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Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antriebsstrang für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb eines einen solchen Antriebsstrang aufweisenden Fahrzeugs.
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Hybridantriebe für Fahrzeuge und insbesondere Kraftfahrzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass diese sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor aufweisen, die entweder separat oder gemeinsam die für den Antrieb des Fahrzeugs erforderliche Antriebsleistung aufbringen. Es werden bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge realisiert, die sich insbesondere in der unterschiedlichen Zusammenschaltung von Verbrennungs- und Elektromotor auszeichnen.
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Funktional können Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge folgendermaßen klassifiziert werden: Start-Stopp-System, Mild-Hybrid, Strong-Hybrid sowie Plug-In-Hybrid.
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Bei dem Start-Stopp-System als einfachste Form eines Hybridantriebs erfolgt eine Anpassung der Steuerung eines von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Generators (Lichtmaschine), wobei vorgesehen ist, im normalen Fahrbetrieb den Generator mit einer im Vergleich zu konventionellen Antrieben geringeren Leistung zu betreiben und die Leistung des Generators in Schubphasen des Verbrennungsmotors zu erhöhen, um einen höheren Anteil der im Schubbetrieb abgebauten kinetischen Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umzuwandeln. Dies wird auch als Regeneration bzw. Rekuperation bezeichnet.
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Der Mild-Hybrid bietet neben der Start-Stopp-Funktion die Möglichkeit des regenerativen Bremsens, sowie des hybridischen Fahrens einschließlich generatorischem und motorischem Betrieb. Rein elektrisches Fahren ist jedoch nicht möglich, was insbesondere auf die starre Verbindung zwischen Verbrennungs- und Elektromotor zurückzuführen ist, die durch ein Mitschleppen des abgeschalteten Verbrennungsmotors mit einer hohen Verlustleistung verbunden wäre.
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Der Strong-Hybrid kann zusätzlich zur Funktion des Mild-Hybrids über mehr oder weniger kurze Strecken allein mit dem elektrischen Antrieb fahren. Der Verbrennungsmotor wird dabei in der Regel abgestellt und über eine Kupplung von dem Elektromotor entkoppelt.
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Bei einem Plug-In-Hybrid handelt es sich um eine Weiterentwicklung eines Strong-Hybrids, bei dem die zusätzliche Möglichkeit besteht, den Akkumulator, aus dem der Elektromotor gespeist wird, nicht nur über den Generator sondern auch über eine externe Energiequelle und insbesondere eine Steckdose zu laden.
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Die verschiedenen Hybridkonzepte wurden bereits in einer Vielzahl von Antriebskonfigurationen realisiert. Diese lassen sich im Wesentlichen in Parallelhybrid, Serienhybridantrieb, Axle-Split-Parallelhybrid und leistungsverzweigenden Hybridantrieb unterteilen.
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Bei Parallelhybrid-Fahrzeugen tragen der Verbrennungsmotor und ein elektrischer Antrieb unabhängig voneinander zum Fahrzeugantrieb bei. Die beiden Energieflüsse aus Verbrennungsmotor und Batterie laufen somit parallel zueinander, die beiden Leistungen addieren sich zu einer Gesamtantriebsleistung. Dabei wird in der Regel eine mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor vorgesehen, die entweder dauerhaft ist (zur Ausbildung eines Mild-Hybrids) oder über eine Trennkupplung trennbar ist (zur Ausbildung eines Strong-Hybrids).
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Bei einem seriellen Hybridantrieb ist dagegen keine mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor vorgesehen. Vielmehr treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an, der den Akkumulator speist, der wiederum den Elektromotor speist, der für den alleinigen Antrieb des Kraftfahrzeugs zuständig ist.
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Beim Axle-Split-Parallelhybrid ist dagegen vorgesehen, eine erste von mindestens zwei Antriebsachsen über den Verbrennungsmotor anzutreiben und eine zweite Antriebsachse von dem Elektromotor, der wiederum aus dem von dem Generator gespeisten Akkumulator mit der benötigten elektrischen Energie versorgt wird.
