DE102016218311A1 - Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug, Hybridfahrzeug sowie Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors und Verfahren zum Laden eines Energiespeichers - Google Patents

Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug, Hybridfahrzeug sowie Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors und Verfahren zum Laden eines Energiespeichers Download PDF

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Abstract

Es wird eine Antriebseinheit (100) für ein Hybridfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (12), einem Elektromotor (14) und einem Fahrzeug-Getriebe (26) beschrieben, wobei eine Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) mittels einer Trennkupplung (20) mit einem Rotor (18) des Elektromotors (14) wahlweise drehkoppelbar ist und der Rotor (18) des Elektromotors (14) mit einer Eingangswelle (27) des Fahrzeug-Getriebes (26) drehfest verbunden ist. Zusätzlich ist der Rotor (18) über eine zuschaltbare Übersetzungseinheit mit der Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) drehkoppelbar. Darüber hinaus wird ein Hybridfahrzeug mit einer solchen Antriebseinheit (100) beschrieben. Weiter wird ein Verfahren zum Starten des Verbrennungsmotors (12) eines Hybridfahrzeugs und ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers (24) eines Hybridfahrzeugs erläutert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor und einem Fahrzeug-Getriebe, wobei eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mittels einer Trennkupplung mit einem Rotor des Elektromotors wahlweise drehkoppelbar ist und der Rotor des Elektromotors mit einer Eingangswelle des Fahrzeug-Getriebes drehfest verbunden ist.
  • Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Hybridfahrzeug mit einer Antriebseinheit.
  • Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Hybridfahrzeugs.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Hybridfahrzeugs.
  • Hybridfahrzeuge können in der Regel in drei Modi betrieben werden. Zum einen können sie unter alleiniger Nutzung des Verbrennungsmotors fahren (Verbrennungsbetrieb). Alternativ können Hybridfahrzeuge rein elektrisch, also ohne den Verbrennungsmotor zu nutzen, angetrieben werden (Elektrobetrieb). Des Weiteren können sie im Mischbetrieb, d. h. sowohl unter Nutzung des Verbrennungsmotors, als auch unter Nutzung des Elektromotors fahren.
  • Bei einem Wechsel vom Elektrobetrieb in den Verbrennungs- oder den Mischbetrieb muss der Verbrennungsmotor während der Fahrt gestartet werden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dafür eine sogenannte Startereinheit zu nutzen, die einen Elektromotor umfasst, mit dem der Verbrennungsmotor angeschleppt wird. Der Elektromotor der Startereinheit ist dabei nicht der elektrische Antriebsmotor des Hybridfahrzeugs.
  • Vor dem Hintergrund allgemeiner Bestrebungen, das Gewicht und die Kosten für Hybridfahrzeuge zu reduzieren, sind aus dem Stand der Technik Ansätze bekannt, die Startereinheit neben dem Anschleppen des Verbrennungsmotors für zusätzliche Aufgaben zu nutzen. Beispielsweise wird in der DE 10 2007 027 524 A1 eine Startereinheit beschrieben, die auch als Antrieb für einen Verdichter einer Fahrzeugklimaanlage genutzt wird. Damit wird das Gesamtgewicht des Hybridfahrzeugs gesenkt, da auf einen separaten Antrieb für den Verdichter verzichtet werden kann.
  • Darüber hinaus ist die grundsätzliche Idee bekannt, den Verbrennungsmotor mithilfe des Elektromotors der Antriebseinheit des Hybridfahrzeugs zu starten und so auf eine konventionelle Startereinheit zu verzichten.
  • Dabei muss beachtet werden, dass die Drehzahl des Elektromotors durch die Fahrgeschwindigkeit des Hybridfahrzeugs vorgegeben ist, wenn der Verbrennungsmotor während einer rein elektrischen Fahrt gestartet werden soll. Diese kann zum Beispiel 3000 U/Min. betragen. Gleichzeitig darf sich das vom Elektromotor an die Antriebsräder des Fahrzeugs abgegebene Drehmoment während dem Starten des Verbrennungsmotors im Wesentlichen nicht ändern, da solche Änderungen von den Insassen des Hybridfahrzeugs als Ruckeln und damit als unkomfortabel empfunden werden. Es muss also das zum Starten des Verbrennungsmotors notwendige Drehmoment zusätzlich zum an die Antriebsräder des Hybridfahrzeugs abzugebenden Drehmoment bereitgestellt werden.
