DE19532164A1 - Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und Verfahren zum Betreiben desselben - Google Patents
Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und Verfahren zum Betreiben desselbenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für
ein Kraftfahrzeug.
Der Innenwirkungsgrad eines Verbrennungsmotors (insbesonde
re eines Verbrennungsmotors mit äußerer Gemischbildung und
Fremdzündung) fällt bei kleinen effektiven Zylinder-Mittel
drücken stark ab, wobei dieser Abfall bei niedrigen Dreh
zahlen besonders ausgeprägt ist. Leistungsstarke Motoren
arbeiten daher, wenn ihnen wenig Leistung relativ zu ihrer
Maximalleistung abgefordert wird - also ihr effektiver
Mitteldruck gering ist - nur mit einem relativ schlechten
Wirkungsgrad.
Zur Wirkungsgraderhöhung ist vorgeschlagen worden, in sol
chen Betriebszuständen einzelne Motorzylinder abzuschalten;
siehe z. B. "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Herausgeber:
Robert Bosch GmbH, Düsseldorf, 21. Auflage, 1991, Seite
361. Denn die Zylinderabschaltung bewirkt eine deutliche
Erhöhung des effektiven Mitteldrucks in den nicht-abge
schalteten Zylindern, womit eine beträchtliche Erhöhung des
Wirkungsgrades (und zwar um insgesamt bis zu 30%) einher
geht. Die Maßnahme "Zylinderabschaltung" kann also zu einem
sparsamen Umgang mit Rohstoffen und einer Verringerung der
Umweltbelastung mit giftigen, klimaaktiven oder sonstwie
schädlichen Abgasen beitragen.
Die Erfindung zielt darauf ab, Antriebssysteme mit Zylin
derabschaltung weiterzuentwickeln.
Sie erreicht dieses Ziel mit einem Antriebssystem, insbe
sondere für ein Kraftfahrzeug, mit:
- - einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor;
- - einer Einrichtung zur Abschaltung wenigstens eines Teils der Zylinder des Verbrennungsmotors; und
- - einer - insbesondere mit einer Welle, etwa der Trieb welle des Verbrennungsmotors gekoppelten oder koppel baren - Vorrichtung zur aktiven Verringerung von Dre hungleichförmigkeiten, welche wenigstens während Zy linderabschaltbetrieb zumindest bei bestimmten Be triebszuständen aktiv ist (Anspruch 1).
Der Begriff "Zylinderabschaltung" wird hier in einem weiten
Sinn verstanden, der alle Möglichkeiten umfaßt, einen oder
mehrere Zylinder nicht mehr aktiv antreibend (und nicht
mehr unter Durchsatz von Kraftstoff) zu betreiben. Bevor
zugt wird dies durch eine Kraftstoff- und ggf. Zündungs
abschaltung der entsprechenden Zylinder erzielt, welche
zwecks Verringerung von Gaswechselarbeit durch eine sog.
Ventilabschaltung ergänzt sein kann. Grundsätzlich möglich
ist auch eine mechanische Stillegung des bzw. der entspre
chenden Zylinder. In der Literatur wird der Begriff "Zy
linderabschaltung" manchmal auch in einem engen Sinn, näm
lich im Sinn nur der letztgenannten mechanischen Stillegung
verstanden, so z. B. in dem eingangs genannten "Kraftfahr
technischen Taschenbuch". Dieses enge Verständnis weicht
aber - wie gesagt - von dem hier verwendeten weiten Ver
ständnis ab.
Ein - hier ebenfalls mit umfaßter - Sonderfall ist die
Abschaltung aller Zylinder des Verbrennungsmotors im Schie
bebetrieb.
Im Stand der Technik gibt es Vorschläge für Vorrichtungen
zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten bei
Verbrennungsmotoren, deren Wirkung darauf beruht, daß ein
wechselndes oder auch nur in einer Richtung pulsierendes
Drehmoment erzeugt wird, welches den Drehungleichförmigkei
ten entgegengerichtet ist und diese dadurch mindert, siehe
z. B. Patent Abstracts of Japan, Band 11, Nr. 28 (M-557),
27. Januar 1987 & JP-A-61 200 333 (NISSAN I), Patent Ab
stracts of Japan, Band 4, Nr. 29 (M-002), 14. März 1980 &
JP-A-55 005 454 (TOYOTA), EP-B-0 427 568 (ISUZU), DE-A-32
30 607 (VW), EP-B-0 175 952 (MAZDA), Patent Abstracts of
Japan, Band 7, Nr. 240 (M-251), 25. Oktober 1983 & JP-A-58
126 434 (NISSAN II) und DE-A-41 00 937 (FICHTEL & SACHS).
Diese Vorschläge beziehen sich auf Verbrennungsmotoren mit
relativ großen Drehungleichförmigkeiten, wie z. B. einen in
NISSAN II erwähnten Einzylindermotor.
Verbrennungsmotoren, für die eine (Teil-)Zylinderabschal
tung in Frage kommt, haben jedoch meist vier oder mehr
Zylinder (z. B. 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12). Bei ihnen sind die Dre
hungleichförmigkeiten i.a. gering, so daß beispielsweise
bei einem Achtzylindermotor sogar die sonst auf der Kur
belwelle sitzende Schwungscheibe entfallen kann. Es er
scheint daher zunächst nicht sinnvoll, einen solchen Motor
etwa mit einer Vorrichtung zur aktiven Verringerung von
Drehungleichförmigkeiten auszurüsten.
Die Erfindung setzt demgegenüber bei der Erkenntnis an, daß
es bei einem Motor mit hoher Gleichförmigkeit im Drehver
halten im Zylinderabschaltbetrieb zu größeren Drehun
gleichförmigkeiten kommen kann, und zwar insbesondere aus
folgenden Grund: Drehungleichförmigkeiten rühren bei einem
Hubkolbenmotor hauptsächlich von den auf die Triebwelle
(Kurbelwelle) wirkenden Gas- und Massenkräften der einzel
nen Hubkolben her. Beispielsweise treten bei einem Vier
zylinder-Viertaktmotor relativ große Drehungleichförmig
keiten in der zweiten Ordnung (d. h. dem zweifachen der
Drehfrequenz des Motors) auf; entsprechend bei einem Sechs
zylinder-Viertaktmotor in der dritten Ordnung. Daneben gibt
es Drehungleichförmigkeiten bei höheren Ordnungen sowie
stochastisch auftretende Ungleichförmigkeiten. Üblicherwei
se sind Motoren so konstruiert, daß sich die Massenkräfte
und (mittlere) Gaskräfte teilweise kompensieren. Bei Zylin
derabschaltung durch Kraftstoff- und ggf. Ventilabschaltung
fallen die Gaskräfte praktisch weg, wodurch auch dieser
Kompensationseffekt entfällt. Bei den abgeschalteten Zylin
dern treten nun (soweit sie nicht stillgelegt sind) die
Massenkräfte unkompensiert hervor. Die Folge sind größere
Drehungleichförmigkeiten, die Ursache störender
Geräusch- und Vibrationsentwicklung sein können, erhöhten Verschleiß
verursachen können und zu Komforteinbußen führen können.
Auch bei Stillegung von Zylindern kann es zu größeren Dre
hungleichförmigkeiten kommen.
Die Erfindung ermöglicht die Minderung dieser bei Zylin
derabschaltbetrieb verstärkt auftretenden Drehungleichför
migkeiten. Sie macht damit eine Zylinderabschaltung bereits
bei Vierzylindermotoren praktisch möglich (z. B. Abschaltung
von zwei Zylindern).
Die Vorrichtung zur aktiven Verringerung von Drehungleich
förmigkeiten kann im Zylinderabschalt- und -anschaltbetrieb
aktiv sein, und zwar dauernd oder nur in bestimmten Be
triebszustände des Verbrennungsmotors (z. B. nur unterhalb
einer bestimmten Drehzahl oder nicht während Beschleuni
gungs- und Verzögerungsvorgängen). Gegebenenfalls kann sich
die Stärke, mit der sie auf die Triebwelle wirkt, zwischen
Abschalt- und Anschaltbetrieb unterscheiden. Alternativ
kann sie nur während des Zylinderabschaltbetriebs aktiv
sein, wobei wiederum eine dauernde oder eine auf bestimmte
Betriebszustände des Verbrennungsmotors beschränkte Akti
vität möglich ist.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem hat folgende Vorteile:
- - es zeigt im Zylinder-Abschaltbetrieb geringere Dre hungleichförmigkeiten;
- - es führt daher zu geringerer Geräusch- und Vibra tionsentwicklung und zeigt vermindertem Verschleiß;
- - es macht eine Zylinderabschaltung auch bei Vierzylin dermotoren praktikabel und in bestimmten Fällen - etwa bei Sechszylindermotoren mit Abschaltung auf drei Zylinder - überhaupt erst möglich;
- - es kann aufgrund dieser Eigenschaften zu einer größe ren Verbreitung von Antriebssystemen mit Zylinderab schaltung und damit zu einer Verringerung des Roh stoffverbrauchs und der Umweltbelastung beitragen.
Grundsätzlich kann die Vorrichtung zur aktiven Verringerung
von Drehungleichförmigkeiten so gesteuert sein, daß ihre
drehungsleichtförmigkeitsverringernde Wirkung unabhängig
davon ist, ob Zylinderabschalt- oder -anschaltbetrieb vor
liegt. Nimmt man beispielsweise an, daß die
Drehungleichförmigkeiten im Anschaltbetrieb halb so groß
sind wie im Abschaltbetrieb, dann könnte sie z. B. so ge
steuert sein, daß sie im Anschaltbetrieb die Drehungleich
förmigkeiten praktisch vollständig unterdrückt, während sie
sie im Abschaltbetrieb verringert. Vorteilhaft folgt sie
jedoch der Änderung der Drehungleichförmigkeiten verändert
also bei einem Übergang von Zylinderabschalt- zu -anschalt
betrieb und/oder zurück ihre Verringerungswirkung, im all
gemeinen durch eine Änderung von Phasen und Amplituden der
zur Verringerung aufgebrachten Drehmomente (Anspruch 2).
Durch diese Maßnahme kann man Drehungleichförmigkeiten
sowohl im Abschaltbetrieb als auch im Anschaltbetrieb nahe
zu vollständig unterdrücken.
Da - wie gesagt - die Drehungleichförmigkeiten i.a. im
Abschaltbetrieb größer als im Anschaltbetrieb sind, nimmt
die Verringerungswirkung beim Übergang von Zylinderan
schalt- zu Zylinderabschaltbetrieb vorzugsweise zu bzw. bei
einem umgekehrten Übergang ab (Anspruch 3).
Falls die Vorrichtung zur aktiven Verringerung von Dreh
ungleichförmigkeiten durch Erfassung der momentan tatsäch
lich vorliegenden Drehungleichförmigkeit allein auf der
Grundlage rückgekoppelter Regelung gesteuert wird, kann
grundsätzlich die rückgekoppelte Regelung auch beim Über
gang von Zylinderanschalt- zu Zylinderabschaltbetrieb und/
oder umgekehrt für eine entsprechende Änderung der Verrin
gerungswirkung sorgen (Anspruch 4).
