DE102021105170A1 - Hybridantrieb für ein Hybridelektrokraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung ist insbesondere ein Hybridantrieb für ein Hybridfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine sowie einen mit der elektrischen Maschine gekoppelten ersten elektrischen Energiespeicher zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Maschine aufweist, wobei der Hybridantrieb eine parallele Antriebsarchitektur aufweist und dazu der Verbrennungsmotor mechanisch mit einer Antriebsachse des Hybridelektrokraftfahrzeugs koppelbar ist. Der elektrische Energiespeicher ist als Niedervoltenergiespeicher ausgebildet. Weiterhin ist erfindungsgemäß ein zweiter Energiespeicher vorgesehen, der einerseits über einen Steuerschalter mit dem ersten Niedervoltenergiespeicher verbindbar ist, um diesen bedarfsweise zu laden, und der andererseits mit einem elektrischen Ladeanschluss verbunden ist, um selbst fahrzeugextern bereitgestellte elektrische Energie zu speichern.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Hybridelektrokraftfahrzeug aufweisend einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine sowie einen mit der elektrischen Maschine gekoppelten elektrischen Energiespeicher zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Maschine, wobei der Hybridantrieb eine parallele Antriebsarchitektur aufweist und dazu der Verbrennungsmotor mechanisch mit einer Antriebsachse des Hybridelektrokraftfahrzeugs koppelbar ist, und wobei der elektrische Energiespeicher als ein Niedervoltenergiespeicher ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Hybridelektrokraftfahrzeug.
  • Zum technischen Hintergrund wird beispielsweise auf die DE 10 2018 131 697 A1 hingewiesen. Hierbei ist der (einzige) Niedervoltenergiespeicher auch fahrzeugextern ladbar.
  • Vorliegend richtet sich das Interesse auf parallele Hybridantriebe bzw. hybride Antriebsstränge für Hybridelektrokraftfahrzeuge, kurz Hybridfahrzeuge. Solche Hybridantriebe weisen einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine sowie einen elektrischen Energiespeicher zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Maschine auf. Bei den parallelen Antriebsarchitekturen sind die Architekturen P0 bis P5 bekannt, welche sich hauptsächlich in der Position der elektrischen Maschine im Antriebsstrang und der damit verbundenen Funktion der elektrischen Maschine unterscheiden. Dabei können alle Architekturen in der Regel gewisse Grundfunktionen bereitstellen. Solche Grundfunktionen können beispielsweise eine Start-Stopp-Funktion, eine den Verbrennungsmotor unterstützende Boostfunktion und eine Rekuperationsfunktion, bei welcher Bremsenergie in den Energiespeicher zurückgespeist werden kann, sein. Mittels der elektrischen Maschine kann somit der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors verringert werden, weshalb Hybridfahrzeuge einen im Vergleich zu einem rein verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug reduzierten Schadstoffausstoß aufweisen.
  • Die Architekturen P2 bis P5 ermöglichen zusätzlich zu den Grundfunktionen die Rekuperation von Bremsenergie bei abgekoppeltem Verbrennungsmotor sowie eine rein elektrische Fahrt, ohne den Verbrennungsmotor „mitschleppen“ zu müssen. Um den rein elektrischen Fahrbetrieb bereitstellen zu können, weisen diese Architekturen in der Regel einen Hochvoltenergiespeicher mit hohen Energieinhalten auf. Solche Hochvoltenergiespeicher sind üblicherweise sehr teuer und erfordern außerdem kostenintensive Sicherheitsmaßnahmen am Kraftfahrzeug, beispielsweise Berührschutzmaßnahmen.