  • Folglich müssen der Elektromotor und der zugehörige Energiespeicher im Vergleich zu einer Antriebseinheit eines Hybridfahrzeugs, die eine konventionelle Startereinheit nutzt, deutlich größer und leistungsstärker gestaltet werden. Beispielsweise müsste ein Elektromotor, der bei einer Drehzahl von 3000 U/Min. ein Drehmoment von 100 Nm zum Starten des Verbrennungsmotors bereitstellen soll, eine zusätzliche Leistung von ca. 30 kW abgeben können. Damit ist eine solche Antriebseinheit entsprechend teuer und schwer.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Antriebseinheit für einen Hybridfahrzeug zu schaffen, die ohne konventionelle Startereinheit auskommt und gleichzeitig ein geringes Gewicht aufweist sowie kostengünstig herstellbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art gelöst, bei der der Rotor des Elektromotors über eine zuschaltbare Übersetzungseinheit mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors drehkoppelbar ist. Der Verbrennungsmotor kann somit durch den Elektromotor gestartet, d. h. angeschleppt werden. Eine konventionelle Startereinheit ist nicht nötig. Dadurch, dass die Übersetzungseinheit zuschaltbar ist, ist die Kopplung zwischen dem Rotor des Elektromotors und der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors nicht dauerhaft. Die Kopplung findet nur statt, wenn der Verbrennungsmotor gestartet werden soll. Während des Startvorgangs ist die Trennkupplung geöffnet. Die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der Rotor des Elektromotors sind also ausschließlich über die zuschaltbare Übersetzungseinheit gekoppelt. Im Übrigen ist die Trennkupplung während der rein elektrischen Fahrt stets geöffnet. Durch die Übersetzungseinheit wird an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors eine kleinere Drehzahl, z. B. 300 U/Min, eingestellt als sie am Rotor des Elektromotors vorliegt, z. B. 3000 U/Min. Geht man von einem konstanten Start-Drehmoment des Verbrennungsmotors aus, z. B. 100 Nm, so ist die zum Starten eingebrachte Leistung im Vergleich zu einer Kopplung des Rotors mit der Kurbelwelle ohne Übersetzungseinheit deutlich geringer. Folglich können sowohl der Elektromotor als auch ein dem Elektromotor zugeordneter Energiespeicher kleiner dimensioniert werden. Damit sind diese Komponenten leichter im Gewicht und kostengünstiger herstellbar.
  • Die Übersetzungseinheit kann innerhalb oder außerhalb des Fahrzeug-Getriebes angeordnet sein. Die Übersetzungseinheit ist somit flexibel einsetzbar. Wenn sie außerhalb des Fahrzeug-Getriebes angeordnet wird, können bestehende Fahrzeug-Getriebe mit der Übersetzungseinheit ausgestattet werden, ohne dass diese geändert werden müssen. Wird die Übersetzungseinheit innerhalb des Fahrzeug-Getriebes angeordnet, z. B. innerhalb der Getriebeglocke, beansprucht sie nur einen sehr geringen Bauraum.
  • In einer Ausführungsform ist die Übersetzungseinheit bezogen auf die Energieflüsse parallel zur Trennkupplung und/oder zwischen Verbrennungsmotor und Fahrzeug-Getriebe angeordnet. Somit kann die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors entweder über die Trennkupplung oder über die Übersetzungseinheit mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt werden. Eine Kopplung über die Trennkupplung ist dabei in Betriebsmodi vorgesehen, in denen der Verbrennungsmotor für den Antrieb als Hybridfahrzeug genutzt wird, also im Misch- und im Verbrennungsbetrieb. Die Übersetzungseinheit wird genutzt, um den Verbrennungsmotor während des Elektrobetriebs zu starten. Insbesondere ist dabei die Übersetzungseinheit eine separate Einheit, die flexibel innerhalb der Antriebseinheit angeordnet werden kann.