Um jedoch bei diesen Übergängen eine Regelverzögerung aus
zuschließen und eine möglichst instantane Änderung der
Verringerungswirkung herbeizuführen, ruft vorzugsweise die
Steuerinformation, welche zur Steuerung des Übergangs von
Zylinderanschalt- zu -abschaltbetrieb und/oder umgekehrt
dient, auch die Veränderung der Verringerungswirkung her
vor (Anspruch 5). Beispielsweise kann bei einer kennfeldge
steuerten Vorrichtung zur aktiven Verringerung von Drehung
leichförmigkeiten das die Zylinderab- und anschaltung her
bei führende Steuersignal auch eine Umschaltung zwischen
zwei (ggf. adaptiven) Kennfeldern herbeiführen, von denen
eines Information über die (erwartete) Drehungleichförmig
keiten bei Abschaltbetrieb und das andere diejenige bei
Anschaltbetrieb enthält. Bei einer rückgekoppelten Regelung
mit Vorsteuerung kann das Steuersignal z. B. auch zu einer
entsprechenden, vom Zylinderab- bzw. -anschaltzustand ab
hängigen Voreinstellung der Regelung dienen, um so eine
Regelverzögerung zu vermeiden.
Im Bereich privater Kraftfahrzeuge gibt es bei vielen Be
nutzern Widerstände gegen Antriebsysteme mit Zylinderab
schaltung, da ihnen die Empfindung, statt beispielsweise
mit einem Sechszylindermotor zeitweise nur noch mit einem
"Dreizylindermotor" zu fahren, unangenehm ist. Vorteilhaft
ist daher das Antriebssystem so ausgebildet, daß der Zylin
derabschaltbetrieb und Übergange in den und aus dem Zylin
derabschaltbetrieb für einen Benutzer im wesentlichen un
merklich sind (was von Drehungleichförmigkeiten herrührende
Wahrnehmungen des Benutzers, wie entsprechende Geräusche
und Vibrationen betrifft; verbleiben könnten z. B. geringfü
gige Unterschiede im Auspuffgeräusch) (Anspruch 6). Er
reicht wird dies durch eine derartige Steuerung der Dre
hungleichförmigkeits-Verringerungswirkung, daß die verblei
benden Drehungleichförmigkeiten zumindest an den Übergängen
praktisch gleich im An- wie im Abschaltbetrieb sind (und
vorzugsweise einen verschwindenden Absolutwert haben).
Vorteilhaft umfaßt die Vorrichtung zur aktiven Verringerung
von Drehungleichförmigkeiten wenigstens eine elektrische
Maschine, insbesondere Dreh- oder Wanderfeldmaschine, die
mit der Triebweile gekoppelt oder koppelbar ist (Anspruch
7).
Eine "elektrische Maschine" ist jede Art von Maschine für
Rotationsbewegungen, die sowohl als elektrischer Motor wie
auch als elektrische Bremse, ggf. als Generator betrieben
werden kann.
Grundsätzlich kann die Kopplung der elektrischen Maschine
mit dem Antriebsaggregat mittelbar sein, z. B. über ein
Getriebe. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um eine di
rekte Kopplung, bei der z. B. der Läufer der elektrischen
Maschine - ähnlich einem Schwungrad - unmittelbar auf der
Triebwelle des Antriebsaggregats oder einer ggf. koppel
baren Verlängerung dieser Welle sitzt.
Unter "Drehfeldmaschine" wird - im Gegensatz zu einer
Stromwendermaschine - eine Maschine verstanden, in der ein
magnetisches Drehfeld auftritt. Hierbei kann es sich z. B.
um eine Asynchron- oder Synchronmaschine, insbesondere für
Dreiphasenstrom, oder um eine Maschine mit elektronischer
Kommutierung handeln. Bei einer Drehfeldmaschine über
streicht das magnetische Feld einen vollen 360°-Grad-Um
lauf, bei einer Wanderfeldmaschine hingegen nur einen oder
mehrere Ausschnitte hiervon. Bei der Wanderfeldmaschine
kann es sich also z. B. um eine Asynchron- oder Syn
chronmaschine handeln, deren Ständer sich nur über einen
oder mehrere Sektoren des Läufers erstreckt - ähnlich einem
bzw. mehreren gekrümmten Linearmotor(en).
Das Antriebssystem weist vorzugsweise wenigstens einen
Wechselrichter zum Erzeugen der für die magnetischen Felder
der elektrischen Maschine benötigten Spannungen und/oder
Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase auf
(Anspruch 8). Der Wechselrichter kann die für die magneti
schen Felder (insb. Dreh- bzw. Wanderfelder) benötigten
Spannungen und/oder Ströme mit (innerhalb gewisser Grenzen)
frei wählbarer Frequenz, Amplitude oder Phase oder beliebi
ger Kombinationen dieser Größen erzeugen. Er kann dies
vorteilhaft mit Hilfe elektronischer Schalter aus einer
vorgegebenen Gleich- oder Wechselspannung oder einem vor
gegebenen Gleich- oder Wechselstrom tun. Besonders vorteil
haft sind alle drei Größen - Frequenz, Amplitude und Phase
- frei wählbar. Ein Wechselrichterantrieb hat u. a. den
Vorteil, mit hoher Variabilität bei unterschiedlichsten
Betriebszuständen und verschiedenartigsten Drehungleichför
migkeiten diese effektiv verringern und in vielen Fällen
praktisch vollständig unterdrücken zu können und einfach
eine ggf. gewünschte Überlagerung eines Zusatz-Drehmoments
mit gewünschter Stärke herbeiführen zu können.
Grundsätzlich kann die Vorrichtung (d. h. insbesondere die
elektrische Maschine) so gesteuert werden, daß sie entweder
nur Drehungleichförmigkeiten zum Schnellen hin (sog. posi
tive Drehungleichförmigkeiten) oder zum Langsamen hin (sog.
negative Drehungleichförmigkeiten) entgegenwirkt. Besonders
wirksam ist jedoch eine Betriebsweise, bei der sie sowohl
negativen als auch positiven Drehungleichförmigkeiten ent
gegenwirkt (Anspruch 9).
Dabei wird die Vorrichtung vorzugsweise so gesteuert, daß
sie ein schnell alternierendes, und zwar bei einer positi
ven Drehungsgleichförmigkeit ein bremsendes und bei einer
negativen Drehungleichförmigkeit ein antreibendes Drehmo
ment erzeugt, dem sie vorteilhaft zur zusätzlichen Erzie
lung einer antreibenden Wirkung oder einer bremsenden oder
generatorischen Wirkung zumindest zeitweise ein positives
bzw. negatives Drehmoment überlagern kann (Anspruch 10).
Bei Ausgestaltungen, bei denen die elektrische Maschine
außerdem als elektromagnetische Kupplung wirkt, kann an die
Stelle des schnell alternierend bremsenden und antreibenden
Drehmoments ein schnell variierend größerer und kleinerer
Kupplungsschlupf treten.
Unter einer "schnellen Variation" wird eine Variation im
Frequenzbereich der zu verringernden Drehungleichförmigkei
ten verstanden, also z. B. bei der Drehungleichförmigkeit
der 2. Ordnung und bei einer Drehzahl von 3000 U/min (in
neuerer Einheit ausgedrückt: min-1) eine Variation mit einer
Frequenz von 100 Hz. Demgegenüber variiert das ggf. über
lagerte Zusatz-Drehmoment - abgesehen von möglicherweise
steilen Flanken am Anfang oder Ende der Überlagerung - im
allgemeinen langsam oder ist konstant.
Durch die (insbesondere additive) Überlagerung des
Zusatz-Drehmoments in der gewünschten Richtung und Stärke sind die
Drehungleichförmigkeits-Verringerung und die Zusatz-Dreh
momenterzeugung voneinander entkoppelt. Das schnell vari
ierende Drehmoment wird in seinem Verlauf durch die Über
lagerung praktisch nicht verändert, nur gegenüber der Nul
linie verschoben. Ausnahmsweise verändert sich das schnell
variierende Drehmoment nur dann, falls der Verbrennungs
motor aufgrund der mit der Zuschaltung des Zusatz-Drehmo
ments einhergehenden Laständerung tätsächlich geänderte
Drehungleichförmigkeiten zeigt.
Falls das momentan gelieferte Zusatz-Drehmoment kleiner als
die momentane Amplitude des Wechsel-Drehmoments ist, zeigt
das Gesamt-Drehmoment der elektrischen Maschine - wenn auch
gegenüber der Nullinie verschoben - abwechselnd positive
und negative Werte. Falls es hingegen größer ist, ist das
Gesamt-Drehmoment nur positiv oder negativ, wobei dessen
Betrag einen schnell variierenden Anteil enthält. Ein brem
sendes Zusatz-Drehmoment kann dazu dienen, daß die elek
trische Maschine den Kupplungsschlupf verringert, eine
bremsende Synchronisier-Funktion ausübt, als Generator zur
Stromversorgung fungiert und/oder eine Bremsung des Fahr
zeugs herbeiführt oder unterstützt und/oder etwa im Rahmen
einer Anti-Schlupf-Regelung durch Bremsen den Schlupf eines
Antriebsrads verringert. Die bei Anwenden dieser Bremsfunk
tionen generatorisch gewonnene Bremsenergie (Zusatzdrehmo
ment-Bremsenergie) kann - wie die von Drehungleichförmig
keiten herrührende - gespeichert werden (z. B. in einem
elektrischen Speicher oder in einem Schwungradspeicher) und
als Antriebsenergie wiederverwendet oder in ein Netz oder
z. B. die Fahrzeugbatterie eingespeist werden. Ein antrei
bendes Zusatz-Drehmoment kann einer beschleunigenden Syn
chronisierfunktion dienen oder eine Beschleunigung des
Fahrzeugs unterstützen (die elektrische Maschine wirkt dann
als "Booster") oder herbeiführen, beispielsweise um Be
schleunigungslöcher, etwa bei einem Turbolader-Motor, zu
füllen.
Um einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad des Antriebs
systems zu erzielen, wird vorteilhaft die beim Verringern
einer positiven Drehungleichförmigkeit gewonnene Energie
(Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie) sowie ggf. die bei
bremsendem Zusatz-Drehmoment gewonnene Energie (Zusatzdreh
moment-Bremsenergie) wenigstens teilweise gespeichert und
die gespeicherte Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie wird
wenigstens teilweise zum Verringern einer negativen Dre
hungleichförmigkeit wiederverwendet (Anspruch 11).
Die Speicherung der Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie
sowie ggf. der Zusatzdrehmoment-Bremsenergie kann insbe
sondere durch die beiden folgenden Ausgestaltungen des
Systems, nämlich durch einen elektrischen Speicher oder
einen mechanischen Speicher (Schwungradspeicher) und auch
eine Kombination von beiden erfolgen:
Bei der ersten Ausgestaltung dient zur Speicherung der Bremsenergie ein elektrischer Speicher (Anspruch 12), bei spielsweise eine Kapazität, Induktivität oder eine (schnel le) Batterie. Vorteilhaft ist der Wechselrichter (falls vorhanden) ein Zwischenkreis-Wechselrichter, dessen Zwischenkreis wenigstens einen elektrischen Speicher für Bremsenergie aufweist oder mit wenigstens einem solchen gekoppelt ist. Der Speicher kann entweder ausschließlich der Speicherung von Bremsenergie dienen (in diesem Fall wäre er z. B. zusätzlich zu einem üblicherweise vorhandenen Zwischenkreis-Speicher geschaltet, welcher die beim Wech selrichter-Taktbetrieb erforderlichen Spannungs- bzw. Stromimpulse liefern kann), oder er kann nur teilweise der Speicherung der Bremsenergie dienen, also noch andere Ener gie - z. B. die zum Taktbetrieb nötige - speichern (im letz teren Fall könnte er z. B. mit dem üblichen Zwischenkreis-Speicher zusammenfallen). Im übrigen kann die Ausbildung des Stromrichters als Zwischenkreis-Stromrichter in jedem Fall - z. B. auch ohne Zwischenspeicherung von Bremsenergie - vorteilhaft sein.
