DE102012222433A1 - Hybrides Antriebssystem - Google Patents

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Abstract

Es wird ein hybrides Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer elektrischen Maschine (3), die antriebsmäßig auf ein Differential (5) einwirken, vorgeschlagen. Verbrennungsmotor (2) und elektrische Maschine (3) sind über ein Planetengetriebe (8) und eine weitere Getriebeeinheit (13) miteinander über eine Welle (16, 16‘) verbunden. Der Verbrennungsmotor (2) ist in einem engen Drehzahlbereich betreibbar und dient bevorzugt zum Laden einer an die elektrische Maschine (3) angeschlossenen Batterie (4).

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem hybriden Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, die über ein Getriebe miteinander in Verbindung stehen.
  • Stand der Technik
  • Bisher gibt es viele Hybridkonzepte, die alle ihre spezifische Vor- und Nachteile haben. Meist sind diese Systeme aufwendig konstruiert oder weisen nur in bestimmten Betriebspunkten Vorteile auf im Vergleich zu herkömmliche Antriebssträngen. Oft sind diese Konzepte nur für den Verbrauchszyklus optimiert. Im normalen Straßenbetrieb dagegen sind die Vorteile weitaus geringer. In diesen Konzepten wurden bereits atomatische und automatisierte Getriebe vorgesehen Beispielsweise geht aus DE 100 36 966 A1 ein Aufbau eines Hybridantriebs hervor, der eine Planetengetriebeverschaltung mit mehreren Zwischengliedern, Getrieben und Kupplungen vorsieht, um einen Elektromotor und eine Verbrennungskraftmaschine zu koppeln. Auch aus der DE 100 49 514 A1 geht ein Hybridantrieb hervor, der einen Elektromotor und eine Verbrennungskraftmaschine aufweist. In das Planetengetriebe sind zwei Kupplungen sowie eine Bremse integriert, wobei über die erste Kupplung und die zweite Kupplung der Elektromotor mit der Verbrennungskraftmaschine starr gekoppelt werden kann.
  • Aus der DE 10 2001 005 349 ist ein Hybridantrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine und mit einem Elektromotor bekannt, die über ein Planetengetriebe miteinander in Verbindung stehen, wobei zwischen einem Automatikgetriebe und dem Planetengetriebe eine Kupplung angeordnet ist und die Verbrennungskraftmaschine und der Elektromotor über ein Sonnenrad und einen Planetenträger miteinander verbunden sind. Diese Konzepte haben den Nachteil, dass die Getriebe aufwendig gestaltet sind, Motoren und elektrische Maschine auf den gemeinsamen Betrieb ausgelegt sind und komplex angesteuert werden müssen. Oft sind die Konzepte so ausgelegt, dass ein großes Batterievolumen eingesetzt werden muss, um den elektrischen Betrieb zu gewährleisten und die Verbrennungsmotoren in konventioneller Größe und für den Alleinbetrieb ausgelegt sind. Das Ziel, welches mit dem erfindungsgemäßen hybriden Antriebssystem verfolgt wird, ist, ein kostengünstiges und am unteren Rand des Kundenbedarfes angesiedeltes Antriebskonzept herzustellen.
  • Vorteilhafterweise wird ein hybride Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Motor und einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, die antriebsmäßig auf ein Differential einwirken, wobei Motor und elektrische Maschine über ein Planetengetriebe und eine weitere Getriebeeinheit miteinander verbunden sind. Der Motor ist in einem engen Drehzahlbereich betreibbar und dient bevorzugt zum Laden einer an die elektrische Maschine angeschlossenen Batterie, wobei das Planetengetriebe und die weitere Getriebeeinheit die Antriebslast bevorzugt auf die elektrische Maschine ausrichten. Durch den Betrieb des Motors in einem Drehzahlbereich ist eine einfache Ausgestaltung des Motors möglich. Ein potentiell einsetzbarer Verbrennungsmotor kann auf komplexe Steuerung verzichten und kleiner im Gewicht und Bauraum ausgelegt sein. Zur Optimierung von Kosten und Emission ist der Betrieb des Verbrennungsmotors nur in einer bzw. wenigen definierten Drehzahl(en) vorgesehen, lediglich die Last wird variiert. Damit kommen auch bisher weniger gebräuchliche Motorenkonzepte in Frage. Auch alternative Motoren wie eine Gasturbine lassen sich im erfindungsgemäßen Konzept einsetzen.