  • Die Architekturen P0 und P1 hingegen werden aufgrund der fehlenden Abkopplungsmöglichkeit des Verbrennungsmotors und der daraus resultierenden Schleppverluste zumeist nicht für eine rein elektrische Fahrt, sondern üblicherweise bei Start-Stopp-Systemen, Mikro- und Mildhybriden verwendet. Da bei diesen Architekturen der Verbrennungsmotor nicht von der elektrischen Maschine abgekoppelt werden kann, muss er auch beim Rekuperieren mitgeschleppt werden. Die dabei entstehenden Schleppverluste resultieren in einem im Vergleich zu den Architekturen P2 bis P5 verringerten Rekuperationspotential. Die Energiespeicher sind hier üblicherweise als kostengünstigere Niedervoltenergiespeicher, beispielsweise 48 V-Batterien, ausgebildet, deren Energieinhalt sich am maximal möglichen Rekuperationspotential der Architektur orientiert und üblicherweise zwischen 300 Wh und 1000 Wh beträgt. Auch die P0- und P1-Architekturen sorgen für einen verringerten Schadstoffausstoß, die Reduktionsmöglichkeiten des Schadstoffausstoßes sind jedoch begrenzt.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders kostengünstige, schadstoffausstoßarme und einfach zu fertigende parallele Antriebsarchitektur für ein Hybridelektrokraftfahrzeug bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hybridantrieb sowie ein Hybridelektrokraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
  • Die Erfindung ist insbesondere ein Hybridantrieb für ein Hybridfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine sowie einen mit der elektrischen Maschine gekoppelten ersten elektrischen Energiespeicher zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Maschine aufweist, wobei der Hybridantrieb eine parallele Antriebsarchitektur aufweist und dazu der Verbrennungsmotor mechanisch mit einer Antriebsachse des Hybridelektrokraftfahrzeugs koppelbar ist. Der elektrische Energiespeicher ist als Niedervoltenergiespeicher ausgebildet. Weiterhin ist erfindungsgemäß ein zweiter Energiespeicher vorgesehen, der einerseits über einen Steuerschalter mit dem ersten Niedervoltenergiespeicher verbindbar ist, um diesen bedarfsweise zu laden, und der andererseits mit einem elektrischen Ladeanschluss verbunden ist, um selbst fahrzeugextern bereitgestellte elektrische Energie zu speichern.
  • Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
    • Zur weiteren Verbesserung der CO2-Einsparungen sind weitere verbrauchsreduzierende Maßnahmen auch bei Fahrzeugen mit konventionellen teil-elektrifizierten Antrieben notwendig.
  • Bekannter Stand der Technik sind einerseits Antriebe mit 48V KSG (Kurbelwellen-Startergenerator in P1-Topologie = MHEV) und andererseits Hochvolt-Plug-in-Hybrid-Antriebe (Hochvolt-E-Maschine in P2-Topologie = PHEV). Der hohe CO2-Vorteil der PHEVs gegenüber den MHEVs erfordern gleichzeitig hohe Herstellkosten.
  • Gesucht wurden Maßnahmen zur weiteren CO2-Reduktion der konventionellen Antriebe ohne vollwertigem PHEV-Konzept. Die bekannten Konzepte dafür sind HEV-Antriebe (HV-E-Maschine mit kleinen Speichergrößen, nicht extern ladbar) sowie 48V-PHEVs mit gegenüber MHEVs deutlich vergrößerten Speichern und E-Maschinen-Leistungen. Nachteil dieser Konzepte ist ein gegenüber MHEV nur geringes CO2-Potenzial (HEV) oder deutlich erhöhte Herstellkosten (48V-PHEV).
  • Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die Plug-in-Funktionalität (externes Laden) auf Basis von 48V über einen separaten skalierbaren „Add-On“-Speicher umzusetzen, ohne die bestehende 48V-Topologie zu ändern. Somit ergeben sich gegenüber HEV höhere CO2-Potenziale bei gleichzeitig geringeren Mehrungen in den Herstellkosten. Der große Konzept-Sprung zum sogenannten „Fullspec“-48V-PHEV wird vermieden. Durch die Aufteilung der 48V-Funktionen zwischen den vorgesehenen Komponenten, also mit dem ersten Energiespeicher fahren sowie rekuperieren und mit dem zweiten Energiespeicher extern laden sowie zwischenspeichern, können die Anforderungen an diese Komponenten reduziert werden.