Bei der ersten Ausgestaltung dient zur Speicherung der Bremsenergie ein elektrischer Speicher (Anspruch 12), bei spielsweise eine Kapazität, Induktivität oder eine (schnel le) Batterie. Vorteilhaft ist der Wechselrichter (falls vorhanden) ein Zwischenkreis-Wechselrichter, dessen Zwischenkreis wenigstens einen elektrischen Speicher für Bremsenergie aufweist oder mit wenigstens einem solchen gekoppelt ist. Der Speicher kann entweder ausschließlich der Speicherung von Bremsenergie dienen (in diesem Fall wäre er z. B. zusätzlich zu einem üblicherweise vorhandenen Zwischenkreis-Speicher geschaltet, welcher die beim Wech selrichter-Taktbetrieb erforderlichen Spannungs- bzw. Stromimpulse liefern kann), oder er kann nur teilweise der Speicherung der Bremsenergie dienen, also noch andere Ener gie - z. B. die zum Taktbetrieb nötige - speichern (im letz teren Fall könnte er z. B. mit dem üblichen Zwischenkreis-Speicher zusammenfallen). Im übrigen kann die Ausbildung des Stromrichters als Zwischenkreis-Stromrichter in jedem Fall - z. B. auch ohne Zwischenspeicherung von Bremsenergie - vorteilhaft sein.
Unter einem "Zwischenkreis" versteht man einen Kreis, wel
cher im wesentlichen Gleichspannung bzw. -strom liefern
kann, aus der ein nachgeschalteter Wechselrichter-Teil (der
sog. Maschinen-Wechselrichter) durch Pulsen oder Takten
variable Wechselspannungen bzw. -ströme bilden kann. Diese
Gleichspannung bzw. dieser Gleichstrom muß i.a. besonderen
Anforderungen genügen, welche beispielsweise von einer
Fahrzeugbatterie kaum erbracht werden könnten: Beispiels
weise muß bei einem Spannungszwischenkreis-Wechselrichter
der Zwischenkreis Spannungsimpulse mit extremer Flankens
teilheit und auf hohem Spannungsniveau bereitstellen. Eine
Fahrzeugbatterie ist hierzu i.a. zu langsam und liefert zu
niedrige Spannung. Im allgemeinen umfaßt ein
Zwischenkreis-Wechselrichter drei Baugruppen, und zwar eine Eingangsbau
gruppe zur Versorgung mit bzw. Abfuhr von elektrischer
Energie, eine Ausgangsbaugruppe in Form des Maschinen-Wech
selrichters und den dazwischenliegenden Zwischenkreis. Da
bei dem Antriebssystem Energie auch über den
Maschinen-Stromrichter gewonnen und nach Zwischenspeicherung wieder
über diesen abgeführt werden kann, kann der Wechselrichter
im Prinzip auch autark d. h. ohne Eingangsbaugruppe arbei
ten. Der Begriff "Zwischenkreis" bezeichnet auch in diesem
Fall - obwohl der Kreis dann nicht mehr zwischen zwei Bau
gruppen liegt - den Kreis mit der o.g. Funktion, Gleich
spannung bzw. -strom für den Maschinen-Wechselrichter be
reitzustellen.
Bei der weiteren Ausgestaltung dient ein Schwungrad zur
Speicherung der Bremsenergie (Anspruch 13). Vorzugsweise
ist das Schwungrad elektrisch über eine (zweite) elektri
sche Maschine mit der Vorrichtung zur aktiven Verringerung
von Drehungleichförmigkeiten gekoppelt. Hierbei kann es
sich z. B. um eine von einem eigenen Stromrichter gesteuerte
Drehfeld- oder Stromwendermaschine handeln. Im Fall einer
zwischenkreis-stromrichtergesteuerten (ersten) Maschine zur
Drehungleichförmigkeits-Verringerung können beide Strom
richter vorteilhaft jeweils in ihrem Zwischenkreis elek
trisch miteinander gekoppelt sein. Die Vorrichtung zur Dre
hungleichförmigkeits-Verringerung und die Schwungrad-Ma
schine arbeiten im Gegentakt: Wenn erstere bremsend wirkt,
beschleunigt zweitere das Schwungrad bzw. wenn erstere
antreibend oder weniger bremsend wirkt, bremst zweitere das
Schwungrad. Da mit einem solchen Schwungrad-Energiespeicher
relativ hohe Energiedichten gespeichert werden können, ist
seine Verwendung insbesondere dann vorteilhaft, wenn An
fahrkupplungsschlupf-Energie gespeichert werden soll oder
wenn Drehungleichförmigkeiten mit relativ großem Energiege
halt vorliegen, wie es z. B. bei einem Dreizylinder-Vier
takt-Dieselmotor der Fall sein kann. Der Schwungrad-Ener
giespeicher kann auch mit dem o.g. elektrischen Speicher
kombiniert werden.
Die (erste) elektrische Maschine kann neben der aktiven
Verringerung von Drehungleichförmigkeiten gleichzeitig oder
zeitlich versetzt auch andere Funktionen ausführen und so
herkömmlicherweise auf diese Funktionen spezialisierte Ma
schinen ersetzen. Insbesondere kann sie außerdem die Funk
tion eines Starters, z. B. für einen mit der Welle gekoppel
ten Verbrennungsmotor, und/oder die Funktion eines Genera
tors zur Stromversorgung, z. B. zur Ladung einer Batterie
oder Speisung eines Bordnetzes, haben (Anspruch 14). Wäh
rend des Startvorgangs ist i.a. keine Drehungleichförmig
keits-Verringerung erforderlich; hierzu wird die elektri
sche Maschine vorübergehend als reiner Elektromotor betrie
ben. Die Generatorfunktion ist hingegen i.a. auch während
der Drehungleichförmigkeits-Verringerung erwünscht. Durch
Überlagerung des schnell variierenden Moments mit einem
gleichförmig bremsendes Moment erreicht man im zeitlichen
Mittel einen Gewinn elektrischer Energie.
In entsprechender Weise kann die Vorrichtung zur Drehung
leichförmigkeits-Verringerung, d. h. insbesondere die elek
trische Maschine auch als Zusatzfunktion ein Beschleunigen
und/oder Abbremsen der Welle herbeiführen oder unterstützen
(Anspruch 15). Beispielsweise kann dies der Beschleunigung
eines Kraftfahrzeugs zusammen mit dem Antriebsaggregat
dienen. Zum Abbremsen eines Fahrzeugs kann die elektrische
Maschine als verschleißfreie, ggf. generatorische Bremse
oder Zusatzbremse dienen. Im Zusammenhang mit einer Anti-
Schlupf-Regelung kann die elektrische Maschine durch Brem
sen schnell das Gesamt-Antriebsmoment und damit den Schlupf
eines oder mehrerer Antriebsräder verringern. Bei elektro
magnetischer Kupplungsfunktion kann der Antriebsrad-Schlupf
statt durch Bremsen auch durch Vergrößern des
Kupplungs-Schlupfes verringert werden. Es ist möglich, während der
Ausführung dieser Zusatzfunktionen die Drehungsgleichförmig
keits-Verringerungsfunktion auszuschalten oder beide Funk
tionen gleichzeitig auszuführen, etwa - wie oben erläutert
- durch Überlagern eines entsprechenden antreibenden bzw.
bremsenden Moments.
Die bei Anwenden dieser Zusatzfunktionen gewonnene Bremsen
ergie kann - wie die von Drehungleichförmigkeiten herrüh
rende - gespeichert werden (z. B. im elektrischen Speicher
oder im Schwungradspeicher) und als Antriebsenergie wieder
verwendet oder in ein Netz oder z. B. die Fahrzeugbatterie
eingespeist werden. Um bei der Fahrzeugbremsung mit Hilfe
der elektrischen Maschine einen möglichst hohen Wirkungs
grad der Bremsenergie-Rückgewinnung zu erzielen, trennt man
beim Bremsen vorteilhaft die elektrische Maschine vom An
triebsaggregat mit Hilfe einer dazwischengeschalteten, z. B.
mechanischen Kupplung.
Bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen, anderen Fahrzeugen und
auch stationären Antriebsaggregaten gibt es häufig Hilfs
maschinen, welche - da sie relativ hohe Leistung aufnehmen
- mechanisch vom Antriebsaggregat angetrieben werden, z. B.
über Riemengetriebe. Hierbei kann es sich z. B. um Klimama
schinen, Servoantriebe, Pumpen oder ähnliches handeln. Eine
derartige mechanische Antriebskopplung ist i.a. nicht opti
mal, da die Hilfsmaschine dem Antriebsaggregat durch die
von ihm vorgegebenen Drehzahl-Zustände folgen muß. Sie
läuft damit einerseits nicht konstant bei ihrer optimalen
Drehzahl und muß andererseits auch dann laufen, wenn dies
mangels abgefragter Hilfsleistung gar nicht nötig wäre. Um
diese Nachteile zu überwinden, ist es vorteilhaft, daß die
elektrische Maschine Strom auf relativ hohem Spannungsni
veau, vorzugsweise höher als 100 Volt, besonders vorzugs
weise im Bereich von 250-450 Volt liefert, und Hilfsma
schinen elektrisch auf diesem hohen Spannungsniveau ange
trieben werden (Anspruch 16). Ein derart hohes Spannungs
niveau kann insbesondere bei einem Zwischenkreis-Wechsel
richter im Zwischenkreis bereits vorliegen, und braucht so
nicht besonders für diesen Zusatzzweck erzeugt werden. Ein
elektrischer statt eines mechanischen Hilfsmaschinen-An
triebs ist deshalb möglich, da aus dem hohen Spannungsni
veau relativ kleine Ströme resultieren (im Gegensatz etwa
zu dem 12-Volt-Spannungsniveau eines herkömmlichen Kraft
fahrzeugnetzes). Elektrisch angetrieben kann man die Hilfs
maschinen im Bedarfsfall bei ihrer optimalen Drehzahl lau
fen lassen und ansonsten abschalten. Man erreicht so eine
deutliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades.
Die aktive Verringerung von Drehungleichförmigkeiten beruht
- wie gesagt - darauf, daß die Vorrichtung positiven und/
oder negativen Drehungleichförmigkeiten entgegenwirkt, also
z. B. bei positiven Drehungleichförmigkeiten bremsend und/
oder bei negativen antreibend wirkt. Hierfür benötigt eine
Steuereinrichtung der Vorrichtung Information über den
Zeitpunkt und ggf. den Betrag einer positiven bzw. negati
ven Drehungleichförmigkeit.
Eine Möglichkeit, diese Information zu erhalten, liegt in
einer Messung der momentanen Drehungleichförmigkeit oder
einer anderen, mit ihr gekoppelten Größe. Beruht der Be
trieb der Vorrichtung auf dieser Information, so handelt es
sich - wie oben bereits erwähnt wurde- um eine (rückgekop
pelte) Regelung, da das tatsächliche Vorliegen einer Dre
hungleichförmigkeit zu einer unmittelbaren Rückwirkung auf
diese Drehungleichförmigkeit führt.
Als andere - ebenfalls bereits erwähnte - Möglichkeit ver
wendet man als Information für den Betrieb der Vorrichtung
nicht die tatsächliche, sondern eine erwartete Drehun
gleichförmigkeit. Es handelt sich hierbei also um eine
(nicht-rückgekoppelte) Steuerung. Beispielsweise kann man
bei dem Verbrennungsmotor Betrag und Vorzeichen der momen
tanen Drehungleichförmigkeit als Funktion des (Kurbel)-
Wellenwinkels und eines oder weiterer Betriebsparameter
(z. B. Drehzahl und Drosselklappenstellung) einmal an einem
Prototyp bestimmen bzw. per Rechner simulieren und mit
dieser Information, gespeichert in Form eines Kennfeldes,
jeden Serien-Verbrennungsmotor ausrüsten. Im Betrieb mißt
das System dann den momentan vorliegenden Kurbelwellenwin
kel und die weiteren Betriebsparameter (z. B. Drehzahl und
Drosselklappenstellung), liest die dazugehörigen gespei
cherten Kennfeldwerte für Betrag und Amplitude der erwar
teten Drehungleichförmigkeit, und steuert über die Steuer
einrichtung die Vorrichtung entsprechend, um der Drehung
leichförmigkeit entgegenzuwirken.