  • Vorteilhafterweise wird nur eine möglichst kleine Speicherbatterie im Fahrbetrieb einsetzt, die möglichst oft geladen wird und daher keinen großen Leistungsspeicher für die elektrische Maschine darstellen muss.
  • Vorteilhafterweise verwendet das Antriebssystem nur eine einzige elektrische Maschine und damit nur eine Leistungselektronik, wobei die elektrische Maschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, als Generator und als Startermaschine dient.
  • Vorteilhafterweise verbindet das Getriebe Elektro- und Verbrennungsmotor synergetisch. Das Getriebe ist so gestaltet, dass bei möglichst geringem Aufwand möglichst viele Funktionen bereitgestellt werden.
  • Die Bereitstellung der unterschiedlichen Funktionen gelingt durch ein sehr einfaches lastschaltbares zweistufiges Getriebe, das bisher durch seine Limitierungen nicht eingesetzt wird. Ein solches Getriebe kann Krat nur in einer Richtung übertragen, da Freiläufe vorhanden sind. Im erfindungsgemäßen Konzept wir der potentielle Nachteil vorteilhaft eingesetzt, um während des „Segelns“ den Motor zum Laden der Batterie einzusetzen.
  • Dabei wird für die einzelnen Funktionen vorteilhafterweise vorgesehen: ein Planetengetriebe zum Anfahren des Fahrzeugs, wobei das durchschaltbare Planetengetriebe als Ersatz der Kupplung dient und somit das Fahrzeug auch bei einer völlig entleerten Batterie einsetzbar ist. Gerade diese Funktion ermöglicht das Anfahren ohne konventionelle Kupplung mit einem Verbrennungsmotor, der bei einer optimalen Drehzahl betrieben wird und einer leeren Batterie. Weiterhin enthält das Getriebe eine Freilauffunktion, in der die Batterie geladen wird, ohne dass ein Antrieb des Fahrzeugs erfolgt („Segeln“). Eine weitere Funktion des Getriebes schaltet einen Mode-Schalter für kombiniertes bzw. rein elektrisches Fahren sowie die Rückgewinnung von Energie oder das Laden der Batterie im Stillstand des Fahrzeugs.
  • Beim Bauaufwand für form- oder reibschlüssige Kupplungen wurde besonders auf Einfachheit geachtet: Alle vier Kupplungen können durch lediglich zwei Aktuatoren betätigt werden.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus
  • 2 zeigt eine Darstellung im Stillstand
  • 3 zeigt eine Darstellung bei geschaltetem erstem Gang
  • 4 zeigt eine Darstellung Antrieb elektrische Maschine
  • 5 zeigt eine alternative Ausführungsform
  • Im Folgenden sind bestimmte mögliche Ausführungsformen dargestellt. Alle aufgeführten Prinzipien sind aber jeweils alleine bzw. in allen möglichen Kombination untereinander ebenfalls denkbar. Die Auswahl ist nach einer genaueren Untersuchung der technischen bzw. wirtschaftlichen Eignung anwendungsspezifisch zu treffen.
  • 1 zeigt einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Antriebssystems.
  • Das hybride Antriebssystem besteht aus zwei Hauptkomponenten, dem Verbrennungsmotor 2 sowie der elektrischen Maschine 3. Die elektrische Maschine 3 ist mit einer Batterie 4 verbunden. Weiterhin ist die elektrische Maschine 3 mit einer Leistungselektronik 7 verbunden. Beide Leistungsquellen, die elektrische Maschine 3 sowie der Verbrennungsmotor 2, sind über eine Welle 16 bzw 16‘ je nach Getriebestatus verbunden. Über die Welle 16 wird über Zahnradpaare 15, ein Differential 5 angetrieben.