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Leistungsverzweigende Hybridantriebe kombinieren Merkmale von parallelen und seriellen Hybridantrieben. Dabei wird ein Teil der Leistung des Verbrennungsmotors durch einen Generator in elektrische Leistung umgewandelt, und der verbliebene Teil treibt zusammen mit einem zweiten elektrischen Antrieb das Fahrzeug an.
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Wesentlicher Nachteil der bereits existierenden Hybridantriebe ist deren technische Komplexität, die mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist. Eine Nachrüstung bestehender konventioneller Kraftfahrzeuge zur Ausbildung eines Hybridantriebs ist aufgrund dieser Komplexität nicht oder nur unter einem unverhältnismäßig großen Aufwand möglich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen einfachen und dadurch kostengünstigen Hybridantrieb für Fahrzeuge zu realisieren. Insbesondere sollte der erfindungsgemäße Hybridantrieb auch eine entsprechende Nachrüstung konventioneller Fahrzeuge ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang für ein Fahrzeug umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor, eine Kupplung, eine von dem Verbrennungsmotor über die Kupplung antreibbare Antriebswelle sowie einen Elektromotor. Der Elektromotor weist einen Rotor auf, der in die Antriebswelle integriert ist. Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße Antriebsstrang zudem noch einen von dem Verbrennungsmotor angetriebenen bzw. antreibbaren Generator und einen von dem Generator gespeisten Akkumulator, der wiederum zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie vorgesehen ist.
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Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist, dass dieser im Wesentlichen einem konventionellen Standardantrieb entspricht, und für die Ausbildung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs somit im Wesentlichen nur ein Elektromotor bzw. dessen Rotor in die Antriebswelle, bei der es sich beispielsweise um eine Kardanwelle handeln kann, integriert werden muss. Da der erfindungsgemäße Antriebsstrang gegenüber einem konventionellen Standardantrieb keine wesentlichen Änderungen der technischen Grundstruktur des Fahrzeugs erfordert, sondern lediglich der Elektromotor in die Antriebswelle integriert und mit einer elektrischen Energiequelle verbunden werden muss, wird durch die Erfindung eine vorteilhafte Möglichkeit geboten, Fahrzeuge mit konventionellen Standardantrieben auf einfache Weise und mit geringen Kosten nachzurüsten.
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Um für den Betrieb des Elektromotors eine ausreichende elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen kann vorgesehen sein, den Generator (Lichtmaschine) sowie den Akkumulator des konventionellen Antriebs durch entsprechend leistungsfähigere Aggregate zu ersetzen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang derart zu betreiben, dass bei einem Betrieb des Elektromotors die Kupplung geöffnet und somit keine mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Antriebswelle mehr besteht. Die Antriebsleistung soll dann somit ausschließlich von dem Elektromotor übernommen werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Elektromotor nur dann in Betrieb genommen werden soll, wenn das Fahrzeug bereits eine Endgeschwindigkeit erreicht hat und diese Endgeschwindigkeit möglichst konstant gehalten werden soll. Im Gegensatz zu Beschleunigungsvorgängen ist für die Aufrechterhaltung einer (deutlich unterhalb der Höchstgeschwindigkeit liegenden) Konstantgeschwindigkeit eine relative geringe Leistung erforderlich. Diese kann auch von einem entsprechend klein dimensionierten Elektromotor übernommen werden. Der Elektromotor wird somit vorzugsweise lediglich bei einer Konstantfahrt des Fahrzeugs und dann auch nur vorzugsweise in der Ebene oder bei geringfügigen Steigungen eingesetzt. Übersteigt die erforderliche Antriebsleistung zur Aufrechterhaltung der Konstantgeschwindigkeit die maximal Leistung des Elektromotors kann wiederum vorgesehen sein, die Kupplung zu schließen und den Elektromotor zu deaktivieren und somit die Antriebsleistung ausschließlich über den Verbrennungsmotor aufzubringen.
