DE112010003165T5

DE112010003165T5 - Direkte elektrische verbindung für ein mehrmotorigeshybridantriebssystem

Info

Publication number: DE112010003165T5
Application number: DE112010003165T
Authority: DE
Inventors: Paul Boskovitch; Axel J. RADERMACHER
Original assignee: Fisker Automotive Inc
Current assignee: Fisker Automotive Inc
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2012-11-08
Also published as: US20120186391A1; WO2010151828A9; JP2012531355A; DE112010002649T5; US8602144B2; CN102481835B; JP2012531354A; WO2010151775A1; US20120187758A1; WO2010151828A1; CN102458900A; CN102481835A

Abstract

Ein System für ein Hybridfahrzeug besteht aus einem Verbrennungsmotor; einem ersten Stromrichter gekoppelt mit einem zweiten Stromrichter; einer an den Motor und den ersten Stromrichter gekoppelten ersten Elektromaschine; einer an den zweiten Stromrichter gekoppelten zweiten Elektromaschine; und einem zwischen der ersten Elektromaschine und der zweiten Elektromaschine angeordneten Schaltkasten. Zum Schaltkasten gehören Schalter zum Öffnen und Schließen, um eine direkte elektrischen Verbindung von der ersten Elektromaschine zur zweiten Elektromaschine zu ermöglichen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung nimmt Bezug auf die vorläufigen US-Patentanmeldungen Nr. 61/220.421, eingereicht am 25. Juni 2009, Nr. 61/288709, eingereicht am 21. Dezember 2009, und Nr. 61/294722, eingereicht am 13. Januar 2010, deren Offenlegungen in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin aufgenommen werden.
HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft allgemein ein Hybridfahrzeug und insbesondere einen Antriebsstrang für Serienhybrid-Elektrofahrzeuge.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Fahrzeuge, z. B. Kraftfahrzeuge, verwenden eine Energiequelle, um die zum Betrieb des Fahrzeugs benötigte Energie bereitzustellen. Zwar herrschen Energiequellen auf Erdölbasis vor, jedoch stehen alternative Energiequellen, wie Methanol, Äthanol, Erdgas, Wasserstoff, Strom, Sonnenenergie usw. zur Verfügung. Ein Fahrzeug mit Hybridantrieb nutzt zum Antrieb des Fahrzeugs eine Kombination von Energiequellen. Derartige Fahrzeuge sind wünschenswert, da sie sich die Vorzüge mehrerer Energieträger zunutze machen, um die Leistungs- und Reichweitenmerkmale des Hybridfahrzeugs im Verhältnis zu einem vergleichbaren, mit Benzin angetriebenen Fahrzeug zu verbessern.
Bei einem Serienhybridfahrzeug wird die von einem auf einen Generator montierten Verbrennungsmotor erzeugte Energie dazu verwendet, den die Räder antreibenden Elektromotor zu speisen. Bei dieser Anordnung wird Energie vom Verbrennungsmotor über verschiedene vordefinierte Umwandlungspunkte auf die Räder übertragen. Dieses System funktioniert zwar, jedoch liegt der Wirkungsgrad jedes Umwandlungspunktes unter 100%, so dass es während des gesamten Prozesses zu Energieverlusten kommt. Folglich steigt der Kraftstoffverbrauch und es können größere und teurere Bauteile erforderlich sein, um den Energiebedarf zu befriedigen. Außerdem müssen der Verbrennungsmotor, der Generator und der Generator-Inverter alle so dimensioniert sein, dass sie die Spitzenleistung des Verbrennungsmotors aufnehmen können.
Es besteht also in der Technik Bedarf an einem System und einem Verfahren zur Verringerung der Energieverluste durch direkte elektrische Verbindungen zwischen den Bauteilen und an einer Minimierung der Bauteilgröße. Außerdem verlangt die Technik nach einem Antriebssystem, das die Energieverluste durch direkte elektrische Verbindungen zwischen den Bauteilen reduziert und ein Getriebe zwischen dem Verbrennungsmotor und der Elektromaschine (die primär als Generator wirkt) einschließt, um den betrieblichen Systemwirkungsgrad des Verbrennungsmotors und der Elektromaschine durch Steuerung des relativen Drehzahlverhältnisses zwischen ihnen zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Dementsprechend betrifft die Erfindung ein System für ein Hybridfahrzeug bestehend aus (a) einem Verbrennungsmotor; (b) einem mit einem zweiten Stromrichter gekoppelten ersten Stromrichter; (c) einer mit dem Verbrennungsmotor und dem ersten Stromrichter gekoppelten ersten Elektromaschine; (d) einer mit dem zweiten Stromrichter und einer Radachse des Fahrzeugs verbundenen zweiten Elektromaschine; (e) einer sowohl mit dem ersten Stromrichter als auch dem zweiten Stromrichter verbundenen Hochspannungsbatterie; und (f) einem Schaltkasten zwischen der ersten Elektromaschine und der zweiten Elektromaschine. Der Schaltkasten enthält Schalter zum Öffnen und Schließen, um eine direkte elektrische Verbindung von der ersten Elektromaschine zur zweiten Elektromaschine herzustellen.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Hybridfahrzeug bereitgestellt wird, das einen Verbrennungsmotor, eine Elektromaschine und ein zwischen ihnen angeordnetes Getriebe umfasst. Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht in der Verbesserung des Betriebswirkungsgrads der Elektromaschine, was zu geringerem Kraftstoffverbrauch führt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Größe des Verbrennungsmotors und der Elektromaschine aufgrund des verbesserten Betriebswirkungsgrades reduziert werden kann. Noch ein weiterer Vorteil ist die Verbesserung des Wirkungsgrads des Serienantriebs durch Verringerung der Ws-Gs-Energieumwandlungsverluste während des Betriebs des Verbrennungsmotors. Ein weiterer Vorteil ist die einzigartige Leistungsverzweigung des Getriebes von 4 – N Gängen bei laufendem Verbrennungsmotor. Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Leistungsverzweigung für das elektrische Traktionssystem ein verlustarmes zweigängiges Getriebe vorsieht und das Motorgetriebe ausschaltet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass sie eine Verkleinerung der Stromrichter sowohl für den Generator als auch die Traktionsmotoren gestattet. Noch ein Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit einer Verkleinerung des Niedertemperatur-Wärmesystems. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Verbesserung der Spitzenleistung im Fahrmodus mit hoher Drehzahl. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit der Verkleinerung des Verbrennungsmotors durch Reduzierung des Energiebedarfs um 10–20%. Andere mögliche Vorteile bestehen darin, dass die Erfindung für PHEV-(Plug-In Hybrid Electric Vehicle) oder HEV-Anwendungen verwendet werden kann, dass sie zwischen einem PEHV und einem HEV skalierbar ist, dass eine verkleinerte Einschaltdauer der Leistungselektronik die Zuverlässigkeit erhöht, dass eine größere Zahl von Notbetriebsfunktionen zur Verfügung steht und die Architektur für Front-, Heck- und Vierradantriebe verwendbar ist.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind leicht zu erkennen, die nach Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser zu verstehen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Beispiel für die Antriebsstrangarchitektur eines Hybridelektrofahrzeugs.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein System zur direkten Verbindung der Elektromaschinen für das Fahrzeug nach 1 und die zugehörigen Betriebszustände zeigt.
3A–3C zeigen schematische Energieflussverteilungen für einen Betriebszustand 1 eines Schaltkastens nach 2.
4A–4B zeigen schematische Energieflussverteilungen für einen Betriebszustand 2 des Schaltkastens nach 2.
5 zeigt schematische Energieflussverteilungen für einen Betriebszustand 3 des Schaltkastens nach 2.
6 ist ein schematisches Blockdiagramm des mit einer Kupplung ausgestatteten Systems nach 2.
7 ist ein schematisches Blockdiagramm des mit einem dritten, mit den Vorderrädern verbundenen Motor/Generator und einem Schaltkasten ausgestatteten Systems nach 2.
8 ist ein schematisches Blockdiagramm des mit einem dritten, mit den Vorderrädern verbundenen Motor/Generator und einem zweiten Stromrichter ausgestatteten Systems nach 2.
9 ist ein schematisches Blockdiagramm des mit einem dritten, mit den Vorderrädern verbundenen Motor/Generator und einem ersten Stromrichter ausgestatteten Systems nach 2.
10 ist ein schematisches Blockdiagramm des mit einem dritten, mit den Vorderrädern verbundenen Motor/Generator und einem ersten Stromrichter und einem zweiten zwischen dem Stromrichter und dem dritten Motor/Generator angeordneten Schaltkasten ausgestatteten Systems nach 2.
11 ist ein schematisches Blockdiagramm des Systems nach 2, das mit einem dritten, mit den Vorderrädern verbundenen Motor/Generator, mit einem zwischen einem ersten Stromrichter und dem dritten Motor/Generator angeordneten Schaltkasten, und einem ersten Motor/Generator ausgestattet ist.
12 zeigt ein zweites beispielhaftes Blockdiagramm eines zu den erfindungsgemäßen Systemen gehörenden Schaltkastens.
BESCHREIBUNG
Gegenstand der Erfindung ist ein System und ein Verfahren zur direkten elektrischen Schaltung (e-Direct) für ein mehrmotoriges Hybridantriebssystem. 1 zeigt ein Hybridfahrzeug 10. In diesem Beispiel kann das Fahrzeug 10 ein Plug-In-Hybridfahrzeug sein, das mit einem Verbrennungsmotor 20 und einer Batterie 16, die außerhalb des Fahrzeugs geladen werden kann, angetrieben wird. Sowohl der Motor als auch die Batterie können als Energiequelle für das Fahrzeug 10 dienen. Das Fahrzeug 10 kann mit jeder Energiequelle getrennt oder in Zusammenwirkung betrieben werden. Ein Hybridfahrzeug, das eine Serienkonfiguration verwendet, die zum Beispiel aus einem einen Generator antreibenden Verbrennungsmotor besteht, wobei der Generator einen Antriebsmotor mit elektrischem Strom versorgt, kann diese Architektur verwenden. Das Fahrzeug 10 kann ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Geländefahrzeug usw. sein.