  • Dieses Konzept lässt sich nutzen, um beispielsweise eine Grundausstattung eines Hybridfahrzeuges mit einer Sonderausstattung zum „48V-Laden“ vorzusehen. Da die bestehende 48V-Antriebsarchitektur nicht verändert werden muss, kann eine kostengünstige und flexible Fahrzeugausstattung erreicht werden. Das erfindungsgemäße Hybridfahrzeug ist somit in der Grundausstattung ohne zweiten Energiespeicher schon fahrbar und kann durch den zweiten Energiespeicher als „Add-On“-Modul funktionell erweitert werden, ohne die Grundausstattung zu verändern.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur (1) zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hybridantriebs.
  • 1 zeigt ein Hybridelektrokraftfahrzeug 1 mit einem Hybridantrieb 2. Der Hybridantrieb 2 weist eine parallele Antriebsarchitektur auf, wobei die in 1 gezeigte Antriebsarchitektur als eine P1-Architektur ausgebildet ist. Der Hybridantrieb 2 kann aber auch eine andere parallele Architektur aufweisen. Der Hybridantrieb 2 weist einen Verbrennungsmotor 3 auf, welcher mit einem nicht näher dargestellten Kraftstofftank gekoppelt ist. Der Verbrennungsmotor 3 ist über einer Kurbelwelle direkt mit einer elektrischen Maschine 4 gekoppelt. Die elektrischen Maschine 4 ist mit einem Getriebe 5 gekoppelt, welches in üblicherweise über eine Antriebswelle mit einer Antriebsachse des Hybridfahrzeugs 1 verbunden ist.
  • Die elektrische Maschine 4 kann dazu ausgelegt sein, den Verbrennungsmotor 3 zum Bereitstellen einer Start-Stopp-Automatik zu starten und zu stoppen.
  • Außerdem kann die elektrische Maschine 4 zum Bereitstellen einer sogenannten Boostfunktion oder einer elektrischen Anfahrfunktion ebenfalls ein Drehmoment auf die Antriebsachse übertragen.
  • Die elektrische Maschine 4 wird von einem ersten elektrischen Energiespeicher 7 mit elektrischer Energie versorgt. Die elektrische Maschine 4 ist beispielsweise als eine Drehstrommaschine ausgebildet und über einen Wechselrichter 6 mit dem elektrischen Energiespeicher 7 verbunden, welcher den von dem elektrischen Energiespeicher 7 bereitgestellten Gleichstrom in einen Drehstrom umwandelt. Der elektrische Energiespeicher 7 ist als ein Niedervoltenergiespeicher ausgebildet und weist somit eine Spannung von kleiner 60 V auf. Beispielsweise kann der Hybridantrieb 2 als ein Mild-Hybridantrieb ausgebildet sein. Dazu ist der Niedervoltenergiespeicher 7 als eine 48 V-Batterie ausgebildet. Der Niedervoltenergiespeicher 7 kann im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 4 geladen werden.
  • Erfindungsgemäß kann der Niedervoltenergiespeicher 7 darüber hinaus über einen zusätzlichen zweiten Energiespeicher 8 („Add-On“, z.B. ebenfalls 48 V Speicher) geladen werden. Dazu weist das Hybridfahrzeug 1 ähnlich einem Plug-In-Hybridfahrzeug einen Ladeanschluss 10 auf. Der Ladeanschluss 10 ist über eine elektronische Steuereinheit 11 und eine elektrische Leitung mit dem zweiten Energiespeicher 8 verbunden. Der zweite Energiespeicher 8 ist über einen Steuerschalter 9 mit dem ersten Energiespeicher 7 verbindbar.