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Ein Antrieb des Kraftfahrzeugs im dynamischen Betrieb, d. h. bei Beschleunigung soll vorzugsweise ebenfalls über den Verbrennungsmotor erfolgen. Wird dagegen das Kraftfahrzeug abgebremst bzw. verzögert, wird vorzugsweise wiederum der Elektromotor aktiviert um durch eine Regeneration von kinetischer Energie in elektrische Energie die Energiebilanz weiter zu verbessern.
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Vorzugsweise ist nicht vorgesehen (jedoch möglich), den Verbrennungsmotor abzuschalten, solange der Elektromotor im Betrieb ist. Vielmehr ist vorgesehen, den Verbrennungsmotor weiter zu betreiben, um den Generator anzutreiben, der dadurch den Elektromotor mit der benötigten elektrischen Energie versorgen kann. Wird der Elektromotor nicht betrieben, so kann der Verbrennungsmotor über den Generator den Akkumulator weiter laden, bis dieser voll geladen ist. Neben dem Verbrennungsmotor-Generator-Verbund kann auch noch eine oder mehrere weitere Energiequelle zur Speisung/Ladung des Akkumulators vorgesehen sein. Insbesondere kann es sich hierbei um eine oder mehrere Solarzellen handeln.
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Da vorzugsweise vorgesehen ist, denn Elektromotor des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs nur dann in Betrieb zu nehmen, wenn eine Konstantgeschwindigkeit des Fahrzeugs aufrecht gehalten werden soll, eignet sich der erfindungsgemäße Antriebsstrang insbesondere für solche Fahrzeuge, bei denen über lange Strecken mit relativ geringer Konstantgeschwindigkeit gefahren wird. Hierbei handelt es sich insbesondere um Lastkraftfahrzeuge und Reisebusse sowie um Schiffe.
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Lastkraftfahrzeuge, Reisebusse und Schiffe weisen noch den Vorteil relativ großer exponierter Flächen auf, auf denen Solarzellen zur Speisung/Ladung des Akkumulators angeordnet werden können. Bei Lastkraftfahrzeugen, bei denen das Dach des Laderaums mit Solarzellen bedeckt ist, wird dann als zusätzlicher Vorteil realisiert, dass Eisbruch, d. h. das Herabfallen bei der Fahrt von Eis, das sich im Stillstand des Fahrzeugs auf dem Dach des Lastkraftfahrzeugs gebildet hat, weitgehend verhindert werden kann, da die Solarzellen regelmäßig formstabil sind und dadurch keine Vertiefung zur Ansammlung von Wasser ausbilden und diese sich zudem in Folge Ihrer konstruktiven Ausgestaltung auch schon bei geringer Sonneneinstrahlung erwärmen und dadurch die Ausbildung von Eis verhindern oder ausgebildetes Eis wieder abschmelzen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1: in einer Seitenansicht ein Lastkraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang; und
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2: das Lastkraftfahrzeug der 1 in einer Ansicht von unten.
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Die 1 und 2 zeigen ein Lastkraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Der Antriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor 1, dessen Antriebswelle (Kurbelwelle) mit einer Trennkupplung 2 verbunden ist, die wiederum mit der Eingangswelle eines Stufengetriebes 3 verbunden ist. In bekannter Art und Weise können über das Stufengetriebe 3 verschiedene Übersetzungen ausgewählt werden, über die eine Eingangs- und eine Ausgangswelle des Stufengetriebes 3 mechanisch zur Übertragung von Antriebsleistung miteinander verbunden sind. Dadurch kann eine Übersetzung der Drehzahl der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu der Drehzahl der Ausgangswelle des Stufengetriebes erreicht werden.
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Für einen Wechsel der Übersetzungsstufen des Stufengetriebes 3 wird die Trennkupplung 2 geöffnet, so dass temporär der Leistungsfluss von dem Verbrennungsmotor 1 auf das Stufengetriebe 3 unterbrochen ist. Dadurch wird ein schonender Wechsel der Übersetzungsstufen des Stufengetriebes 3 erreicht.
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Die Ausgangswelle des Stufengetriebes 3 ist mit einer Kardanwelle 4 verbunden, die wiederum fest mit einer Eingangswelle eines Differenzialgetriebes 5 verbunden ist. Das Differenzialgetriebe 5 ist Teil einer Antriebsachse 6 des Lastkraftfahrzeugs.