Möglich ist außerdem eine adaptive Steuerung, d. h. eine
(nicht-rückgekoppelte) Steuerung, bei der die Steuerinfor
mation jedoch nicht feststehend ist, sondern durch Messung
zeitlich vorausgehender Drehungleichförmigkeiten definiert
oder zumindest modifiziert wird.
Möglich sind ferner Mischformen der genannten Arten, z. B.
können die in einem Kennfeld gespeicherten Erwartungswerte
bezüglich einer erwarteten Größe adaptiv sein (z. B. bezüg
lich der Amplitude), während sie bezüglich einer anderen
erwarteten Größe (z. B. Wellenwinkel) feststehend sein könn
ten. Entsprechend läßt sich auch Regelung und Steuerung
kombinieren, etwa indem der Wellenwinkel als Erwartungswert
aus einem Kennfeld entnommen wird, während die Amplituden
information aus einer Messung der momentanen Drehungleich
förmigkeit abgeleitet wird. Eine sehr vorteilhafte Kombina
tion ist auch eine Regelung mit Vorsteuerung, bei der z. B.
in jedem Regelintervall die Regelung zunächst entsprechend
einem erwarteten Drehungsgleichförmigkeitswert aus einem
Kennfeld voreingestellt wird (Vorsteuerung) und anschlie
ßend die i.a. kleineren Abweichungen des tatsächlichen
Werts zum voreingestellten Wert nachgeregelt werden (Rege
lung). Diese Steuerart liefert bei relativ geringem Aufwand
ein sehr schnelles und genaues Regelverhalten. Es kann auch
vorteilhaft sein, bei niedrigen Drehzahlen (z. B. im Leer
lauf) mit (rückgekoppelter) Regelung zu arbeiten, dagegen
bei höheren Drehzahlen zu (nicht-rückgekoppelter) Steuerung
überzugehen (Anspruch 17). Alle diese Steuerarten können
die zusätzlich bereits oben erwähnte Information zur Steue
rung des Zylinderabschalt- bzw. -anschaltbetriebs verwen
den.
Jede dieser verschiedenen Steuerarten hat ihre Vor- und
Nachteile: Eine Kennfeldsteuerung ist besonders einfach,
erlaubt aber keine Anpassung etwa an produktions- oder ver
schleißbedingte Streuungen der Drehungsgleichförmigkeits-
Charakteristik und darüberhinaus auch keine Verringerung
von stochastischen Drehungleichförmigkeiten. Eine Regelung
hat diese letztgenannten Nachteile nicht, stellt aber hohe
Anforderungen an die Geschwindigkeit der Meßwerterfassung
und -verarbeitung; auch muß sie Stabilitätsbedingungen
genügen. Eine adaptive Steuerung und Mischformen der Steu
erarten können die Vorteile von Regelung und Steuerung
vereinen.
Bei Regelung, adaptiver Steuerung und entsprechenden Misch
formen muß die Meßgröße nicht unmittelbar die Drehungleich
förmigkeit (ggf. abgeleitet aus einer Messung der Winkella
ge oder -geschwindigkeit als Funktion der Zeit) sein. Es
kann sich vielmehr auch um eine (oder mehrere) andere Grö
ße(n) handeln, die einen Schluß auf zumindest einen Teil
der auftretenden Drehungleichförmigkeiten erlaubt (erlau
ben). Bei einem Verbrennungsmotor kann diese Größe vorteil
haft der Gasdruck in einem oder mehreren Motorzylindern
sein. Der Gasdruck ist nämlich eine wesentliche, veränder
liche Quelle der Drehungleichförmigkeiten. Außerdem zu
berücksichtigen ist eine andere wesentliche, praktisch
unveränderliche Quelle - die Massenkräfte. Ihr Beitrag kann
in einem Kennfeld fest gespeichert sein. Alternativ (oder
ergänzend) kann das momentane Drehmoment des Verbrennungs
motors, z. B. mit Hilfe einer Drehmomentnabe gemessen wer
den. Die Verwendung des Gasdruckes und/oder des momentanen
Drehmoments als Meßgröße erlaubt somit eine relativ ein
fache und schnelle Regelung, adaptive Steuerung oder ent
sprechende Mischform (Anspruch 18). Der Gasdruck und/oder
das momentane Drehmoment kann auch eine für die Verbren
nungsmotor-Steuerung nützliche Größe darstellen.
In Fällen, bei denen auf die Welle auch Radialkräfte ein
wirken - wie bei einem Hubkolbenmotor - wird die Welle
neben Drehungleichförmigkeiten i. a. auch zu Radialschwin
gungen angeregt. Es ist daher vorteilhaft, daß die Vorrich
tung zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten
auch Radialschwingungen der Welle verringern kann, insbe
sondere indem sie - als elektrische Maschine ausgebildet -
einen Feldsektor aufweist oder mehrere Feldsektoren mit
wenigstens teilweise unabhängig steuerbaren Wanderfelder
aufweist, wobei das bzw. die Wanderfeld(er) in dem (den)
Feldsektor(en) so gesteuert ist (sind), daß die elektrische
Maschine neben Drehungleichförmigkeiten auch Radialschwin
gungen der Welle verringert (Anspruch 19). Hierzu folgende
Erläuterung: Beispielsweise bei einer kreisförmig geschlos
senen (360°-)Drehfeldmaschine heben sich die auf die Welle
wirkenden magnetischen Kräfte aus Symmetriegründen auf, so
daß resultierend nur Drehmomente verbleiben. Erstreckt sich
das magnetische Feld hingegen nur über einen Sektor (d. h.
über weniger als 360°), so ruft das Feld neben einem Dreh
moment im allgemeinen auch eine Kraft mit wenigstens einer
Komponente in Radialrichtung der Welle hervor. Mit einer
Sektormaschine können daher außerdem Radialschwingungen
verringert werden. Hierzu wird die elektrische Maschine so
gesteuert, daß die in Radialrichtung wirkende magnetische
Kraft der momentan ablaufenden Radialschwingungs-Auslenkung
entgegengesetzt ist. Mit einem einzigen Feldsektor ist eine
gleichzeitige Verringerung von Drehungleichförmigkeiten und
Radialschwingungen i. a. nur angenähert möglich. Eine noch
bessere Wirkung erzielt man mit mehreren unabhängig steuer
baren Wanderfeldern (z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 usw.).
Selbstverständlich können die mehreren Feldsektoren räum
lich in einen kreisförmig umlaufenden Ständer zusammenge
faßt sein, wenn sie nur funktionell als Feldsektoren wirken
und unabhängig steuerbar sind. Eine elektrische Maschine
mit mehreren unabhängigen Feldsektoren kann man übrigens
auch als mehrere elektrische Maschinen, die auf einen ge
meinsamen Läufer wirken, auffassen.
Alternativ zur Verwendung einer elektrischen Maschine mit
unabhängigen Feldsektoren kann das System auch wenigstens
einen Aktuator aufweisen, der Radialkräfte auf die Welle
ausüben kann und so gesteuert ist, daß er Radialschwingun
gen der Welle entgegenwirkt. Der Aktuator kann z. B. die
Form mehrerer Elektromagnete oder piezoelektrischer Steller
haben, die gegenphasig zur Radialschwingung auf die Welle
wirken.
Um Radial-Resonanzschwingungen der Welle aus dem Betriebs
Drehzahlbereich herauszuverlegen, kann der Läufer der elek
trischen Maschine vorteilhaft als passiver Schwingungstil
ger ausgebildet sein oder es kann ihr ein solcher parallel
geschaltet sein.
Die elektrische Dreh- bzw. wanderfeldmaschine des An
triebssystems ist vorzugsweise eine Asynchronmaschine, eine
Synchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine, insbesondere
für Drei-Phasen-Strom (Anspruch 20). Eine Asynchronmaschine
hat i.a. einen relativ einfach aufgebauten Läufer (i. a.
einen Läufer mit Kurzschlußwicklungen oder Wicklungen,
deren Enden an Schleifringe geführt sind) und weist daher
hinsichtlich der Erstellungskosten und der mechanischen
Belastbarkeit Vorteile auf. Sie ist jedoch steuerungstech
nisch relativ kompliziert, da Betrag und Phasenwinkel des
Läuferstromes lastabhängig, aber nicht direkt über Stän
dergrößen meßbar sind. Für eine Einstellung eines bestimm
ten Drehmoments ist jedoch eine Kenntnis des Läuferstromes
nötig. Hingegen haben Synchronmaschinen (sie haben Läufer
mit ausgeprägten Polen, die über Permanentmagnete oder
Strom erregt werden) im allgemeinen höhere Erstellungsko
sten. Sie sind andererseits steuerungstechnisch einfacher
zu handhaben, da bei ihnen das Drehmoment im wesentlichen
vom Läuferwinkel abhängt, der mit Hilfe eines
Läuferlage-Gebers direkt meßbar ist. Bei denjenigen Ausgestaltungen
der elektrischen Maschine, die von vornherein einen höheren
Steueraufwand haben - wie etwa die oben erläuterte Maschine
mit mehreren unabhängigen Feldsektoren - kann daher eine
Synchronmaschine besonders vorteilhaft sein. Reluktanzma
schinen gehören im weiteren Sinn zu den Synchronmaschinen.
Insbesondere bei der Asynchronmaschine erfolgt die Steue
rung der elektrischen Maschine vorzugsweise auf der Grund
lage einer feldorientierten Regelung (sog. Vektorregelung).
Hierbei wird, ausgehend von direkt meßbaren momentanen
Größen, wie angelegte Spannung, Ständerstrom und ggf. Dreh
zahl, anhand eines rechnerischen dynamischen Maschinenmo
dells der Ständerstrom in eine drehmomentbildende Komponen
te, die mit dem Läuferfluß das Drehmoment erzeugt, und eine
senkrecht dazu verlaufende, den Maschinenfluß erzeugende
Komponente rechnerisch zerlegt und so das Drehmoment er
mittelt. Diese Steuerungstechnik erlaubt es - obwohl die
Stromverhältnisse im Läufer nicht direkt meßbar sind - ein
gewünschtes Drehmoment mit hoher Genauigkeit einzustellen.
Bei der Vorrichtung zur aktiven Verringerung von Drehung
leichförmigkeiten handelt es sich i. a. um eine Hilfsvor
richtung, die z. B. im Triebstrang eines Kraftfahrzeugs mit
dem Antriebsaggregat (Verbrennungsmotor) angeordnet ist.
Wegen ihres Hilfs-Charakters sollte sie relativ zum An
triebsaggregat wenig Raum beanspruchen, sollte also mög
lichst kompakt aufgebaut sein. Die im folgenden genannten
vorteilhaften Maßnahmen dienen - neben anderen vorteilhaf
ten Zwecken - einem solch kompakten Aufbau.