  • Die über den Ladeanschluss 10 zugeführte Energie wird vorzugsweise nur dem zweiten Niedervoltenergiespeicher 8 zum Laden bereitgestellt. Der Ladeanschluss 10 kann aufgrund der Niedervoltenergie berührschutzlos ausgebildet sein. Die Ladevorrichtung kann beispielsweise ein Heimstromnetz eines Nutzers des Hybridfahrzeugs 1 sein. Lediglich ergänzend wird auf optionale KühlVorrichtungen hingewiesen, die hierbei nicht erfindungswesentlich sind.
  • Erfindungswesentlich ist, dass ein Hybridfahrzeug 1 mit einem zweiten („Add-On“) Energiespeicher 8 ausgestattet werden kann, der fahrzeug-extern wie ein Plug-In-Hybrid geladen werden kann, um die elektrische Reichweite eines Mildhybridfahrzeuges 1 zu verlängern, ohne die übliche P1-Architektur zu verändern. Der zweite Energiespeicher 8 ist nicht durch Rekuperation ladbar wie der erste Energiespeicher 7, sondern dient sozusagen als Batterie-Extender. Die elektronische Steuereinheit 11 ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass der Steuerschalter 9 bei vorgegebenen Bedingungen zum Laden des ersten Energiespeichers 7 vor oder während der Fahrt geschlossen wird.
  • Der Steuerschalter 9 kann beispielsweise geschlossen werden, wenn das Hybridfahrzeug 1 abgestellt ist und der Ladeanschluss 10 nicht zum externen Laden an einer Ladevorrichtung angeschlossen ist. Zusätzlich oder alternativ kann der Steuerschalter 9 auch während der Fahrt geschlossen werden, wenn der Ladezustand des ersten Energiespeichers 7 einen definierten Schwellwert unterschritten hat.
  • 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 102018131697 A1 [0002]

Claims (6)

  1. Hybridantrieb (2) für ein Hybridelektrokraftfahrzeug (1) aufweisend einen Verbrennungsmotor (3), eine elektrische Maschine (4) sowie einen mit der elektrischen Maschine (4) gekoppelten ersten elektrischen Energiespeicher (7) zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Maschine (4), wobei der Hybridantrieb (2) eine parallele Antriebsarchitektur aufweist und dazu der Verbrennungsmotor (3) mechanisch mit einer Antriebsachse des Hybridelektrokraftfahrzeugs (1) koppelbar ist, wobei der elektrische Energiespeicher (7) als ein Niedervoltenergiespeicher ausgebildet ist, und wobei ein zweiter Energiespeicher (8) vorgesehen ist, der einerseits über einen Steuerschalter (9) mit dem ersten Niedervoltenergiespeicher (7) verbindbar ist, um diesen bedarfsweise zu laden, und der andererseits mit einem elektrischen Ladeanschluss (10) verbunden ist, um fahrzeugextern bereitgestellte elektrischer Energie zu speichern.
  2. Hybridantrieb (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit (11) vorgesehen ist, durch die der Steuerschalter (9) bei Vorliegen einer vorgegebenen Bedingung schließbar ist.
  3. Hybridantrieb (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschalter (9) geschlossen wird, wenn das Hybridfahrzeug (1) abgestellt ist und der Ladeanschluss (10) nicht zum externen Laden an einer Ladevorrichtung angeschlossen ist.
  4. Hybridantrieb (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschalter (9) geschlossen wird, wenn der Ladezustand des ersten Energiespeichers (7) einen definierten Schwellwert unterschritten hat.
  5. Hybridelektrokraftfahrzeug (1) aufweisend einen Hybridantrieb (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  6. Elektronische Steuereinheit (11) für ein Hybridelektrokraftfahrzeug (1) oder für einen Hybridantrieb (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Computerprogrammprodukt, durch das der Steuerschalter (9) zum Öffnen und Schließen abhängig vom Vorliegen vorgegebener Bedingungen ansteuerbar ist.
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