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Erfindungsgemäß ist in die Kardanwelle 4 ein Elektromotor 7 derart integriert, dass ein Rotor des Elektromotors 7 einen integralen Bestandteil der Kardanwelle 4 ausbildet. Diese Integration kann über einfache Weise über Flansche 8 erfolgen, so dass eine Nachrüstung eines konventionellen Lastkraftfahrzeuges auf einfache Weise möglich ist. Ein Gehäuse des Elektromotors 7 einschließlich eines Stators sind fest mit einem Leiterrahmen 9 des Lastkraftfahrzeugs verbunden, wodurch eine Abstützung der von dem Elektromotor 7 erzeugten Antriebsmomente an dem Leiterrahmen 9 erreicht wird.
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Der Elektromotor 7 wird für den Betrieb aus einem Akkumulator 10 (z. B. Lithium-Ionen-Akkumulator) mit elektrischer Energie versorgt. Weiterhin besteht die Möglichkeit den Akkumulator 10 selbst über einen von dem Verbrennungsmotor 1 direkt angetriebenen Generator 11 zu laden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, den Akkumulator 10 über Solarzellen (nicht dargestellt), die auf dem Dach des Lastkraftfahrzeugs angeordnet sind, zu speisen, bzw. laden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Elektromotor 7 lediglich dann in Betrieb zu nehmen, wenn das Lastkraftfahrzeug seine gesetzlich limitierte Endgeschwindigkeit erreicht hat. Über den Elektromotor 7 wird somit versucht, diese Endgeschwindigkeit konstant zu halten. Ist der Elektromotor 7 im Betrieb, wird automatisiert über eine Steuerungsvorrichtung die Trennkupplung 2 geöffnet. Dabei wird der Verbrennungsmotor 1 jedoch weiter betrieben, um über den Generator 11 den Akkumulator 10 zu laden, so dass sichergestellt werden kann, dass dieser eine ausreichende elektrische Leistung zum Antrieb des Elektromotors 7 zur Verfügung stellt. Die erfindungsgemäße Verwendung des Elektromotors 7 lediglich bei einer Konstantfahrt mit einer relativ geringen Geschwindigkeit (im Vergleich zu der rechnerisch infolge der Leistung des Verbrennungsmotors erreichbaren theoretischen Geschwindigkeit) ermöglicht eine entsprechend leistungsschwache Dimensionierung des Elektromotors 7.
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Bei Beschleunigungsvorgängen des Lastkraftfahrzeugs ist dagegen kein Betrieb des Elektromotors 7 vorgesehen, sondern der Antrieb des Lastkraftfahrzeugs wird ausschließlich mittels des Verbrennungsmotors 1 realisiert. Dabei wird der Rotor des Elektromotors 7 infolge der Integration in die Kardanwelle 4 zwar mitrotiert, dies verursacht aufgrund der relativ geringen Trägheit und einer regelmäßig sehr reibungsarmen Lagerung des Rotors jedoch nur eine geringe Verlustleistung.
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Ein ausschließlicher Antrieb des Lastkraftwagens über den Verbrennungsmotor 7 ist auch dann vorgesehen, wenn bei einer Konstantfahrt die erforderliche Antriebsleistung die Maximalleistung des Elektromotors 7 überschreitet, beispielsweise an größeren Steigungen. Dann wird der Verbrennungsmotor 1 durch ein Schließen der Trennkupplung wieder eingekuppelt, wobei vorgesehen sein kann, den Elektromotor 7 abzuschalten oder zumindest kurzzeitig – unterstützend mitlaufen zu lassen.
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Bei einer gewünschten Verzögerung der Fahrgeschwindigkeit des Lastkraftfahrzeugs kann der Elektromotor 7 zudem vorzugsweise zum regenerativen Bremsen eingesetzt werden. Dabei wird der Elektromotor 7 mit vorzugsweise maximaler Generatorleistung als (weiterer) Generator eingesetzt, um den Akkumulator 10 wieder zu laden.
