZ eingebaut, so dass ein schaltbarer Hybrid (Switch Hybrid) entsteht.
In einer weiter bevorzugten Ausführung wird das Switch Hybrid Antriebssystem durch ein hierarchisch an höchster Stelle sitzendes Steuergerät 10 gesteuert, das seinerseits die Aktivitäten des Motorsteuergerätes des Verbrennungsmotors 0 steuert.
In einer weiter bevorzugten Ausführung umfasst das Antriebssystem, insbesondere die Steuerung, eine manuell schaltbare bzw. einstellbare Vorrichtung bzw. ein Bedienelement (z. B. einen Rekuperationsschalter), mit dessen Hilfe der KFZ Führer die Aufladung der Elektroantriebsbatterien veranlassen kann, z. B. um gezielt vorausschauend eine Vollladung der Batterien (ohne Ladestromanschluss, wahlweise stehend oder auch in Fahrt) auszuführen.
Der Rekuperationsschalter 11 ist eine manuell schaltbare bzw. einstellbare Vorrichtung bzw. ein Bedienelement, das optional mehrstufig ausgeführt sein kann. Mit dem Rekuperatiosschalter wird der Grad der Verzögerung, bzw. der Rekuperation festgelegt.
Das Zwischengetriebe 1 ist in einer besonderen Ausführung ein Klauengetriebe, das nicht unter Last geschalten werden kann.
Das Zwischengetriebe 1 ist in einer alternativen besonderen Ausführung ein Kupplungsgetriebe, das auch unter Last geschalten werden kann.
Der Elektromotor 2 ist bevorzugt ein Antriebsmotor mit sehr hohem Wirkungsgrad und geringer Verlustleistung mit Dauerbelastbarkeit.
Die Elektroantriebsbatterien verfügen bevorzugt über hohe Energiedichte und hohe Leistungsdichte, wie z. B. durch Lithium Akkumulatoren erreicht werden kann.
Die Komponenten 1, 2, 8, 10 und Zubehör 3, 6, 7 sind in einer besonders bevorzugten Ausführung als modellspezifischer Nachrüstsatz vorbereitet und werden im nachrüstverfahren eingebaut.
In einer alternativen ebenfalls sehr bevorzugten Ausführung sind die erfindungsgemäßen Bauteile 0, 1, 2, 8, 10 bereits im Auslieferungszustand in das KFZ integriert.
Das Bedienelement für den Batterielademodus ist bevorzugt in das Bedienelement für den Antriebsmodus integriert und wirkt auf die Steuerung 10.
Alternativ, vor allem für Nachrüstsätze, ist das das Bedienelement für den Batterielademodus als Handschalter ausgeführt.
Eine besonders bevorzugte Ausführung verfügt zudem über ein Nachweissystem, das den betriebszustand des KFZ dokumentiert und damit belegt, wie weit das KFZ in der vergangenen Zeit im emissionsfreien Modus betrieben wurde, optional verbunden mit Geotracking.

Claims

Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Antriebsstrang und mit einem Elektromotor, welcher über ein Zwischengetriebe zusätzlich oder alternativ zum Verbrennungsmotor dem Antriebsstrang zuschaltbar ist.