  • Bevorzugt umfasst das Fahrzeug-Getriebe eine Anfahrkupplung. Die Anfahrkupplung ist dabei im Bereich der Eingangswelle des Fahrzeug-Getriebes angeordnet. Mithilfe der Anfahrkupplung kann das Fahrzeug-Getriebe antriebstechnisch vom Elektromotor und/oder dem Verbrennungsmotor getrennt werden. Für den Fall, dass als Fahrzeug-Getriebe ein manuelles Getriebe oder ein automatisiert schaltbares Getriebe mit diskreten Fahrstufen zum Einsatz kommt, wird die Anfahrkupplung zum Wechseln der Fahrstufen (Gänge) geöffnet. Durch das Öffnen der Anfahrkupplung während der Fahrt können darüber hinaus stets die Antriebsräder vom Elektromotor und/oder vom Verbrennungsmotor getrennt werden. Dies kann einerseits in einem Notfall erfolgen. Andererseits kann so ein sogenanntes Segeln des Hybridfahrzeugs realisiert werden. Alternativ kann die Anfahrkupplung zur sogenannten Rekuperation im Segeln geschlossen werden. Die Antriebseinheit kann also so betrieben werden, dass wenig Kraftstoff und/oder wenig in einem Energiespeicher gespeicherte Energie benötigt wird.
  • Vorteilhafterweise hat die Übersetzungseinheit ein Übersetzungsverhältnis im Bereich von 0,05 bis 0,2. Das Übersetzungsverhältnis wird dabei als das Verhältnis einer auf die Übersetzungseinheit bezogenen Abtriebsdrehzahl zu einer auf die Übersetzungseinheit bezogenen Antriebsdrehzahl berechnet. Auf das Drehmoment bezogen liegt das Übersetzungsverhältnis zwischen 5 und 20. Im genannten Bereich des Übersetzungsverhältnisses ist ein Starten des Verbrennungsmotors in jeder Betriebssituation der Antriebseinheit möglich. Gleichzeitig kann dabei die zum Starten des Verbrennungsmotors vom Elektromotor bereitzuhalten Leistung gering gehalten werden, sodass der Elektromotor und ein zugehöriger Energiespeicher verhältnismäßig klein und leicht ausgelegt werden können.
  • In einer Variante ist die Übersetzungseinheit ein mechanisches Reduktionsgetriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe. Das bedeutet, dass die Drehzahl des Rotors des Elektromotors durch die Übersetzungseinheit verkleinert wird. Für das Drehmoment gilt ein umgekehrtes Verhältnis, d. h. das Drehmoment wird durch die Übersetzungseinheit entsprechend vergrößert. Für diese Aufgabe stellt ein Planetengetriebe eine robuste und kompakt bauende Lösung dar. Die Zuschaltbarkeit der Übersetzungseinheit wird beim Verwenden eines mechanischen Reduktionsgetriebes durch eine Entkoppeleinheit realisiert.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist die Übersetzungseinheit eine elektromagnetische Übersetzungseinheit. Eine solche Übersetzungseinheit beansprucht wenig Bauraum und ist im Wesentlichen wartungsfrei.
  • Vorzugsweise umfasst die elektromagnetische Übersetzungseinheit einen ersten Übersetzungsrotor, der drehfest mit dem Rotor des Elektromotors verbunden ist, einen zweiten Übersetzungsrotor, der drehfest mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, und einen Übersetzungsstator, der mit dem ersten Übersetzungsrotor und dem zweiten Übersetzungsrotor zusammenwirkt. Die beiden Übersetzungsrotoren können dabei unterschiedlich lang sein, um ein Übersetzungsverhältnis einzustellen. Der erste Übersetzungsrotor und der Übersetzungsstator wirken dabei als elektrischer Generator zusammen. Dadurch wird ein Strom im Übersetzungsstator generiert. Der zweite Übersetzungsrotor und der Übersetzungsstator wirken als Elektromotor zusammen. Durch den im Übersetzungsstator fließenden Strom wird der zweite Übersetzungsrotor in eine Drehbewegung versetzt. Der erste Übersetzungsrotor, der zweite Übersetzungsrotor und der Übersetzungsstator berühren sich nicht, weshalb zwischen diesen Elementen kein Verschleiß entsteht. Darüber hinaus arbeitet eine solche Übersetzungseinheit weitgehend geräuschlos.