Fahrzeug 10 umfasst auch einen Antriebsstrang 11, der die Fahrzeugbewegung im Betrieb steuert. Von den Energiequellen (d. h. Batterie, Verbrennungsmotor bzw. Generator) wird ein Elektromotor 24 gespeist, der eine die Räder des Fahrzeugs bewegende Fahrzeugachse mechanisch antreibt. Im Beispiel nach 1 ist das Fahrzeug 10 ein Fahrzeug mit Heckantrieb, wobei die Hinterräder durch die Elektromotoren 24 mechanisch angetrieben werden. Die Motoren 24 und der Generator 12 können als Elektromaschine bezeichnet werden. In einem Beispiel beziehen sich die Begriffe „Elektromotor” und „Generator” auf den Energiefluss, da beide im Umkehrbetrieb arbeiten können, um die entgegengesetzte Aufgabe zu erfüllen. Eine Elektromaschine kann also entweder Strom erzeugen, indem sie mit negativem Drehmoment der Welle arbeitet (d. h. als Generator), oder sie kann Energie verteilen, indem sie ein positives Drehmoment erzeugt (d. h. als Motor). In 2–12 wird die Elektromaschine als Motor/Generator „MG”) bezeichnet. Dementsprechend kann das Fahrzeug einen mit dem Verbrennungsmotor 20 verbundenen MG1 12 und einen mit den Rädern W verbundenen MG2 24 umfassen.
Die Architektur des Antriebsstrangs wird selektiv bestimmt, z. B. als Serien-, Parallel- oder Parallel-Verzweigt-Anordnung der Antriebsstrangelemente. In diesem Beispiel besteht der Antriebsstrang aus einem MG1 12 und einen MG2 24. Es stehen verschiedene Typen von MG zur Verfügung, z. B. ein Elektromotor oder Generator, eine Permanentmagnet-Synchronmaschine, eine Induktionsmaschine oder ähnliches. Der MG1 12 kann ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse angeordneten stationären Stator und einen Rotor umfassen, der um eine zentrale Welle rotiert, zu der ein Permanentmagnet gehört. Der MG1 12 wandelt mechanische Energie, die vom Verbrennungsmotor 20 kommt, in elektrische Energie um, die dazu verwendet wird, die Räder W mit Energie zu versorgen, die Bordbatterie 16 aufzuladen oder Fahrzeughilfsaggregate anzutreiben. Die Ausgangsleistung des MG1 12 ist typischerweise Wechselstrom, der in einem Stromrichter 22 in Gleichstrom umgewandelt wird. Der Gleichstrom kann dann entweder die Batterie 16 oder einen weiteren Stromrichter 22 speisen, der wieder in Wechselstrom umwandelt, bevor Antriebsmotoren mit Strom versorgt werden. Typischerweise haben diese MG und Stromrichter eine vorbestimmte Betriebsleistung, die einem gegebenen Drehzahl-/Drehmomentbereich entspricht.
In diesem Beispiel gehört zum Antriebsstrang 11 auch ein Benzinmotor 20, der zusätzliche Leistung liefert, wenn dies unter bestimmten Betriebsbedingungen erforderlich ist. Der Motor 20 ist betrieblich mit dem MG1 12 verbunden, z. B. über eine Motorabtriebswelle. Folglich läuft, wenn der Motor 20 läuft, typischerweise auch der MG1 12, weil sie miteinander verbunden sind. Der Motor 20 kann auch in einem entsprechenden Drehzahl-/Drehmomentbereich eine vorbestimmte Betriebsleistung haben. Das Verhältnis der Motordrehzahlleistung zur Generatordrehzahlleistung ist jedoch innerhalb eines Drehzahl-/Drehmomentbereichs möglicherweise nicht optimal.
In 2–12 sind beispielhafte Systeme und Verfahren einer direkten elektrischen Schaltung (e-Direct) für ein mehrmotoriges Hybridantriebssystem dargestellt. Sie dienen der Anschaulichkeit, und andere mit der Erfindung in Einklang stehende Ausführungsformen sind denkbar. Zum Fahrzeug 10 gehört ein Antriebsstrang, der den Betrieb des Fahrzeugs steuert. In diesen Beispielen ist der Antriebsstrang ein Plug-In-Hybridsystem und umfasst mindestens zwei Elektromaschinen.
Zu dem System gehört ein Energiespeicher 16, z. B. eine mit den Bauteilen in Kommunikation stehende Batterie 16, der dem Fahrzeugsystem Energie zuführt oder entzieht. Es stehen verschiedene Batterietypen, wie Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterien usw., zur Verfügung.
Ein erster Stromrichter 22 steht operativ mit einem zweiten Stromrichter 22 in Verbindung, und der zweite Stromrichter 22 wandelt Gleichstrom zurück in Wechselstrom. Der zweite Stromrichter 22 steht operativ mit einer zweiten Elektromaschine MG2 24 in Verbindung. MG2 24 wandelt den Wechselstrom in mechanische Energie um, die für den Betrieb des Fahrzeugs verfügbar ist. In diesem Beispiel wird die mechanische Energie zur Steuerung des Laufs der Fahrzeugräder W, d. h. der Vorder- oder Hinterräder, auf eine Antriebswelle übertragen.