Eine Maßnahme zur Erzielung hoher Kompaktheit liegt darin,
daß die elektrische Maschine eine feine Polteilung, ins
besondere wenigstens einen Pol pro 45°-Ständerwinkel auf
weist. Bei einer kreisförmig geschlossenen (360°-)Drehfeld
maschine entspricht dies einer Gesamtzahl von wenigstens
acht Polen. Besonders vorteilhaft sind noch feinere Poltei
lungen, entsprechend z. B. 10, 12, 14, 16 oder mehr Polen
bei der kreisförmig geschlossenen Maschine. Eine feine
Polteilung erlaubt es nämlich, die Wickelköpfe des Ständers
klein auszubilden, und zwar sowohl in Axial- wie auch in
Umfangsrichtung der Maschine, so daß die Maschine in Axial
richtung insgesamt kürzer ausgebildet sein kann. Auch kann
bei feinerer Polteilung der Ständerrücken für den magneti
schen Rückfluß dünner (und damit auch leichter) ausgebildet
sein, mit der Folge, daß bei gleichem Außendurchmesser der
Maschine der Läufer einen größeren Durchmesser haben kann.
Größerer Läuferdurchmesser führt wegen des in Umfangsrich
tung längeren Luftspaltes und des größeren wirksamen Hebel
arms zu einem größeren Drehmoment. Insgesamt führt somit
eine feinere Polteilung zu einer kompakteren und leichteren
Maschine. Daneben sind wegen der geringeren Wickeldrahtlän
ge - kleinere Wickelköpfe benötigen weniger nicht-aktiven
Wicklungsdraht - die ohmschen Verluste geringer. Da ferner
das Streufeld (das den Blindleistungsanteil wesentlich
bestimmt) von der Wickelkopffläche abhängt, ist es bei
feiner Polteilung relativ gering. Ein geringes Streufeld
ist insbesondere bei der Drehungleichförmigkeits-Verringe
rung vorteilhaft, da hier - anders als bei einer üblichen
elektrischen Maschine - dauernd zwischen Motor- und Genera
torbetrieb hin- und hergewechselt wird und bei dem damit
einhergehenden Umpolen laufend Blindleistung aufgebracht
werden muß.
Bei schnell laufenden Drehfeld-Maschinen sind feine Pol
teilungen unüblich, da sie eine relativ hohe Polwechsel
frequenz bedingen. Ein üblicher Wert für die Polwechsel
frequenz beträgt beispielsweise 120 Hz. Die im Rahmen der
Erfindung verwendete elektrische Maschine hat hingegen
vorteilhaft eine hohe maximale Polwechselfrequenz, vor
zugsweise zwischen 300 und 1600 Hz und mehr, besonders
vorzugsweise zwischen 400 Hz und 1500 Hz.
Um den Einfluß von Wirbelströmen im Ständer - die mit stei
gender Polwechselfrequenz zunehmen - zu verringern, weist
der Ständer vorteilhaft dünne Ständerbleche, vorzugsweise
mit einer Dicke von 0,35 mm oder weniger, besonders vor
zugsweise 0,25 mm oder weniger auf. Als weitere Maßnahme
zur Verringerung der Verluste sind die Ständerbleche vor
zugsweise aus einem Material mit niedrigen Ummagnetisie
rungsverlusten, insbesondere kleiner als 1 Watt/kg bei 50
Hz und 1 Tesla, gefertigt.
Als weitere Maßnahme, die zu einer kompakten Ausbildung
beiträgt, weist die elektrische Maschine vorteilhaft eine
innere Fluidkühlung auf. Bei dem Fluid kann es sich vor
teilhaft um Öl handeln. Eine sehr effektive Kühltechnik
besteht darin, die Maschine im Inneren ganz unter Öl zu
setzen. Ein Nachteil hiervor ist jedoch, daß oberhalb ca.
500 U/min Turbulenzverluste auftreten, die oberhalb ca.
2000 U/min merkliche Ausmaße annehmen können. Um dem zu
begegnen, erfolgt die Zufuhr des Kühlfluids vorteilhaft
verlustleistungs- und/oder drehzahlabhängig, wobei es sich
bei der Fluidkühlung vorzugsweise um eine Sprühfluidkühlung
handelt. In der Maschine befindet sich dann immer nur im
wesentlichen soviel Kühlfluid, wie momentan zur Abfuhr der
Verlustleistung benötigt wird. Bei sehr hohen Verlustlei
stungen und/oder niedrigen Drehzahlen kann die ganze Ma
schine unter Öl gesetzt sein. Die Sprühfluidkühlung stellt
eine besonders gute Verteilung des Fluids sicher.
Quantitativ läßt sich die Kompaktheit durch die Größe
"Drehmomentdichte" ausdrücken. Vorzugsweise weist die elek
trische Maschine eine hohe Drehmomentdichte - bezogen auf
das maximale Drehmoment - auf, die besonders vorzugsweise
größer als 0,01 Nm/cm³ ist (Anspruch 21).
Wie oben ausgeführt wurde, können an einer Welle mit Dre
hungleichförmigkeiten oft auch Radialschwingungen auftre
ten, insbesondere bei Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren.
Um robust gegenüber Radialschwingungen zu sein, ist das
System vorzugsweise so ausgebildet, daß die elektrische
Maschine stark im Bereich magnetischer Sättigung arbeitet.
Ein Maß für die magnetische Sättigung ist der Strombelag
(bei maximalem Drehmoment) im Ständer pro cm Luftspaltlänge
in Umfangsrichtung. Vorzugsweise beträgt dieses Maß wenig
stens 400-1000 A/cm, besonders vorzugsweise wenigstens
500 A/cm. Das Arbeiten stark im Sättigungsbereich erlaubt
es, die Maschine mit einem relativ weiten Luftspalt auszu
bilden. Änderungen des Luftspaltes - wie sie bei Radial
schwingungen auftreten - wirken sich wegen des Betriebs im
Sättigungsbereich kaum aus. Neben der Robustheit gegenüber
Radialschwingungen erlaubt diese Maßnahme auch eine Her
absetzung der Genauigkeitsanforderungen und damit eine
beträchtliche Vereinfachung der Fertigung der elektrischen
Maschine.
Eine derart kompakt aufgebaute elektrische Maschine hat im
allgemeinen eine relativ geringe Induktivität. Um hier
dennoch beispielsweise mit Hilfe einer getakteten Spannung
einen möglichst genau sinusförmigen Strom zum Erzeugen der
elektrischen Dreh- bzw. Wanderfelder zu erzielen, arbeitet
der Wechselrichter vorteilhaft zumindest zeitweise mit
einer hohen Taktfrequenz, insbesondere 10 kHz bis 100 kHz
und höher. Diese Maßnahme ist auch vorteilhaft zur Erzie
lung einer hohen zeitlichen Auflösung des Systems: Bei
spielsweise kann man mit einer Taktfrequenz von 20 kHz eine
zeitliche Auflösung im Drehmomentverhalten der elektrischen
Maschine von 2 kHz erzielen, mit der man eine Drehungleich
förmigkeit bei 200 Hz wirksam verringern kann (200 Hz ent
sprechen zum Beispiel der vierten Ordnung bei 3000 U/min).
Eine hohe Taktfrequenz hat ferner auch den Vorteil, eine
kompakte Bauweise des Wechselrichters selbst zu erlauben:
Denn beispielsweise bei einem Spannungszwischenkreis-Wech
selrichter ist die Kapazität im Zwischenkreis, welche den
elektronischen Schaltern des Wechselrichters die Zwischen
kreisspannung bereitstellt, umgekehrt proportional zur
Frequenz, so daß bei höherer Taktfrequenz hierfür eine
kleinere Kapazität ausreicht. Die kleineren Zwischenkreis
kondensatoren können mit kurzen Leitungswegen unmittelbar
neben den elektronischen Schaltern angeordnet werden. Fer
ner kann eine nötige EMV-Filterung (EMV: Elektromagnetische
Verträglichkeit) des Wechselrichters nach außen kompakter
ausgeführt sein, da die Größe der Filter umgekehrt propor
tional zur Taktfrequenz ist.
Als weitere vorteilhafte Maßnahme zur Erzielung einer kom
pakten Bauweise des Wechselrichters sind elektronische
Schalter des Wechselrichters fluidgekühlt, vorzugsweise
siedebadgekühlt (Anspruch 22). Als Siedebad-Kühlmittel kann
beispielsweise ein Fluorkohlenwasserstoff verwendet werden.
Bei der Siedebadkühlung verdampft das Kühlmittel an Wärme
punkten und entzieht ihnen dadurch seine relativ hohe Ver
dampfungswärme. Der Dampf steigt auf und kann z. B. in einem
externen Kühler kondensieren und dabei seine Verdampfungs
wärme abgeben. Diese Kühltechnik erlaubt kompakteste Anord
nung der elektronischen Schalter des Wechselrichters ohne
jegliche Kühlkörper. Daneben hat sie den Vorteil, daß zur
Erreichung auch hoher Kühlleistung relativ geringe Tempera
turdifferenzen ausreichen: Während bei einer Luftkühlung
üblicherweise eine Temperaturdifferenz von 40°C zwischen
Kühloberfläche und einem zu kühlenden Chip nötig ist,
reicht hier bereits eine Differenz von 2-10°C, insbesonde
re ungefähr 5°C aus. Als Folge sind hohe Umgebungstempera
turen tolerabel, beispielsweise bei einer Chiptemperatur
von 65°C eine Umgebungstemperatur bis 60°C. Die Abwesen
heit von Kühlkörpern und die hohe erzielbare Kompaktheit
ermöglicht ferner eine hohe Rüttelfestigkeit; daneben er
laubt das Siedebad die Schaffung einer sauerstofffreien
Atmosphäre im Bereich der elektronischen Bauelemente des
Wechselrichters, was sich insgesamt lebensdauerverlängernd
auswirkt. Das den Kühlraum bildende Gehäuse kann - wenn es
aus leitendem Material ausgeführt ist - auch als Abschir
mung dienen. Elektrische Zwischenkreis-Speicherelemente zum
Bereitstellen zu taktender Spannung bzw. zu taktenden
Stroms können innerhalb des Kühlgehäuses angeordnet sein,
wodurch sich kurze Leitungswege ergeben können. Ein ggf.
gesonderter elektrischer Bremsenergie-Speicher kann inner
halb oder außerhalb des Kühlgehäuses angeordnet sein. Die
im letzteren Fall möglicherweise relativ hohen Zuleitungs
induktivitäten stören nicht, da der Bremsenergie-Speicher
auf einer relativ "langsamen" Zeitskala arbeitet.
Eine weitere kühltechnisch vorteilhafte Maßnahme besteht
darin, mehrere elektronische Schalter des Wechselrichters,
insbesondere 2 bis 20 und mehr, parallel zu schalten. Die
Parallelschaltung führt zu einer verteilten Anordnung der
Wärmequellen und damit einer relativ geringen Verlustlei
stungsdichte.
Der Wechselrichter umfaßt vorteilhaft als Schalter Halblei
terschalter, vorzugsweise schnelle Halbleiterschalter, wie
Feldeffekttransistoren - besonders vorzugsweise Metall
oxidhalbleiter (MOS) -Feldeffekttransistoren, bipolare Tran
sistoren und/oder bipolare Transistoren mit isoliertem
Gateanschluß (IGBTs). Unter "schnellen" Halbleiterschaltern
werden insbesondere solche verstanden, die maximale Takt
frequenzen von 10 bis 100 kHz oder mehr erlauben. MOS-Feld
effekttransistoren haben bei hohen Taktfrequenzen die rela
tiv geringsten Verluste. Sie weisen eine ohmsche Charak
teristik auf (während andere Halbleiterbauelemente im all
gemeinen eine feste Verlustcharakteristik haben), so daß im
Teillastbetrieb die Verluste relativ gering sind.
Der Wechselrichter erzeugt die für die magnetischen Felder
der elektrischen Maschine benötigten Spannungen und/oder
Ströme vorzugsweise durch Pulse, insbesondere auf der
Grundlage von Pulsweiten- oder Pulsamplitudenmodulation.