  • In einer Weiterbildung ist bzw. sind der erste Übersetzungsrotor und/oder der zweite Übersetzungsrotor entlang einer Rotorachse verschiebbar und so vom Übersetzungsstator entkoppelbar. Es kann somit die Übersetzungseinheit vom Rotor des Elektromotors und/oder der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors entkoppelt werden. Der Rotor des Elektromotors und die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors können somit nur dann gekoppelt werden, wenn dies zum Starten des Verbrennungsmotors notwendig ist. Darüber hinaus kann die elektromagnetische Übersetzungseinheit als Not-Lichtmaschine verwendet werden und die Stromversorgung im Bordnetz des Fahrzeugs sicherstellen, wenn z. B. der Elektromotor ausfällt.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Hybridfahrzeug zu schaffen, das ohne konventionelle Startereinheit auskommt und gleichzeitig ein geringes Gewicht aufweist sowie kostengünstig herstellbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch ein Hybridfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit gelöst. Ein solches Hybridfahrzeug benötigt keine konventionelle Startereinheit und ist somit im Vergleich zu bekannten Hybridfahrzeugen leichter. Darüber hinaus kann das Hybridfahrzeug durch den Verzicht auf eine Startereinheit kostengünstig hergestellt werden.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Verbrennungsmotor eines Hybridfahrzeugs ohne Zuhilfenahme einer konventionellen Startereinheit gestartet werden kann. Dabei soll das Verfahren die zum Starten des Verbrennungsmotors bereitgestellte Energie möglichst effizient ausnutzen. Gleichzeitig soll das Starten des Verbrennungsmotors so geschehen, dass der Fahrkomfort für die Insassen des Hybridfahrzeugs nicht beeinträchtigt wird. Darüber hinaus soll das Verfahren mit einem möglichst klein bauenden Elektromotor durchführbar sein.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors eines Hybridfahrzeuges gelöst, wobei das Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Elektromotor und ein Fahrzeug-Getriebe umfasst und eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mittels einer Trennkupplung mit einem Rotor des Elektromotors wahlweise drehkoppelbar ist und der Rotor des Elektromotors mit einer Eingangswelle des Fahrzeug-Getriebes drehfest verbunden ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • a) Drehkoppeln des Rotors des Elektromotors mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mittels einer Übersetzungseinheit,
    • b) Anschleppen des Verbrennungsmotors durch den Rotor des Elektromotors und
    • c) Geöffnethalten der Trennkupplung während der Schritte a) und b).
  • Vorzugsweise wird das Verfahren während einer elektrischen Fahrt ausgeführt und die vom Elektromotor an die Eingangswelle des Fahrzeug-Getriebes abgegebene Leistung konstant gehalten. Dadurch werden Einbußen im Fahrkomfort, zum Beispiel Ruckeln, wirksam verhindert.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Schritt b) die Kopplung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mit dem Rotor über die Übersetzungseinheit aufgehoben und vorzugsweise die Trennkupplung geschlossen. Nach dem Starten des Verbrennungsmotors ist also die Übersetzungseinheit von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und/oder dem Rotor des Elektromotors entkoppelt. Wenn dann die Trennkupplung geschlossen wird, treibt der Verbrennungsmotor zusätzlich oder anstatt des Elektromotors das Hybridfahrzeug an. Die Antriebseinheit des Hybridfahrzeugs befindet sich dann im Verbrennungs- oder Mischbetrieb. Das Verfahren bietet also eine einfache Möglichkeit, vom reinen Elektro-Betrieb in einen der vorgenannten Betriebsmodi umzuschalten.
  • Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Hybridfahrzeugs anzugeben, wobei das Hybridfahrzeug ohne konventionelle Startereinheit für den Verbrennungsmotor auskommt. Der Verbrennungsmotor soll dabei in einem möglichst verbrauchsarmen Drehzahlbereich betrieben werden.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Hybridfahrzeugs gelöst, wobei das Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Elektromotor und ein Fahrzeug-Getriebe umfasst und eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mittels einer Trennkupplung mit einem Rotor des Elektromotors wahlweise drehkoppelbar ist und der Rotor des Elektromotors mit einer Eingangswelle des Fahrzeug-Getriebes drehfest verbunden ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • a) Betreiben des Verbrennungsmotors und
    • b) Drehkoppeln des Rotors des Elektromotors mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mittels einer Übersetzungseinheit.