Es ist zu bedenken, dass der Wirkungsgrad des Energieumwandlungsprozesses geringer als 100% ist, was zu Verlusten im gesamten System führt. In einem Beispiel kann der Verlust im Stromrichter zwischen 3% bis 10% betragen. Die erste Elektromaschine (MG1 12) steht mit der zweiten Elektromaschine (MG2 24) in direkter elektrischer Verbindung, so dass Wechselstrom von der ersten Elektromaschine direkt in die zweite Elektromaschine fließt. Dabei ist zu beachten, dass die erste Elektromaschine mit einer Drehzahl und Last betrieben werden kann, bei denen die Energie direkt auf die zweite Elektromaschine übertragen werden kann. Verschiedene unterschiedliche Beispiele und Abbildungen der Erfindung sind in 2–12 beschrieben.
2 zeigt ein beispielhaftes schematisches System für ein Fahrzeug 10 mit einem Schaltkasten 21, der die direkte Ws/Ws-Verbindung zwischen MG1 12 und MG2 24 gestattet. Der Verlust in einem Schaltkasten ist relativ gering und weit niedriger als in einem Stromrichter. In diesem Beispiel ist der Verbrennungsmotor 20 mit dem MG1 12 verbunden, der Strom an den Stromrichter 22 zur Aufnahme in einer Batterie 16, an einen weiteren Stromrichter 22 oder an einen Schaltkasten 21 liefern kann. Die Energie wird auf den MG2 24 und dann auf die Räder W übertragen. Die Energie kann dann, wie in den anderen Abbildungen gezeigt, in beide Richtungen fließen. 2 zeigt ferner die auseinandergezogene Darstellung verschiedener Betriebszustände des Schaltkastens 21. In diesem Beispiel kann der Schaltkasten 21 in drei Betriebszuständen arbeiten, die als Zustand 1 (21A), Zustand 2 (21B) und Zustand 3 (21C) dargestellt sind. 3A–3C zeigt verschiedene Modi des Energieflusses für den Zustand 1. 4A–4B zeigt den Zustand 2, und der Zustand 3 ist in 5 dargestellt. Die nachstehende Tafel 1 zeigt verschiedene mit jedem Betriebszustand verbundene Merkmale. TAFEL 1
Die Energie wird über eine Drehstromsammelschiene übertragen. Zum Schaltkasten 21 gehören drei Leitungen/Schalter 25 für die Drehstromübertragung. Zustand 1 wird durch den Kasten 21A dargestellt, in dem alle drei Schalter 25 offen sind. Wenn die Schalter offen sind, kann Energie nicht direkt zwischen MG1 und MG2 übertragen werden. Dementsprechend wird die Energie von Ws (MG1 verlassend) durch den Stromrichter 22 in Gs umgewandelt und fließt dann entweder zum Laden in die Batterie 16 oder wird durch den zweiten Stromrichter wieder in Ws umgewandelt, bevor sie zum MG2 fließt. Das Vorhandensein von zwei Stromrichtern gestattet den Betrieb jedes MG ohne direkte Beeinflussung des anderen. Wie 3A zeigt, kann der MG1 12 im Leerlauf arbeiten oder vollständig abgeschaltet werden, während die Batterie 16 über den zweiten Stromrichter 22 Energie an den MG2 24 liefert. 3B stellt ein Beispiel dar, bei dem Energie von der Batterie 16 sowohl zum MG1 12 als auch zum MG2 24 übertragen wird. Dies kann für das Drehen des Verbrennungsmotors wünschenswert sein, so dass der MG1 12 eher als Motor als als Generator arbeiten muss, um Energie an den Verbrennungsmotor 20 zu liefern. 3C zeigt ein Beispiel für den Energiefluss, bei dem Strom vom MG1 12 die Batterie 16 lädt und gleichzeitig den MG2 24 antreibt.
Wie Kasten 21B zeigt, ist Zustand 2 ein Betriebszustand, in dem drei Schalter 25 geschlossen sind, so dass eine direkte elektr(on)ische Verbindung zwischen MG1 12 und MG2 24 entsteht. 4A zeigt beispielhafte Energieflussmuster für das im Zustand 2 arbeitende Fahrzeug. Schaltkasten 21B gestattet es dem im MG1 12 erzeugten Wechselstrom, direkt zum MG2 24 zu fließen. Bei diesem Beispiel umgeht der Energiefluss die Stromrichter, so dass es nicht zu dem mit den Stromrichtern 22 verbundenen unerwünschten Leistungsverlust kommt. Bei dieser Ausführungsform ist der MG1 12 direkt mit dem MG2 verbunden, so dass sie mit proportionalen Drehzahlen laufen. Dies ist z. B. ideal für die Fahrgeschwindigkeitsregelung und erhöht den Wirkungsgrad der Energieverteilung des Fahrzeugs. Der mit 21A verbundene Energieverlust über die Schalter ist weit geringer als der in den Stromrichtern 22. 4B stellt ein Beispiel dar, bei dem die Energie direkt durch den Schaltkasten 21A sowie durch die Stromrichter 22 zur Batterie 16 oder zum anderen Stromrichter fließt. Die Zweirichtungspfeile zeigen an, dass Energie in beiden Richtungen fließen kann (d. h. in und aus der Batterie 16 von und zu den MG1 12 und MG2 24). Dementsprechend können die Räder W vom Verbrennungsmotor 20 mit Wechselstrom und von der Batterie 16 mit Gleichstrom gespeist werden. Die Batterie kann auch gleichzeitig aufgeladen werden, während Strom direkt vom MG1 zum MG2 übertragen wird. Die Batterie 16 kann unter Verwendung eines oder beider Stromrichter 22 Puffern oder geladen werden.