  • Der Verbrennungsmotor 2 ist in der dargestellten Ausführungsform mit einem Dämpfungsglied 6 mit der Welle 16 verbunden. Das Dämpfungsglied 6 ist für die Dämpfung der Schwingungen des Verbrennungsmotors 2 notwendig, aber nicht zwingend für das erfindungsgemäße Konzept. Ein Planetengetriebe 8, und ein Getriebe 13 verbinden die beiden Energiequellen entlang der Welle 16, 16‘ sowie weitere in der Figur angedeuteten Wellen, die die Welle 16. 16‘ umfassen. Das Planetengetriebe 8 weist einen Planetenträger 9 auf, der ein Sonnenrad 10 sowie Planetenräder 11 beinhaltet. Das Getriebe 13 umfasst Getriebestufen die mit Kupplungen 12 geschaltet werden können. Mit 14 sind Freiläufe bezeichnet, die für die Funktion des hybriden Antriebs benötigt werden und als einseitig selbstsperrende Kupplungen ausgelegt sein können.
  • Die eingesetzte Batterie muss konzeptionell keine große Speicherkapazität aufweisen, eine kostengünstige Lösung sieht lediglich eine Batterie mit einer Energiespeicherung von 5 bis 15 kWh, was deutlich unter der Energieanforderung an ein bisheriges System liegt.
  • 2 zeigt das erfindungsgemäße Antriebssystem im Falle des Stillstandes des Fahrzeugs. Die Kupplungen C1, C2, C3 sind geöffnet und werden in der Zeichnung als offene Rechtecke dargestellt. Die Kupplung C4 im Planetengetriebe 8 ist dagegen geschlossen, was mit einem schwarz hinterlegten Rechteck gekennzeichnet ist. In dieser Getriebekonstellation mit den offenen Kupplungen C1 bis C3 ermöglicht die elektrische Maschine 3 den Start des Verbrennungsmotors 2. Die Welle 16‘ ist dabei direkt über das Sonnenrad 10 mit dem Planetenträger 9; dem Kupplungskorb der Kupplung C4 und der Welle 16 verbunden. Nachdem der Verbrennungsmotor 2 über die elektrische Maschine 3 gestartet wurde, kann der Verbrennungsmotor wiederum über die starre Verbindung zwischen den beiden Energiequellen die elektrische Maschine als Generator verwenden und die angeschlossene Batterie 4 laden. Die in 2 dargestellte Funktion wird nicht nur bei völligem Stillstand des Fahrzeuges aktiviert. Auch bei einfachem Rollen des Fahrzeuges ohne Last wird der Verbrennungsmotor aktiviert und lädt über den Generator, die elektrische Maschine 3, die Batterie 4. Mit dieser Funktion des Getriebes erhält man eine umgekehrte Start-Stoppautomatik, bei der im Stillstand des Fahrzeuges oder beim Rollenlassen des Fahrzeuges der Verbrennungsmotor aktiviert ist und die Batterie über die elektrische Maschine lädt.
  • 3 zeigt einen Zustand des Getriebes und der Kupplungen, der dem Anfahren des Fahrzeugs entspricht. Von den vier Kupplungen ist die Kupplung C2 geschlossen. Alle weiteren Kupplungen sind geöffnet. Beim Anfahren arbeitet das erfindungsgemäße Getriebe hinsichtlich der konstanten Drehzahl des Verbrennungsmotors wie ein stufenloses Getriebe (CVT). Beide Energiequellen, der Verbrennungsmotor 2 sowie die elektrische Maschine 3, bringen dabei Leistung über die erste Getriebestufe auf das Differential. Dabei fließt die Energie, die bei der Anpassung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 2 vorhanden ist, in die elektrische Maschine 3, so dass die Batterie 4 geladen wird. Die Schaltungsstellung der 3 wird auch zum Fahren mit dem Verbrennungsmotor verwendet, wenn die Batterie leer ist und die elektrische Maschine 3 keinen Anteil am Antrieb leisten kann. Um in den zweiten Gang zu schalten wird lediglich die Kupplung C3 zusätzlich zur Kupplung C2 geschlossen.
  • Dieses Überholgetriebe soll die Antriebswellendrehzahl auf die Abtriebswelle übertragen, wobei die Welle sich schneller als das Zahnrad drehen kann. In dieser Konstellation der Kupplungen dreht der elektrische Antrieb 3 in der ersten Stufe während der Verbrennungsmotor 2 in der zweiten Stufe dreht.