  • Der Elektromotor wirkt dann als Generator und lädt so den zugehörigen Energiespeicher auf. Dabei sorgt die Übersetzungseinheit dafür, dass der Verbrennungsmotor in einem Drehzahlbereich betrieben werden kann, in dem er nur wenig Kraftstoff verbraucht. Gleichzeitig kann der Elektromotor in einem Bereich mit einem hohen Generator-Wirkungsgrad betrieben werden. Vorzugsweise ist dabei die Eingangswelle des Fahrzeug-Getriebes vom restlichen Getriebe dreh-entkoppelt. Das Verfahren wird bevorzugt während des Bremsens des Hybridfahrzeugs durchgeführt. Auch kann es beim sogenannten Segeln oder im Stillstand des Hybridfahrzeugs durchgeführt werden. Das Laden des Energiespeichers über den Verbrennungsmotor und die Übersetzungseinheit ist in vielen Fällen noch möglich, wenn der Elektromotor einen Defekt hat, z. B. wenn es einen Kurzschluss in einem Wicklungsstrang gab. Es kann so eine sogenannte Notladefunktion realisiert werden. Der Energiespeicher wird also vom Verbrennungsmotor aufgeladen, wenn der Verbrennungsmotor zwar in Betrieb ist, seine Leistung aber nicht unbedingt für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird.
  • In einer Variante des Verfahrens ist die Trennkupplung beim Laden geöffnet. Der Verbrennungsmotor ist also lediglich über die Übersetzungseinheit mit dem Elektromotor gekoppelt.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
  • 1 eine Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug gemäß dem Stand der Technik,
  • 2 eine erfindungsgemäße Antriebseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug, wobei mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit das erfindungsgemäße Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Hybridfahrzeugs durchgeführt werden können, und
  • 3 eine erfindungsgemäße Antriebseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug, wobei mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit das erfindungsgemäße Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Hybridfahrzeugs durchgeführt werden können.
  • 1 zeigt eine bekannte Antriebseinheit 10 für ein nicht dargestelltes Hybridfahrzeug.
  • Die Antriebseinheit 10 umfasst einen Verbrennungsmotor 12 und einen Elektromotor 14. Dabei ist eine Kurbelwelle 16 des Verbrennungsmotors 12 über eine Trennkupplung 20 mit einem Rotor 18 des Elektromotors 14 verbindbar.
  • Der Elektromotor 14 umfasst darüber hinaus einen Stator 22, der von einem Energiespeicher 24, der im dargestellten Beispiel als Hochvoltspeicher ausgeführt ist, mit Strom versorgt wird.
  • Weiter beinhaltet die Antriebseinheit 10 ein Fahrzeug-Getriebe 26 mit einer Eingangswelle 27, die mit dem Rotor 18 drehfest verbunden ist.
  • Innerhalb des Fahrzeug-Getriebes 26 ist eine Anfahrkupplung 28 angeordnet, über die die Eingangswelle 27 mit den übrigen Bestandteilen des Fahrzeug-Getriebes 26 gekoppelt werden kann. Darüber hinaus verfügt das Fahrzeug-Getriebe 26 über eine Abtriebswelle 30, die mit den angetriebenen Rädern des Hybridfahrzeugs wirkverbunden ist.
  • Zum Starten des Verbrennungsmotors 12 umfasst die Antriebseinheit 10 eine Startereinheit 32. Diese ist u. a. aus einer Starterbatterie 34 und einem Startermotor 36 gebildet. Der Startermotor 36 ist dazu eingerichtet, den Verbrennungsmotor 12, genauer gesagt die Kurbelwelle 16, zum Starten des Verbrennungsmotors 12 anzuschleppen.
  • Mit der Antriebseinheit 10, und damit mit dem nicht dargestellten Hybridfahrzeug, sind drei Fahrmodi möglich.
  • In einem Verbrennungsbetrieb, in dem das nicht dargestellt Hybridfahrzeug ausschließlich vom Verbrennungsmotor 12 angetrieben wird, wird der Verbrennungsmotor 12 über die Startereinheit 32 gestartet. Sodann wird er über die Trennkupplung 20 und die Anfahrkupplung 28 mit dem Fahrzeug-Getriebe 26 und damit mit den angetriebenen Rädern des Hybridfahrzeugs gekoppelt.