5 zeigt den Energieflussweg eines dritten Zustands (Zustand 3) in Verbindung mit einem Betriebszustand des Schaltkasten 21C. Bei dieser Ausführungsform sind die Schalter 27 (die im Kasten 21A und 21B offen dargestellt sind) sowie ein Schalter 25 geschlossen. Die Schalter 27 ermöglichen im geschlossenen Zustand eine Energiequerverbindung über die drei Phasen, so dass ein direkter Energiefluss zwischen MG1 12 und MG2 24 möglich ist, während entweder MG1 oder MG2 in entgegengesetzter Drehrichtung laufen Dementsprechend kann MG1 12 vorwärts rotieren, während MG2 24 rückwärts rotiert.
6–12 zeigen verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele. 6 stellt ein System dar, das außerdem eine Kupplung oder einen Drehmomentwandler 23 aufweist, der zwischen dem Verbrennungsmotor 20 und dem MG1 12 angeordnet ist. Die Kupplung ermöglicht das Ausrücken des Motors 20 während des Schaltens im Schaltkasten 21. Durch Ausrücken des Motors 20 kann die Last an den zugehörigen Schützen verringert werden. Ein weiteres mit dem Ausrücken verbundenes Merkmal besteht darin, dass der Motor laufen und den Schaltkasten 21 einrücken kann, um die Schalter vor dem Anlassen des Fahrzeugs zu schließen. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Schaltkasten 21 unter Bedingungen zu verwenden, in denen der Stromrichter 22 begrenzt oder unerwünscht ist.
7–11 zeigen beispielhafte Systeme, zu denen eine mit den Vorderrädern W verbundene dritte Elektromaschine MG3 26 gehört. Diese Ausführungsformen ermöglichen selektive Vierradantriebsarten für erfindungsgemäße beispielhafte Fahrzeuge. In 7 ist der MG3 26 direkt mit dem Schaltkasten 21 verbunden. Eine zweite Kupplung/ein zweiter Drehmomentwandler kann zwischen den Vorderrädern W und dem MG3 26 angeordnet sein. Das System kann bei einer alternativen Ausführungsform mit einem dritten Motor/Generator (MG) ohne Kupplung arbeiten. In diesem Beispiel ist eine Kupplung vorgesehen. Energie kann vom Verbrennungsmotor 20 direkt in den MG3 26 eingespeist werden. Die zum MG3 26 eingerückte Kupplung 23 ermöglicht die betriebliche Unabhängigkeit vom Schaltkasten 21. Dementsprechend gestattet die Kupplung 23 das Auskoppeln der Vorderräder W aus dem System.
8 umfasst den MG3 26, jedoch ist dieser an die Seite mit dem MG2 24 des Schaltkastens 21 gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform ist der MG1, wenn die Schalter des Schaltkastens 21 geschlossen sind, mit den Vorder- wie mit den Hinterrädern W verbunden. Außerdem kann, wenn das Fahrzeug im Zustand 1 mit offenen Schaltern arbeitet, weiterhin Energie vom Verbrennungsmotor 20 über den Stromrichter 22 (Stromrichter 2) zum MG3 26 fließen. MG2 24 und MG3 26 sind miteinander fest verbunden. Der MG3 kann weiterhin mittels der Kupplung 23 von den Rädern W getrennt werden.
9 zeigt, wie der MG3 26 mit dem MG1 12 fest verdrahtet ist. Dementsprechend laufen beide MG mit einer konstanten proportionalen Drehzahl. Der erste Stromrichter 22 (Stromrichter 1) kann entweder durch Roheren des MG1 12 und Entkoppeln des Motors 20 mittels der Kupplung 23 die Vorderräder W antreiben, Energie vom MG1 12 aufnehmen (wobei der MG3 26 rotiert, während er durch die Kupplung 23 von den Rädern W getrennt ist) oder die Energie im Betrieb modulieren, während der MG1 12 über einen Betriebszustand des Zustands 2 des Schaltkastens die Vorderräder W antreibt.