  • 4 stellt die Getriebesituation dar, wenn der Verbrennungsmotor 2 stillsteht. In diesem Fall ist die Kupplung C1 geschlossen, alle weiteren Kupplungen C2, C3, C4 sind geöffnet. In diesem Fall überträgt nur die elektrische Maschine 3 Drehmoment auf den Antriebsstrang. Dabei ist die Richtung des Antriebs von der Drehrichtung der elektrischen Maschine abhängig, so das damit ein Vorwärtsfahren aber auch ein Rückwärtsfahren realisiert werden kann.
  • Die bisher dargestellten Ausführungsformen verwenden Reibkupplungen um die verschiedenen Funktionen darzustellen. Da das System ein Basissystem für einen Antrieb darstellen soll und daher kostenoptimiert werden muss, ist es auch möglich Klauenkupplungen statt Reibkupplungen zumindest an den Positionen C1 und C2 zu verwenden. Für die Positionen C3 und C4 werden weiterhin Reibkupplungen eingesetzt, da die Anforderungen an dieser Stelle höher sind und sich die Reibkupplungen dafür besser eignen.
  • In 5 wird eine Ausführungsform dargestellt in der die Kupplungen C1 und C2 sowie die Kupplungen C3 und C4 immer zusammen aktuiert werden. Auf diese Art und Weise werden lediglich zwei Aktuatoren für die vier Kupplungen verwendet.
  • Weitere bauliche Anpassungen an die Aufgabe, eine kostengünstige Antriebssystemlösung vorzustellen sind möglich. Beispielsweise kann der Freilauf am zweiten Gang aus Kostengründen eingespart sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hybrides Antriebssystem
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    Elektrische Maschine
    4
    Batterie
    5
    Differential
    6
    Schwingungsdämpfer
    7
    Leitungselektronik
    8
    Planetengetriebe
    9
    Planetenträger
    10
    Sonnenrad
    11
    Planetenräder
    12
    Kupplungen C1 C2 C3 C4
    13
    Getriebe
    14
    Freilauf
    15
    Zahnradpaare
    16
    Welle
    16‘
    Welle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10036966 A1 [0002]
    • DE 10049514 A1 [0002]
    • DE 102001005349 [0003]

Claims (12)

  1. Hybrides Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer elektrischen Maschine (3), die antriebsmäßig auf ein Differential (5) einwirken, wobei Verbrennungsmotor (2) und elektrische Maschine (3) über ein Planetengetriebe (8) und eine weitere Getriebeeinheit (13) miteinander über eine Welle (16, 16‘) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) in einem engen Drehzahlbereich betreibbar ist und bevorzugt zum Laden einer an die elektrische Maschine (3) angeschlossenen Batterie (4) dient, wobei das Planetengetriebe (8) und die weitere Getriebeeinheit (13) so schaltbar sind, dass die Antriebsmomente bevorzugt von der elektrischen Maschine (3) auf das Diffential (5) einwirken.
  2. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (8) und das weitere Getriebe (13) mehrere Funktionen realisiert wie Anfahren, Umschaltung zum Fahren mit einer Antriebsquelle, Laden der Batterie, Segeln.
  3. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige klein dimensionierte Batterie (4) eingebaut ist.
  4. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige elektrische Maschine (3) mit angeschlossener Leistungselektronik (7) eingebaut ist.
  5. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die einzige elektrische Maschine (3) als Generator, als elektrischer Antrieb und als Startermaschine betreibbar ist.
  6. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (8) einen schaltbaren Durchtrieb aufweist.
  7. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Getriebe (13) lastschaltbares zweistufiges Getriebe mit Freilauf ist.
  8. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe über vier Kupplungen (12, C1, C2, C3, C4) schaltbar ist.
  9. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungen (12, C1, C2, C3, C4) paarweise schaltbar sind.
  10. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Kupplungen (C1, C2) Klauenkupplungen sind
  11. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungen (12, C1, C2, C3, C4) paarweise komplementär mit zwei Aktuatoren ansteuerbar sind
  12. Hybrides Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerung die Kontrolle der Lastverteilung regelt.
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