  • Für den Fall, dass es sich beim Fahrzeug-Getriebe 26 um ein Getriebe mit diskreten Schaltstufen handelt, kann zum Wechseln der Schaltstufen die Anfahrkupplung 28 zeitweise geöffnet werden.
  • Auch ist ein Elektrobetrieb möglich, bei dem lediglich der Elektromotor 14 für den Antrieb des Hybridfahrzeugs genutzt wird. In einem solchen Fahrbetrieb wird der Verbrennungsmotor 12 nicht benötigt und durch Öffnen der Trennkupplung 20 vom Rest der Antriebseinheit 10 abgekoppelt.
  • Der Elektromotor 14 treibt das Hybridfahrzeug über die Anfahrkupplung 28 an.
  • Ebenfalls ist ein Mischbetrieb möglich, bei dem das Hybridfahrzeug sowohl vom Elektromotor 14 als auch vom Verbrennungsmotor 12 angetrieben wird.
  • Wenn der Mischbetrieb ausgehend vom Elektrobetrieb eingestellt werden soll, muss der Verbrennungsmotor 12 zunächst über die Startereinheit 32 gestartet werden. Dafür wird der Startermotor 36 von der Starterbatterie 34 mit Strom versorgt und schleppt die Kurbelwelle 16 des Verbrennungsmotors 12 an. Sobald der Verbrennungsmotor 12 läuft, kann er über die Trennkupplung 20 mit den übrigen Komponenten der Antriebseinheit 10 verbunden werden.
  • Im Folgenden wird anhand der 2 und 3 die Erfindung erläutert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden für Komponenten, die bereits im Zusammenhang mit der 1 genannt wurden, die gleichen Bezugszeichen verwendet.
  • Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Antriebseinheit 100 für ein nicht dargestelltes Hybridfahrzeug.
  • In dieser Ausführungsform ist der Rotor 18 des Elektromotors 14 über eine Übersetzungseinheit mit der Kurbelwelle 16 des Verbrennungsmotors 12 koppelbar. Die Übersetzungseinheit ist hier ein Planetengetriebe 38.
  • Bezogen auf die Energieflüsse ist das Planetengetriebe 38 parallel zur Trennkupplung 20 angeordnet und befindet sich zwischen dem Verbrennungsmotor 12 und dem Fahrzeug-Getriebe 26.
  • Das Planetengetriebe 38 ist mittels einer Entkoppeleinheit 39 zuschaltbar gestaltet, das heißt, es kann wahlweise eine Kopplung zwischen der Kurbelwelle 16 und dem Rotor 18 des Elektromotors 14 herstellen oder aufheben.
  • Auch mit der Antriebseinheit 100 können die drei oben beschriebenen Fahrmodi realisiert werden.
  • Die Antriebseinheit 100 umfasst keine Startereinheit. Der Verbrennungsmotor 12 wird stattdessen über das Planetengetriebe 38 vom Elektromotor 14 gestartet. Dafür wird die Kurbelwelle 16 des Verbrennungsmotors über das Planetengetriebe 38 mit dem Rotor 18 des Elektromotors 14 drehgekoppelt und die Trennkupplung 20 geöffnet.
  • Ein Starten des Verbrennungsmotors 12 ist insbesondere nötig, wenn die Antriebseinheit 100 vom Elektrobetrieb in den Mischbetrieb überführt wird.
  • Beispielsweise ist es dabei möglich, dass sich der Rotor 18 des Elektromotors 14 im Elektrobetrieb mit einer Drehzahl von 3000 U/Min. dreht. Nun soll der Verbrennungsmotor 12 gestartet werden. Dafür wird bei weiterhin geöffneter Trennkupplung 20 der Rotor 18 des Elektromotors 14 mit der Kurbelwelle 16 des Verbrennungsmotors 12 über das Planetengetriebe 38 drehgekoppelt und so der Verbrennungsmotor 12 angeschleppt.
  • Das Planetengetriebe 38 ist ein Reduktionsgetriebe und weist ein Übersetzungsverhältnis von z. B. 0,1 auf. Dann treibt der Rotor 18 die Kurbelwelle 16 mit einer Drehzahl von 300 U/Min. an.