10 zeigt einen zwischen dem MG3 26 und der Ws-Sammelschiene des MG1 12 angeordneten zweiten Schaltkasten 31. Dieser kann es dem Stromrichter 22 (Stromrichter 1) ermöglichen, den MG3 26 zu speisen, wenn der Kasten 31 sich in einem Betriebszustand des Zustandes 2 oder 3 befindet (d. h. die Schalter geschlossen sind). 11 zeigt eine alternative Ausführungsform mit einem zwischen dem MG3 26 und dem ersten Stromrichter 22 (Stromrichter 1) angeordneten zweiten Schaltkasten 31. Diese Anordnung gestattet ein direktes Schalten des Schaltkastens 31, um Energie vom ersten Stromrichter 22 entweder zum MG1 12 und/oder zum MG3 26 zu übertragen. Der MG3 26 kann mit der Drehzahl des MG1 12 fest verbunden sein, wenn er angeschlossen ist, dies ist aber nicht erforderlich, wenn die Schalter im Schaltkasten 31 offen sind. Dementsprechend kann der Stromrichter 22 entweder den MG1 12 oder den MG3 26 oder beide speisen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der MG3 mit dem zweiten Stromrichter 22 (Stromrichter 2) verbunden sein.
12 zeigt einen Schaltkasten 21 mit beispielhaften Schaltern. In einem Beispiel, bei dem nahezu identische Drehzahlanpassung zwischen dem MG1 12 und dem MG2 24 nicht möglich ist, müssen die Schalter im Kasten 21 relativ schnell schließen. Es können mechanische Schütze verwendet werden, da sie einen hohen Wirkungsgrad haben, jedoch ist ihre Ansprechzeit in manchen Situationen möglicherweise nicht ausreichend. Verwendet werden kann ein hybrides Leistungselektronik-/mechanisches Schütz, wie im Schaltkasten 21 dargestellt. In diesem Beispiel sind für jedes mechanische Schütz zwei IGBT (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) vorgesehen, so dass Strom in beide Richtungen fließen kann, es kann aber auch nur ein IGBT erforderlich sein. Dieser kann zusammen mit anderen Leistungselektronik-Bauelementen verwendet werden, wozu u. a. MOSFETS, Thyristoren, SCRs usw. gehören. Wenn die Schalter geschlossen sind, so dass ein direkter Stromfluss zwischen den Elektromaschinen möglich ist, können die Spannungspegel mittels eines Reglers überwacht werden. Bei gleichen Pegeln der Drehstromspannung (selbst für einen kurzen Moment) schaltet das Halbleiter-Schaltgerät ein und verriegelt die Phasen miteinander. Das hält die Spannungen in den mechanischen Schützen bei nahezu Null, so dass sie mit geringem Risiko schließen können.
Ein Betrieb des Fahrzeug mit e-Direct (d. h. die Schalter 25 und/oder 27 sind geschlossen) verringert die Belastung der Stromrichter 22 des Fahrzeugs 10 erheblich. Dementsprechend kann die Größe des Stromrichters 22 gegenüber Standardstromrichtern, wie sie in Fahrzeugen ohne Schaltkasten 21 bzw. 31 verwendet werden, verringert werden. Durch die geringere Größe des Stromrichters 22 können die Hardwarekosten des Fahrzeugs und die Gesamtleistung des Systems sinken.
Außerdem erhöht eine elastische mechanische Kupplungsvorrichtung 23 die Vielseitigkeit des Systems, z. B. die Verwendung einer e-Direct, um die Energieverteilung zwischen der Vorderachse und Hinterachse des Fahrzeugs 10 zu steuern. Die e-Direct-Hardware kann so angeordnet werden, dass entweder der vordere 12 oder der hintere Motor/Generator 24 eingerückt werden kann. Dies kann auch erreicht werden, indem beide Antriebsmotoren 24 und 26 gleichzeitig oder unabhängig voneinander eingerückt werden.
Ein Beispiel für eine mechanische Kupplungsvorrichtung kann eine Kupplung 23 sein, wie in einem herkömmlichen mechanischen Getriebe oder einem Doppelkupplungsgetriebe, einer Nasskupplung, wie man sie in einem Automatikgetriebe findet, einem Drehmomentwandler, wie man ihn ebenfalls in einem Automatikgetriebe findet, einer Klauenkupplung oder einem anderen mechanischen Verbindungselement, das eine ca. 100%-igen Drehmomentübertragung in einer Betriebsart und eine ca. 0%-ige Drehmomentübertragung in einer anderen Betriebsart ermöglicht. Die mechanische Kupplungsvorrichtung 23 kann auch in der Lage sein, einen großen Drehmomentbereich zwischen 0 und 100% zu übertragen, oder kann die Möglichkeit zur Drehmomentvervielfachung bieten, wie bei einem Drehmomentwandler eines Automatikgetriebes. Im Ergebnis kann ein Generator 12 vom Verbrennungsmotor 20 getrennt sein Strom oder ein Drehmoment zum Generator 12 übertragen werden, während der Motor 20 mit einer vom Generator unabhängigen Drehzahl rotiert. Ein Merkmal wie die e-Direct kann verstärkt werden, indem es der e-Direct gestattet wird, eingeschaltet zu bleiben, wenn das Fahrzeug unter Einsatz der mechanischen Gleitvorrichtung (d. h. Kupplungsvorrichtung 23) anhält. Der Generator 12 kann mit dem Motor 24 über die Drehstromsammelschiene fest verdrahtet sein, so dass der Generator/Motor 12/24 so wirken, als wären sie mechanisch verbunden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kupplung/der Drehmomentwandler/die elastische mechanische Kupplungsvorrichtung 23 ein Anlassen des Fahrzeugs 10 gestattet, ohne dass der Stromrichter 22 oder die Batterie 16 benötigt würden.