Bei konstanter Zwischenkreisspannung lassen sich durch
sinusbewehrte Pulsweitenmodulation bei hohen Taktfrequenzen
aufgrund der Maschineninduktivität nahezu sinusförmige
Ströme beliebig einstellbarer Frequenz, Amplitude und/oder
Phase erzeugen. Bei der Pulsamplitudenmodulation geht man
beispielsweise aus von einem Wechselrichter mit variabler
Zwischenkreisspannung und erzeugt so Pulse verschiedener
Amplituden.
Zur optimalen Ausnutzung des z. B. in einem Kraftfahrzeug
zur Verfügung stehenden Bauraumes ist es vorteilhaft, daß
in die elektrische Maschine, und zwar insbesondere in deren
Läufer, eine Kupplung, vorzugsweise eine Fahrkupplung inte
griert ist (Anspruch 23). Beispielsweise bei einer linear
motorähnlich aufgebauten Asynchron- und Synchronmaschine
mit innenliegendem Läufer kann der Läufer in seinem inneren
Bereich funktionslos sein und so zur Aufnahme z. B. einer
schaltbaren kraftschlüssigen Kupplung hohl ausgebildet
sein. Durch diese Maßnahme ist es möglich, daß die elek
trische Maschine samt integrierter Kupplung in Axialrich
tung nur so viel wie oder kaum mehr Raum in Anspruch nimmt
als bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeug die Kupplung
alleine benötigt. Aufgrund des reduzierten verfügbaren
Durchmessers und zur Minimierung des Massenträgheitsmomen
tes ist eine Ausführung als Mehrscheiben- und/oder Lamel
lenkupplung bevorzugt. Ist die integrierte Kupplung als
Naßkupplung ausgebildet, kann das Kupplungsfluid auch für
die Kühlung der elektrischen Maschine sorgen. Die Betäti
gung der Kupplung kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch,
pneumatisch oder mit Mischformen hiervon erfolgen.
Um bei dem System zu jedem Zeitpunkt die momentane Winkel
lage der Welle zu kennen, ist die Vorrichtung (d. h. ins
besondere die elektrische Maschine) oder die Welle vor
teilhaft mit einem Läuferlage- bzw. Wellenlage-Geber ausge
rüstet (Anspruch 24). Aus der Information über die momenta
ne Winkellage kann auf die momentane Winkelgeschwindigkeit
und -beschleunigung und damit auf momentane Drehungleich
förmigkeiten geschlossen werden. Auf dieser Information
kann - wie oben ausgeführt wurde - bei einer geregelten
Vorrichtung die Drehungleichförmigkeits-Verringerung basie
ren. Bei einer gesteuerten Vorrichtung wird die Information
über die momentane Winkellage und ggf. die momentane mitt
lere Drehzahl gebraucht, um den richtigen Erwartungswert
aus dem Kennfeld auszulesen. Die Information über die mo
mentane mittlere Drehzahl wird auch zur Bestimmung der in
der Maschine benötigten magnetischen Felder verwendet,
ebenso bei einer Synchronmaschine die Information über die
momentane Winkellage des Läufers. Zur Gewinnung einer mög
lichst genauen Winkellage-Information kann insbesondere ein
Drehtransformator (ein sog. Resolver) dienen, also ein
Transformator mit winkelabhängigem Übertragungsverhältnis.
Auch hochauflösende Kodierer sind für diesen Zweck einsetz
bar, z. B. eine Kombination aus einem hochauflösenden In
krementalgeber und einem einfachen Absolutgeber.
Die Drehungleichförmigkeits-Verringerungsvorrichtung kann
als von dem Antriebsaggregat (Verbrennungsmotor) unabhän
giges Zusatzsystem konzipiert sein. Alternativ können ein
oder oder mehrere Elemente gemeinsam zur Steuerung der
beiden Teilsysteme, also des Antriebsaggregats und der
Vorrichtung genutzt werden. Hierzu kann wenigstens ein
Sensor und/oder wenigstens eine aus Sensorinformation abge
leitete Größe sowohl der Steuerung des Antriebsaggregats
als auch der Steuerung der Vorrichtung dienen, und/oder
eine für die Steuerung der Vorrichtung oder des Antriebs
aggregats zuständige Steuereinrichtung kann auch das An
triebsaggregat bzw. die Vorrichtung teilweise oder ganz
steuern (Anspruch 25). Die Begriffe "Steuerung" und "steu
ern" werden hier in einem weiten Sinn verstanden, der auch
"Regelung" und "regeln" umfaßt. Auch eine Getriebesteue
rung, etwa eines automatischen Getriebes, wird hier der
Antriebsaggregat-Steuerung zugerechnet. Die o.g. gemeinsame
Nutzung von Steuerelementen bezieht sich also auch auf das
Paar "elektrische Maschine-Getriebe".
Bei dem gemeinsam genutzten Element kann es sich also
einerseits um einen Sensor (z. B. einen (Kurbel)-Wellenwin
kel-Sensor oder einen Drehmomentmeßeinrichtung) und/oder um
aus Sensorinformation abgeleitete Größen (z. B. eine daraus
abgeleitete Drehgeschwindigkeit bzw. Drehmomentänderung)
handeln, die gemeinsam gesonderten Steuereinrichtungen für
das Antriebsaggregat und die Vorrichtung zugeordnet sind.
Andererseits kann es sich hierbei auch um eine Steuerein
richtung selbst handeln, welche für die Steuerung der Vor
richtung oder des Antriebsaggregats zuständig ist und da
neben auch das Antriebsaggregat bzw. die Vorrichtung teil
weise oder ganz steuert. Selbstverständlich ist es auch
möglich, diese beiden Aspekte gemeinsamer Nutzung mitein
ander zu vereinen, d. h. wenigstens einen Sensor bzw. eine
aus Sensorinformation abgeleitete Größe und eine Steuer
einrichtung gemeinsam für die Steuerung der Vorrichtung und
des Antriebsaggregats zu nutzen.
Die Tatsache, daß die beiden Teilsysteme völlig unter
schiedliche Funktionen haben, scheint zunächst für deren
unabhängige Steuerung zu sprechen, wie es auch im eingangs
erwähnten Stand der Technik vorgeschlagen wird. Die hier
gelehrte gemeinsame Nutzung von Steuerelementen kann jedoch
vorteilhaft sein, da aufgrund der unterschiedlichen Anfor
derungen, welche an die beiden Teilsysteme gestellt werden,
manche Sensoren bzw. aus Sensorinformation abgeleiteten
Größen des einen Teilsystems genauer und/oder schneller als
die des anderen arbeiten müssen, und da die Steuereinrich
tung des einen Teilsystems zumindest hinsichtlich mancher
Steueraufgaben genauer und schneller arbeitet als die des
anderen Teilsystems. Beispielsweise kann zur Drehungleich
förmigkeits-Verringerung ein sehr hochauflösender Drehwin
kelsensor bereitstehen, von dem schnell und genau die mo
mentane Triebwellenwinkelstellung und ggf. auch die momen
tane Drehgeschwindigkeit abgeleitet wird; die Verwendung
dieser Steuerelemente kann bei der Antriebsaggregatsteue
rung (z. B. Steuerung des Zünd- und/oder Einspritzbeginn-
Zeitpunkts) hilfreich sein. Entsprechendes gilt, wenn bei
spielsweise eines der Teilsysteme eine sehr leistungsfähige
und schnelle Steuer- bzw. Regeleinrichtung, z. B. in Form
eines Hochleistungscomputer-Systems aufweist. Zum Beispiel
kann eine sehr hochfrequente Steuereinrichtung der elek
trischen Maschine zu einem Geschwindigkeitszuwachs in der
Steuerung bzw. Regelung des Antriebsaggregats führen.
Vorzugsweise mißt der gemeinsam genutzte Sensor eine oder
mehrere der folgenden Größen und/oder ist die aus Sensor
information abgeleitete, gemeinsam genutzte Größe eine der
folgenden Größen: Triebwellen-Winkelstellung, Drehzahl, -
Winkelbeschleunigung, Lastzustand, Temperatur, Abgaszusam
mensetzung′ Verbrennungsluftmenge bzw. -masse, Drosselklap
penstellung, Kraftstoffmenge, Einspritzzeitpunkt, Gasdruck,
jeweils des Antriebsaggregats; zum Antrieb der elektrischen
Maschine dienender Strom, Zwischenkreisspannung, Frequenz,
Phase, Schaltzustände von Wechselrichterschaltern, jeweils
des Wechselrichters (falls vorhanden); Winkelstellung,
Drehzahl, Winkelbeschleunigung, Drehmoment, jeweils der
elektrischen Maschine; Geschwindigkeit, Längs- und Querbe
schleunigung, jeweils des Fahrzeugs; Drehzahl der Getrie
beabtriebswelle; Winkelstellung, Drehzahl, Winkelbeschleu
nigung, jeweils eines oder mehrerer Fahrzeugräder; Schlupf
eines oder mehrerer Antriebsräder; Zylinderabschalt- und/
oder -anschaltsignal. Aus den elektrischen Größen Strom,
Zwischenkreisspannung, Frequenz, Phase und/oder Schaltzu
stände von Wechselrichterschaltern kann ohne weitere Senso
ren auf den momentanen Fluß, das momentane Drehmoment und
die momentane Drehzahl geschlossen werden.
Die gemeinsame Steuerung der beiden Teilsysteme braucht
nicht etwa permanent vorzuliegen. Es kann vielmehr vorteil
haft sein, daß die für die Steuerung der Vorrichtung bzw.
des Antriebsaggregats zuständige Steuereinrichtung das
Antriebsaggregat bzw. die Vorrichtung nur während bestimm
ter Betriebszustände teilweise oder ganz steuert. Wenn
beispielsweise im Leerlaufbetrieb des Antriebsaggregats
eine Antriebsaggregat-Steuereinrichtung die Leerlaufdreh
zahl durch rückgekoppelte Regelung konstant zu halten sucht
und gleichzeitig die Vorrichtung zur Drehungleichförmig
keits-Verringerung wechselnde Drehmomente auf die Trieb
welle ausübt, kann es zu Regelinterferenzen kommen. Läßt
man hingegen die für die Vorrichtung zuständige Steuerein
richtung auch die Steuerung der Leerlaufdrehzahl des An
triebsaggregats übernehmen (oder umgekehrt), so kann man
derartige Steuerinterferenzen ausschließen. In anderen Be
triebszuständen jenseits des Leerlaufbetriebs kann die
Steuerung der beiden Teilsysteme hingegen getrennt durch
geführt werden.
Die für die Steuerung der Vorrichtung (insbesondere in Form
einer elektrischen Maschine) zuständige Steuereinrichtung
ist i.a. - insbesondere wenn sie einen Wechselrichter an
steuert - sehr schnell und leistungsfähig und kann daher
vorteilhaft eine oder mehrere der folgenden Steueraufgaben
zur Steuerung (oder auch rückgekoppelten Regelung) des
Antriebsaggregats teilweise oder ganz übernehmen: Dreh
zahlsteuerung (inbesondere im Leerlauf), Kraftstoffzufuhr
steuerung, Drosselklappensteuerung (insbesondere im Leer
lauf), Kraftstoffeinspritz-Steuerung, Zündungssteuerung,
Ventilsteuerung (bei Motoren mit verstellbaren Ventilsteu
erzeiten oder elektromagnetisch betätigten Ventilen), Küh
lungssteuerung (z. B. bei Antriebsaggregaten mit hohem Kühl
mitteltemperaturniveau (z. B. 130°C) und aktiver Kühlung),
Abgasreinigungssteuerung (z. B. Lambdasteuerung), Abgas
rückführungssteuerung, Klopfregelung, Ladedruckregelung,
Zylinderabschaltung, Start-Stop-Steuerung, Getriebesteue
rung.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, daß die für die
Steuerung des Antriebsaggregats zuständige Steuereinrich
tung eine oder mehrere der folgenden Steueraufgaben zur
Steuerung der Vorrichtung (insbesondere in Form der elek
trischen Maschine) teilweise oder ganz übernimmt: Drehmo
mentsteuerung, direkte oder indirekte Ansteuerung von Wech
selrichter-Schaltern (bei wechselrichtergesteuerter elek
trischer Maschine), Steuerung einer Starterfunktion (falls
die elektrische Maschine auch als Starter fungiert) , Steue
rung der Zusatzdrehmoment-Funktion, z. B. der elektromagne
tischen Kupplungs- und/oder Synchronisierungsfunktion
(falls die elektrische Maschinen diese Funktionen ausführt)
oder einer Generatorfunktion (falls die elektrische Ma
schine auch als Generator fungiert).