  • Ebenfalls wird ein Drehmoment vom Planetengetriebe 38 übersetzt. So muss zum Beispiel für das Starten des Verbrennungsmotors ein Drehmoment von 100 Nm bereitgestellt werden. Unter der Annahme einer verlustfreien Übersetzungseinheit muss also vom Elektromotor 14 eine Leistung von ca. 3 kW bereitgestellt werden, um den Verbrennungsmotor 12 zu starten.
  • Nach dem Starten des Verbrennungsmotors 12 kann die Kopplung der Kurbelwelle 16 mit dem Rotor 18 wieder aufgehoben werden. Der Verbrennungsmotor 12 kann dann über die Trennkupplung 20 mit den übrigen Komponenten der Antriebseinheit 100 gekoppelt werden und so gemeinsam mit dem Elektromotor 14 oder alleine das Hybridfahrzeug antreiben.
  • Das Starten des Verbrennungsmotors 12 erfolgt insbesondere während der Fahrt im Elektrobetrieb.
  • Um den Komfort der Fahrzeuginsassen nicht durch Ruckeln o.ä. zu stören, wird während des Startens des Verbrennungsmotors 12 die an die Eingangswelle 27 des Fahrzeug-Getriebes 26 abgegebene Leistung konstant gehalten.
  • Das Planetengetriebe 38 kann auch genutzt werden, um den Energiespeicher 24 mit Hilfe des Verbrennungsmotos 12 zu laden. Dann wird der Verbrennungsmotor 12, genauer gesagt dessen Kurbelwelle 16, über das Planetengetriebe 38 mit dem Rotor 18 des Elektromotors 14 gekoppelt. Die Trennkupplung 20 ist dabei geöffnet.
  • Der Elektromotor 14 wirkt nun als Generator und lädt den Energiespeicher 24.
  • Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Antriebseinheit 200.
  • Die Übersetzungseinheit ist hier als eine elektromagnetische Übersetzungseinheit 40 ausgestaltet. Diese umfasst einen ersten Übersetzungsrotor 42, der mit dem Rotor 18 des Elektromotors 14 verbunden ist, und einen zweiten Übersetzungsrotor 44, der mit der Kurbelwelle 16 verbunden ist. Die beiden Übersetzungsrotoren 42, 44 wirken mit einem Übersetzungsstator 46 zusammen.
  • Soll nun wieder der Verbrennungsmotor 12 durch den Elektromotor 14 gestartet werden, so wird der Rotor 18 über die elektromagnetische Übersetzungseinheit 40 mit der Kurbelwelle 16 drehgekoppelt. Die Trennkupplung 20 ist dabei geöffnet.
  • Zur Kopplung des Rotors 18 mit der Kurbelwelle 16 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der zweite Übersetzungsrotor 44 so entlang einer Rotorachse 48 verschiebbar, dass er mit dem Übersetzungsstator 46 und damit mit dem ersten Übersetzungsrotor 42 in Wirkverbindung gebracht werden kann.
  • Ist dies der Fall, wirkt der erste Übersetzungsrotor 42, der drehfest mit dem Rotor 18 verbunden ist, als Generator mit dem Übersetzungsstator 46 zusammen. Das bedeutet, dass durch ein Drehen des ersten Übersetzungsrotors 42 ein Strom im Übersetzungsstator 46 generiert wird.
  • Der Übersetzungsstator 46 und der zweite Übersetzungsrotor 44 wirken dann als Elektromotor zusammen. Das bedeutet, dass der im Übersetzungsstator 46 fließende Strom den zweiten Übersetzungsrotor 44 in eine Drehbewegung versetzt.
  • Das Übersetzungsverhältnis der elektromagnetischen Übersetzungseinheit 40 kann wie im ersten Ausführungsbeispiel nach 2 gewählt sein.
  • Wenn der Verbrennungsmotor 12 mithilfe der elektromagnetischen Übersetzungseinheit 40 gestartet wurde, kann die Kopplung zwischen dem Rotor 18 und der Kurbelwelle 16 wieder aufgehoben werden.
  • Dazu wird der zweite Übersetzungsrotor 44 so entlang der Rotorachse 48 verschoben, dass er nicht mehr mit dem Übersetzungsstator 46 zusammenwirkt. Dann kann die Trennkupplung 20 geschlossen werden, sodass der Verbrennungsmotor 12 für den Antrieb des Hybridfahrzeugs genutzt wird.