Durch Verwendung eines Schaltkastens 21 mit Schaltern 25, z. B. einem Zweistellungsschalter, ist e-Direct-Betrieb der Vorder- oder Hinterräder W möglich. Das Pol-/Getriebeübersetzungsverhältnis kann so optimiert werden, dass der Verbrennungsmotor 20 Energie über eine e-Direct auf ein Mehrganggetriebe übertragen kann, d. h. mit mehreren optimierten Motordrehzahlen. In einem Beispiel kann zum System eine feste Verbindung der Drehstromkabel mit derselben Sammelschiene wie für den Generator 12 oder den Heckantriebsmotor 24 gehören. Ein Frontantriebsmotor 26 kann dieselbe elektrische Frequenz wie der Heckmotor 24 haben. Das bedeutet, dass die beiden Motoren stets mit Drehzahlen laufen werden, die umgekehrt proportional zu ihrer relativen Polzahl sind. Die Achsdrehzahl kann jedoch bei Kurvenfahrt des Fahrzeugs, Reifenverschleiß oder je nach Getriebe usw. eine andere sein, und daher sind mit der elastischen mechanischen Kupplung Vorkehrungen für diese Varianten getroffen. Wenn das Fahrzeug in eine Kurve geht, legen die Vorderräder W eine größere Entfernung zurück als die Hinterräder W. Das bedeutet, dass der Frontmotor 26 proportional schneller läuft als der Heckmotor 24. Da die e-Direct-Konfiguration die elektrischen Phasen fest verdrahtet, zieht der Frontmotor Nutzen aus einer elastischen Kupplung zwischen dem Motor und den Rädern W. Die elastische Kupplung (mit ähnlichen Möglichkeiten wie die, die für die elastische Kupplung zwischen Verbrennungsmotor und Generator beschrieben wurde) und das Antriebsaggregat zwischen dem Frontmotor und den Rädern W kann so konfiguriert werden, dass der Elektromotor immer mit einer höheren Drehzahl als der Abtriebsdrehzahl der Kupplung läuft, wobei dieselbe Art von Gleitvorrichtung oder Drehmomentwandler 23 verwendet wird. Das bedeutet, dass der Elektromotor die Räder antreiben kann.
Bei einem anderen Beispiel kann der Frontradantriebsmotor 26 mit dem Generator 12 fest verdrahtet sein. Dadurch können Antriebsmotor 26 und Generator 12 mit konstanter proportionaler Drehzahl laufen. Der Stromrichter 22 kann entweder die Fronträder W speisen, Strom vom Generator 12 aufnehmen oder die Energie modulieren, wenn der Generator 12 die Vorderräder W im e-Direct-Betrieb speist. Es kann eine zweite e-Direct-Schaltung 31 hinzugefügt werden, so dass der Front- und oder der Heckmotor mit dem Generator 12 proportional fest verdrahtet ist. Das führt dazu, dass der erste Stromrichter 22 den Frontmotor 26 oder die Elektromaschine speisen kann. Der Generator 12 wird den Frontmotor 26 so drehen, dass der Verbrennungsmotor 20 bei Bedarf entkoppelt werden kann.
Im laufenden Betrieb sind auf der Grundlage der oben beschriebenen Konfiguration zahlreiche Varianten möglich. Zum Beispiel:

– Ein-/Ausschalten der Stromrichter, um entweder in herkömmlicher Weise oder im stromrichterfreien Betrieb zu arbeiten.
– Verwendung von IGBT oder anderen geregelten Schaltungen, um zwischen der Einspeisung der Elektromaschinenenergie in den Stromrichter oder in eine zweite Elektromaschine umzuschalten.
– Verwendung unterschiedlicher Typen von Elektromotoren, z. B. Permanentmagnet-Synchronmaschinen oder Ws-Induktionsmaschinen, um die Toleranz gegenüber Taktabweichungen zwischen den beiden Elektromaschinen zu erhöhen oder herabzusetzen.
– Gleichrichtung oder andere Modifizierung der Größe oder des Takts des Ws-Signals zur Regelung der Ausgangsleistung.
– Einstellung der Phasen- oder Sammelschienenkapazität, Induktivität oder einer anderen Charakteristik, um die Leistung oder Widerstandsfähigkeit zwischen den beiden Elektromaschinen zu steuern.
– Aktive oder passive Regelung der Verbrennungsmotorleistung, um die Taktung der elektrischen Phasen jeder Elektromaschine anzugleichen.