Diese beiden Möglichkeiten sind im übrigen in dem Grenzfall
deckungsgleich, in dem eine gemeinsame Steuereinrichtung
die gesamte Steuerung sowohl des Antriebsaggregats als auch
der Vorrichtung übernimmt.
Im Stadtverkehr laufen Verbrennungsmotoren von Kraftfahr
zeugen aufgrund häufiger Halte an Ampeln und Kreuzungen
einen beträchtlichen Teil ihrer Betriebszeit im Leerlauf.
Dies stellt eine erhebliche Resourcenverschwendung und
Umweltbelastung dar, da es einen an sich unnützen Mehrver
brauch an Kraftstoff mit einhergehender Emission giftiger,
klimaaktiver oder sonstwie schädlicher Abgase mit sich
bringt.
Um diese unnötigen Leerlaufphasen zu verringern, sind be
reits Personenkraftwagen mit einer sog. Start-Stop-Automa
tik realisiert worden. Hierbei wird der Verbrennungsmotor
bei Eintritt einer bestimmten Stopbedingung (z. B.
Fahrzeug-Stillstand und Motor-Leerlauf) automatisch gestoppt, bei
spielsweise durch Unterbrechen der Kraftstoffzufuhr. Bei
Eintritt einer bestimmten Startbedingung (z. B. Betätigen
des Fahrpedals oder Einlegen eines Ganges) wird der Ver
brennungsmotor dann wieder mit Hilfe des elektrischen Star
ters des Fahrzeugs automatisch gestartet.
Obwohl diese bekannten Antriebssysteme mit Start-Stop-Auto
matik grundsätzlich funktionieren und eine Verringerung des
Gesamt-Kraftstoffverbrauchs möglich erscheinen lassen,
haben sie doch auch Probleme, die bislang ihre Verbreitung
erschwert haben: Die verwendeten herkömmlichen Starter
verursachen ein relativ lautes Startgeräusch, was haupt
sächlich von den Getriebegeräuschen der Ritzelübersetzung
des hochübersetzten Startermotors herrührt (die Übersetzung
ist i.a. 1 : 10 bis 1 : 20). Während beim herkömmlichen Kraft
fahrzeug ohne Start-Stop-Automatik der Starter nur recht
selten betätigt wird und daher das laute Startergeräusch
hingenommen wird, führt es bei Start-Stop-Automatik mit der
dann häufigen Starterbetätigung zu einer störenden Ge
räuschbelästigung der Fahrzeuginsassen sowie der Straßen
anwohner im Bereich von Ampeln und Kreuzungen. Darüber
hinaus unterliegt der Starter mit seinem Magnetschalter,
Ritzel, Einspurmittel und Elektromotor bei der häufigen
Betätigung einem außergewöhnlich hohen Verschleiß, dem ein
üblich dimensionierter Starter kaum gewachsen ist; es wird
daher bei bekannten Antriebssystemen mit Start-Stop-Auto
matik ein - eigentlich überdimensionierter - Lastwagenan
lasser verwendet.
Auch ein in dem Buch D. Henneberger "Elektrische Motoraus
rüstung", Braunschweig 1990, Seiten 98-103, vorgeschlagener
Schwungrad-Starter-Generator scheint für ein
Start-Stop-Automatik kaum geeignet, da er eine relativ lange Totzeit
nach einem Start hat und zu Kupplungsverschleiß führt. Er
umfaßt einen als Schwungrad ausgebildeten Läufer, welcher
im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs auf der Abtriebs
welle zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe sitzt und von
diesen mit Hilfe je einer Kupplung entkoppelbar ist. Zum
Starten wird zunächst das entkoppelte - und damit leerlau
fende - Schwungrad elektromotorisch beschleunigt. Der ei
gentliche Startvorgang erfolgt dann bei einer zum Starten
ausreichenden Schwungrad-Drehzahl (z. B. bei 1000 U/min)
durch schnelles Schließen der Kupplung zum Verbrennungs
motor. Dadurch wird das Schwungrad abgebremst und die Kur
belwelle des Verbrennungsmotors beschleunigt, bis beide
eine gemeinsame mittlere Drehzahl (z. B. 500 U/min) errei
chen und der Selbstanlauf des Verbrennungsmotors erfolgt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Antriebssystem mit einer automatischen Start-Stop-Steuerung
des Verbrennungsmotors ausgerüstet; die elektrische Ma
schine ist dabei direkt mit der Triebwelle des Verbren
nungsmotors gekoppelt oder koppelbar und ist so ausgebil
det, daß sie den Verbrennungsmotor im Zusammenlauf aus dem
Stand starten kann (Anspruch 26).
Unter einer "direkten" Kopplung" wird insbesondere eine
getriebelose Kopplung des Läufers der elektrischen Maschine
mit der Triebwelle verstanden. Die Drehzahl des Läufers
gleicht dann vorzugsweise der Drehzahl des Verbrennungs
motors. Bei einem "Zusammenlauf" bleibt das Verhältnis der
momentanen Drehzahlen des elektrischen Motors und des Ver
brennungsmotors - im Unterschied zu dem o.g. Schwungrad
starter - im wesentlichen konstant (und zwar hat es ins
besondere den Wert Eins). Zusammenlauf "aus dem Stand"
bedeutet, daß die elektrische Maschine und der Verbren
nungsmotor - anders als bei dem o.g. Schwungrad-Starter -
gemeinsam aus dem Stand hochlaufen.
Vorteile dieser Ausgestaltung der Erfindung sind: aufgrund
der direkten Kopplung oder Koppelbarkeit der elektrischen
Maschine mit der Triebwelle des Verbrennungsmotors erzeugt
der Starter praktisch keine hörbaren Geräusche; aufgrund
des Zusammenlaufs aus dem Stand erfolgt das Starten schnell
und mit nur geringer Totzeit; aufgrund der direkten Kopp
lung und des Zusammenlaufs ist der Starter praktisch ver
schleißfrei und erreicht einen relativ sehr hohen Wirkungs
grad; im Vergleich zu einem Schwungrad-Starter hat er ein
relativ geringes Gewicht, günstig ist auch der Fortfall des
Kupplungssystems zum Einkoppeln des Schwungrads; insgesamt
kann das Antriebssystem aufgrund dieser vorteilhaften Ei
genschaften zu einer größeren Verbreitung der
Start-Stop-Automatik führen und so durch Verringerung des Rohstoffver
brauchs und der Emission von Abgasen einen wesentlichen
Beitrag zum Umweltschutz leisten.
Vorteilhaft sitzt der Läufer der elektrischen Maschine auf
der Triebwelle (i.a. der Kurbelwelle) des Verbrennungsmo
tors oder einer (ggf. von ihr entkuppelbaren) Verlängerung.
Er ist vorzugsweise drehfest mit der Triebwelle verbunden.
Die automatische Start-Stop-Steuerung veranlaßt vorzugs
weise ein automatisches Stoppen des Verbrennungsmotors,
wenn eine Stopbedingung (oder eine von mehreren) erfüllt
ist. Zur Definition einer Stopbedingung können verschiedene
Einzelbedingungen dienen, z. B.: Nullast, Schiebebetrieb,
Leerlauf des Verbrennungsmotors (d. h. Drehzahl unterhalb
eines bestimmten niedrigen Wertes), Stillstand des Kraft
fahrzeugs (d. h. Fahrgeschwindigkeit unterhalb eines be
stimmten kleinen Wertes, z. B. 4 km/h), Verbrennungsmotor
ist ausgekuppelt, kein Gang ist eingelegt, die
Betriebs- oder Feststellbremse ist betätigt, Betätigung eines Stop
schalters. Diese Einzelbedingungen können die Stopbedingung
allein definieren (z. B. Stopbedingung = Stillstand des
Kraftfahrzeugs) oder in beliebiger (Unter-) Kombination
(z. B. Stopbedingung = Leerlauf des Verbrennungsmotors und
Stillstand des Kraftfahrzeugs) und/oder in Kombination mit
weiteren Betriebsbedingungen z. B. daß die Betriebstempera
tur des Verbrennungsmotors erreicht ist und/oder der Lade
zustand der Batterie für weitere Starterbetätigungen aus
reichend ist. Das Stoppen des Verbrennungsmotors kann ent
weder sofort bei Eintritt der Stopbedingung (d. h. mit sehr
kurzer Reaktionszeit) oder zeitverzögert (z. B. mit einer
Reaktionszeit von einigen Sekunden) erfolgen. In die Stop
bedingung können auch Größen eingehen, welche die Fahr-
Vorgeschichte betreffen, z. B. kann es erforderlich sein,
daß das Fahrzeug seit dem letzten Stoppen des Verbren
nungsmotors wenigstens einmal gefahren ist. Auch ist es
möglich, aus der vorausgehenden Fahrcharakteristik zu er
kennen, ob sich das Fahrzeug etwa im Stadtverkehr, einem
Stop-and-Go-Verkehr einer Verkehrsstauung oder im Überland
verkehr befindet; die Größe "Stadtverkehr" kann als weitere
Einzelbedingung für die Stopbedingung gefordert sein. Die
Reaktionszeit kann adaptiv variabel sein, in Abhängigkeit
von Einzel- oder Betriebsbedingungen oder der Fahr-Vorge
schichte, z. B. kann sie in dem Fall, daß in der nahen Ver
gangenheit viele Ampelhalte vorgekommen sind, automatisch
verkürzt und im gegenteiligen Fall verlängert werden.
Entsprechend veranlaßt die Start-Stop-Steuerung vorzugs
weise bei Vorliegen einer Startbedingung (oder einer von
mehreren) ein automatisches Starten des Verbrennungsmotors
mit Hilfe der elektrischen Maschine. Auch zur Definition
der Startbedingung können verschiedene Einzelbedingungen -
allein oder in (Unter-)Kombination - dienen, z. B. Betäti
gung des Fahrpedals, Lösen der Betriebs- bzw. Feststell
bremse, Betätigen der Kupplung, Berühren oder Bewegen eines
Gangschalthebels, Einlegen eines Ganges, Betätigen eines
Startschalters. Für die Startbedingung kann das Erfülltsein
noch weiterer Bedingungen gefordert sein, z. B. daß der
Motor stillsteht und/oder zuvor durch automatischen Stop
abgeschaltet worden ist. Ein "Notstart" kann ausgelöst
werden, wenn z. B. die Temperatur des Verbrennungsmotors
unter die Betriebstemperatur abnimmt oder der Ladezustand
der Batterie unter einen Grenzwert absinkt. Um hierbei ein
unbeabsichtiges Anfahren des Kraftfahrzeugs auszuschließen,
kann jedoch das Erfülltsein einer entsprechenden Bedingung
- wie etwa "Kein Gang eingelegt" - erforderlich sein.