  • Auch mit der Antriebseinheit 200 ist ein Laden des Energiespeichers 24 möglich. Das Verfahren erfolgt analog zur Ausführungsform, die in 2 beschrieben wurde.
  • 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 102007027524 A1 [0007]

Claims (14)

  1. Antriebseinheit (100, 200) für ein Hybridfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (12), einem Elektromotor (14) und einem Fahrzeug-Getriebe (26), wobei eine Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) mittels einer Trennkupplung (20) mit einem Rotor (18) des Elektromotors (14) wahlweise drehkoppelbar ist und der Rotor (18) des Elektromotors (14) mit einer Eingangswelle (27) des Fahrzeug-Getriebes (26) drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) über eine zuschaltbare Übersetzungseinheit mit der Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) drehkoppelbar ist.
  2. Antriebseinheit (100, 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungseinheit bezogen auf die Energieflüsse parallel zur Trennkupplung (20) und/oder zwischen Verbrennungsmotor (12) und Fahrzeug-Getriebe (26) angeordnet ist.
  3. Antriebseinheit (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug-Getriebe (26) eine Anfahrkupplung (28) umfasst.
  4. Antriebseinheit (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungseinheit ein Übersetzungsverhältnis im Bereich von 0,05 bis 0,2 hat.
  5. Antriebseinheit (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungseinheit ein mechanisches Reduktionsgetriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe (38), ist.
  6. Antriebseinheit (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungseinheit eine elektromagnetische Übersetzungseinheit (40) ist.
  7. Antriebseinheit (100, 200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Übersetzungseinheit (40) einen ersten Übersetzungsrotor (42), der drehfest mit dem Rotor (18) des Elektromotors (14) verbunden ist, einen zweiten Übersetzungsrotor (44), der drehfest mit der Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) verbunden ist, und einen Übersetzungsstator (46) umfasst, der mit dem ersten Übersetzungsrotor (42) und dem zweiten Übersetzungsrotor (44) zusammenwirkt.
  8. Antriebseinheit (100, 200) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Übersetzungsrotor (42) und/oder der zweite Übersetzungsrotor (44) entlang einer Rotorachse (48) verschiebbar ist bzw. sind und so vom Übersetzungsstator (46) entkoppelbar ist bzw. sind.
  9. Hybridfahrzeug mit einer Antriebseinheit (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (12) eines Hybridfahrzeuges, wobei das Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor (12), einen Elektromotor (14) und ein Fahrzeug-Getriebe (26) umfasst und eine Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) mittels einer Trennkupplung (20) mit einem Rotor (18) des Elektromotors (14) wahlweise drehkoppelbar ist und der Rotor (18) des Elektromotors (14) mit einer Eingangswelle (27) des Fahrzeug-Getriebes (26) drehfest verbunden ist, mit den folgenden Schritten: a) Drehkoppeln des Rotors (18) des Elektromotors (14) mit der Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) mittels einer Übersetzungseinheit, b) Anschleppen des Verbrennungsmotors (12) durch den Rotor (18) des Elektromotors (14) und c) Geöffnethalten der Trennkupplung (20) während der Schritte a) und b).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es während einer elektrischen Fahrt ausgeführt wird und die vom Elektromotor (14) an die Eingangswelle (27) des Fahrzeug-Getriebes (26) abgegebene Leistung konstant gehalten wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt b) die Kopplung der Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) mit dem Rotor (18) über die Übersetzungseinheit aufgehoben wird und vorzugsweise die Trennkupplung (20) geschlossen wird.
  13. Verfahren zum Laden eines Energiespeichers (24) eines Hybridfahrzeugs, wobei das Hybridfahrzeug einen Verbrennungsmotor (12), einen Elektromotor (14) und ein Fahrzeug-Getriebe (26) umfasst und eine Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) mittels einer Trennkupplung (20) mit einem Rotor (18) des Elektromotors (14) wahlweise drehkoppelbar ist und der Rotor (18) des Elektromotors (14) mit einer Eingangswelle (27) des Fahrzeug-Getriebes (26) drehfest verbunden ist, mit den folgenden Schritten: a) Betreiben des Verbrennungsmotors (12) und b) Drehkoppeln des Rotors (18) des Elektromotors (14) mit der Kurbelwelle (16) des Verbrennungsmotors (12) mittels einer Übersetzungseinheit.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (20) beim Laden geöffnet ist.
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