Das Hybridfahrzeug kann andere, für ein Fahrzeug herkömmlicher Weise bekannte Merkmale aufweisen, z. B. einen Benzinmotor, andere Regler, einen Antriebsstrang oder dergleichen. Im Lichte der vorstehenden Hinweise sind zahlreiche Modifizierungen und Varianten der Erfindung möglich. Innerhalb des Schutzbereichs der angefügten Ansprüche kann die Erfindung daher in anderer als der speziell beschriebenen Weise verwirklicht werden. Übersetzung der Figuren 2 bis 12

English	Deutsch
Battery	Batterie
Inverter 1	Stromrichter 1
Inverter 2	Stromrichter 2
DC Power	Gleichstrom
MG 1	Motor/Generator 1
MG 2	Motor/Generator 2
MG 3	Motor/Generator 3
3-Phase AC	Dreiphasenwechselstrom
State 1	Zustand 1
State 2	Zustand 2
State 3	Zustand 3

Claims

System für ein Hybridfahrzeug, das aufweist: (a) einen Verbrennungsmotor; (b) einen ersten Stromrichter, verbunden mit einem zweiten Stromrichter; (c) eine erste Elektromaschine, die mit dem Verbrennungsmotor und dem ersten Stromrichter verbunden ist; (d) eine zweite Elektromaschine, die mit dem zweiten Stromrichter und einer Radachse des Fahrzeugs verbunden ist; (e) eine Hochspannungsbatterie, die sowohl mit dem ersten Stromrichter als auch dem zweiten Stromrichter verbunden ist; (f) einen zwischen der ersten Elektromaschine und der zweiten Elektromaschine angeordneten Schaltkasten, wobei der Schaltkasten Schalter aufweist, die öffnen und schließen können, um eine direkte elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektromaschine und der zweiten Elektromaschine zu ermöglichen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkasten eine Vielzahl von Schaltern umfasst, die einen Fahrzeugbetrieb in einer Vielzahl von Betriebszuständen gestatten.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter in einem ersten Betriebszustand alle offen sind, was eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektromaschine und der zweiten Elektromaschine verhindert.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter in einem zweiten Betriebszustand alle geschlossen sind, um eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektromaschine und der zweiten Elektromaschine herzustellen.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter in einem dritten Betriebszustand alle geschlossen sind, um eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektromaschine und der zweiten Elektromaschine herzustellen, so dass die Elektromaschinen in Gegenrichtung laufen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine so betrieben werden kann, dass sie als Generator wirkt, wenn sie in negativer Drehmomentrichtung läuft, und als Motor, wenn sie in entgegengesetzter positiver Drehmomentrichtung läuft.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Energie vom Verbrennungsmotor an die Batterie und von der Batterie an den Verbrennungsmotor und die Radachse übertragen werden kann.
System nach Anspruch 1, das ferner eine zwischen dem Verbrennungsmotor und der ersten Elektromaschine angeordnete mechanische Einrückvorrichtung umfasst, die geeignet ist, den Motor selektiv von der ersten Elektromaschine abzukoppeln.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Einrückvorrichtung eine Kupplung ist.
System nach Anspruch 1, das ferner eine dritte Elektromaschine umfasst, die mit einer zweiten Radachse des Fahrzeugs und dem Schaltkasten verbunden ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkasten eine direkte elektrische Verbindung zwischen sowohl der ersten und zweiten Elektromaschine als auch der dritten Elektromaschine ermöglicht.
System nach Anspruch 10, das ferner eine zwischen der zweiten Radachse und der dritten Elektromaschine angeordnete mechanische Einrückvorrichtung umfasst, die geeignet ist, die Radachse selektiv von der dritten Elektromaschine abzukoppeln.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektromaschine direkt mit dem zweiten Stromrichter und der zweiten Elektromaschine verbunden ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektromaschine direkt mit dem ersten Stromrichter und der ersten Elektromaschine verbunden ist.
System nach Anspruch 10, das ferner einen zwischen der dritten Elektromaschine und der ersten Elektromaschine und dem ersten Stromrichter angeordneten zweiten Schaltkasten umfasst, der geeignet ist, die dritte Elektromaschine und die erste Elektromaschine und den ersten Stromrichter selektiv zu verbinden.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltkasten ferner zwischen der ersten Elektromaschine und dem ersten Stromrichter angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkasten eine Vielzahl von Schaltern umfasst, die mit Leistungselektronik- und mechanischen Schützen ausgerüstet sind.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs, das folgende Schritte umfasst: (a) Kopplung eines Verbrennungsmotors an eine erste Elektromaschine, wodurch die Elektromaschine zur Stromerzeugung hochgefahren werden kann; (b) Stromeinspeisung von einer ersten Elektromaschine in einen Schaltkasten und einen ersten Stromrichter, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromrichter mit einem zweiten Stromrichter und einer Hochspannungsbatterie verbunden ist und dass der zweite Stromrichter außerdem mit einer zweiten, mit einer Radachse des Fahrzeugs verbundenen Elektromaschine verbunden ist; (c) selektives Öffnen und Schließen einer Vielzahl von Schaltern in dem zwischen der ersten Elektromaschine und der zweiten Elektromaschine angeordneten Schaltkasten; dadurch gekennzeichnet, dass Energie direkt von der ersten Elektromaschine auf die zweite Elektromaschine übertragen werden kann, wenn die Schalter geschlossen sind.