Herkömmliche Starter bringen wegen ihrer hohen Übersetzung
den Verbrennungsmotor nur auf eine relativ niedrige
Start-Drehzahl (typischerweise 100-200 U/min), die weit unterhalb
dessen Leerlauf-Drehzahl (typischerweise 700-800 U/min)
liegt. Entsprechendes gilt für den o.g. Schwungrad-Starter,
will man Totzeit und Kupplungsverschleiß in akzeptablen
Grenzen halten. Die Drehzahldifferenz zwischen Start-Dreh
zahl und der Leerlauf-Drehzahl muß der Verbrennungsmotor
dann aus eigener Kraft überwinden. Er benötigt hierfür
jedoch - da er sich bei diesen Drehzahlen weit unterhalb
seiner Leerlauf-Drehzahl in einem sehr ungünstigen Be
triebsbereich befindet - ein relativ großes Quantum Kraft
stoff, welches zudem nur unvollständig verbrennt. Jeder
Motorstart ist daher mit zusätzlichem Kraftstoffverbrauch
und besonders umweltschädlichen Emissionen verbunden. Dies
macht insgesamt einen Teil der ökologisch günstigen Aus
wirkungen einer Start-Stop-Automatik wieder zunichte. Vor
zugsweise ist daher das Antriebssystem so ausgebildet, daß
die elektrische Maschine wenigstens im wesentlichen bis zum
Erreichen der Leerlauf-Drehzahl des Verbrennungsmotors
(welche bei Betriebstemperatur üblicherweise zwischen 700
und 1000 U/min liegt) antreibend wirkt. Diese Maßnahme läßt
den Verbrennungsmotor praktisch erst bei Erreichen seiner
Leerlaufdrehzahl anlaufen und läßt so das betrieblich un
günstige Hochlaufen aus eigener Kraft entfallen. Sie ver
mindert damit den Kraftstoffverbrauch und die besonders
schädlichen Emissionen beim Starten und macht zudem den
Startvorgang schneller. Die Maßnahme ist also ökologisch
besonders vorteilhaft und ist besonders geeignet, zu einer
noch größeren Verbreitung von Antriebssystemen mit Start-
Stop-Automatik beizutragen.
Vorgeschlagen wurden auch automatische Start-Stop-Steue
rungen, bei denen der Verbrennungsmotor außerdem im Schub
betrieb (z. B. bei Berg-ab-Fahrt) ausgekuppelt und gestoppt
wird. Dabei geht aber schlagartig die
Verbrennungsmotor-Bremswirkung verloren. Vorteilhaft wirkt daher die elek
trische Maschine im Fall eines Antriebsaggregat-Stops bei
Schubbetrieb als elektrische Antriebsaggregat-Bremse, die
das entfallene Antriebsaggregat-Bremsmoment ersetzt. Hierzu
ist vorteilhaft zwischen dem Antriebsaggregat und der elek
trischen Maschine eine steuerbar betätigbare Kupplung an
geordnet.
Herkömmlicherweise verwendet man in Antriebssystemen von
Kraftfahrzeugen reibschlüssige Kupplungen, welche ein An
fahren des Kraftfahrzeugs mit Drehmomentwandlung ("schlei
fende Kupplung") in der Anfahrphase ermöglichen. Ihre wei
tere Aufgabe besteht darin, einen Gangwechsel durch Trennen
des Antriebsaggregats (hier des Verbrennungsmotors) von
einem Schaltgetriebe und anschließendes Wiederverbinden mit
einer durch Reibung bewirkten Drehzahlanpassung von An
triebsaggregat und Getriebe zu erlauben. Ferner diesen sie
als Überlastschutz und der Schwingungsdämpfung. Diese Reib
kupplungen sind hochbeanspruchte Verschleißteile, die lau
fend überwacht und zum Teil nachgestellt werden müssen. Bei
überdurchschnittlicher Beanspruchung, wie z. B. bei über
mäßiger Benutzung im Stadtverkehr oder bei belastender
Fahrweise erreichen sie zum Teil nicht die Fahrzeuglebens
dauer und müssen vorher ersetzt werden. Die Bedienung einer
Reibkupplung ist insbesondere für Fahranfänger kompliziert.
Selbst geübten Fahrern gelingt nicht immer ein ruckfreies
Anfahren und Schalten, was nicht nur eine Komforteinbuße,
sondern auch eine besondere Belastung für das Antriebsag
gregat und andere Teile des Antriebssystems darstellt. Ein
(nicht immer) vermeidbares "Abwürgen" des Antriebsaggregats
beim Anfahren stellt in Gefahrensituationen ein erhebliches
Unfallrisiko dar.
Bekannt sind ferner hydrodynamische Kupplungen, zum Teil
mit Wandlerfunktion. Diese erlauben im allgemeinen ein
nahezu ruckfreies Anfahren und Schalten bei einfacher Be
dienung. Sie sind jedoch im Aufbau recht aufwendig. Ihre
Steuerbarkeit ist begrenzt; z. B. ist eine völlige Wellen
trennung oft nicht erzielbar, so daß es im Leerlauf (in
Fahrstellung/Stellung D) zur Schleichfahrt kommt. Zudem
sind sie mit nicht unbeträchtlichen Verlusten behaftet.
Beim Schalten vorn einem Gang in einen anderen müssen mit
einander zu verbindende Getriebeteile zunächst auf Gleich
lauf (d. h. je nach Getriebeart auf gleiche Drehzahl oder
gleiche Umfangsgeschwindigkeit) gebracht, d. h. synchroni
siert werden. Bei klauengeschalteten Getrieben - die zum
Teil für schwere Nutzkraftfahrzeuge verwendet werden -
geschieht dies vom wahrer aus durch Doppelkuppeln (Hoch
schalten) oder Zwischengas (Rückschalten) , was ein hohes
Fahrkönnen erfordert. Bei den meisten herkömmlichen Ge
trieben erfolgt die Synchronisierung mechanisch im Zuge der
Schaltbewegung, und zwar durch Reibungsvorkupplung zur
kraftschlüssigen Drehzahlangleichung, wobei durch eine
Sperreinrichtung das formschlüssige Schalten des Ganges
erst nach Abschluß des Synchronisierungsvorgangs ermöglicht
wird. Zur Reibungsvorkupplung können z. B. Konusringe die
nen. Synchronisierte Getriebe sind konstruktiv und baulich
aufwendig. Die Synchronisiereinrichtungen sind hochbean
sprucht und verschleißgefährdet. Die für die Synchronisie
rung erforderlichen Kräfte müssen vom Fahrer mit der
Schaltbetätigung aufgebracht werden, was sich in einer
relativ hohen Schaltkraft bemerkbar machen kann. Zudem
dauert der Synchronisierungsvorgang eine gewisse Zeit, was
der Schaltbetätigung i.a. einen zähen Charakter verleiht.
Diese Eigenschaften der Schaltbetätigung tragen dazu bei,
daß das Schalten selbst bei geübten Fahrern - auch wenn es
bei ihnen keine bewußte Aktivität mehr erfordert - einen
nicht vernachlässigbaren Teil der Aufmerksamkeit einnimmt,
die eigentlich vollständig für das Verkehrsgeschehen zur
Verfügung stehen sollte. Somit wirkt sich auch dies ins
gesamt nachteilig für die Verkehrssicherheit aus.
Um diese Nachteile ganz oder teilweise zu beheben, wirkt
die elektrische Maschine als elektromagnetische Kupplung im
Antriebsstrang und/oder als aktive Getriebe-Synchronisier
einrichtung oder als Teil hiervon (Anspruch 28).
Der Begriff "Kupplung" wird im Zusammenhang mit elektroma
gnetischer Kupplung in einem weiten Sinn verstanden: Er
umfaßt die Bedeutung von "Kupplung" im engen Sinn, die
ausschließlich der ungeänderten Übertragung von Drehzahl
und Drehmoment dient (wie z. B. eine formschlüssige Kupp
lung), sowie von "Wandler", welcher eine Wandlung von Dreh
zahl und/oder Drehmoment erlaubt (wie z. B. eine reibschlüs
sige oder eine hydrodynamische Kupplung).
Bei einer "elekromagnetischen Kupplung" erfolgt die Mo
mentübertragung über die Kupplung hinweg durch elektrische,
magnetische oder elektromagnetische Kräfte. Es ist möglich,
daß diese Art der Kraftübertragung nur zeitweise vorliegt.
Zum Beispiel kann nach Erreichen gleicher Drehzahl der zu
kuppelnden Wellen die Kraftübertragung von einer mechani
schen Kupplung übernommen werden. Auch eine derartige kom
binierte Kupplung wird als "elektromagnetische Kupplung"
bezeichnet.
Bei einer "aktiven Getriebesynchronisierung" erfolgt die
zum Gleichlauf führende Beschleunigung oder Abbremsung
eines der zu verbindenden Getriebeteile nicht passiv durch
Vor-Kupplung mit dem anderen Getriebeteil. Vielmehr be
schleunigt oder bremst die elektrische Maschine das frei
laufende der beiden Getriebeteile beim Schalten aktiv in
den Gleichlaufzustand, ohne daß hierfür eine Kopplung oder
Vorkopplung mit dem anderen Getriebeteil erforderlich wäre.
Mechanische Synchronisiereinrichtungen (Vorkupplung, Konus
ringe u.ä.) können entfallen. Die erforderliche Gleichlauf
drehzahl kann z. B. bei Erfassung der momentanen Drehzahl
der Getriebe-Abtriebswelle auf der Grundlage bekannter
Übersetzungsverhältnisse der verschiedenen verbindbaren
Getriebeteile schnellstens ermittelt werden, sobald bei der
Schaltbetätigung durch Eintritt in eine bestimmte Schalt
gasse eindeutig erkennbar ist, welcher Gang eingelegt wer
den soll. Die Synchronierung kann in der Zeitspanne erfol
gen, die bis zum Erreichen des Endes des Schaltweges - wo
die Verbindung der Getriebeteile erfolgt - zur Verfügung
steht. Die Synchronisierung erfolgt also ohne Schaltkraft
und ohne merkliche Verzögerung der Schaltbetätigung.
Besonders vorteilhaft vereint das Antriebssystem die Funk
tionen von elektromagnetischer Kupplung und aktiver Syn
chronisiereinrichtung. Beispielsweise bei einfacheren An
triebssystemen kann aber auch jede dieser Funktionen für
sich genommen vorteilhaft sein.
Diese Maßnahme hat die Vorteile, daß die elektromagnetische
Kupplung und/bzw. die aktive Synchronisiereinrichtung kei
nem Verschleiß und keiner Wartung unterliegt; die elektro
magnetische Kupplung eine genaue Einstellung beliebiger zu
übertragender Momente, d. h. Einstellung eines beliebigen
Kupplungsschlupfes ermöglicht und damit steuerungstechnisch
anderen bekannten Kupplungen überlegen ist; auch die zeit
liche Änderung des Kupplungsschlupfes beliebig steuerbar
ist, wodurch ein völlig gleichmäßiger selbsttätiger Über
gang von maximalem Schlupf zu verschwindendem Schlupf rea
lisierbar ist; die Fahrzeugbedienung dadurch auch für unge
übte Fahrer einfacher ist, Anfahren und/oder Schalten völ
lig ruckfrei erfolgt, ein Abwürgen des Antriebsaggregats
ausgeschlossen ist, was insgesamt einen Gewinn für die
Verkehrssicherheit darstellt; bei aktiver Getriebe-Synchro
nisierung das Getriebe wesentlich einfacher konstruiert und
ausgeführt sein kann; das Schalten mit geringerer Schalt
kraft und ohne Zeitverzögerung erfolgen kann und dem Fahrer
so mehr Aufmerksamkeit für das Verkehrsgeschehen überläßt;
ein Fading der Kupplung, d. h. eine Änderung ihrer physika
lischen Eigenschaften infolge von Überhitzung vermieden
werden kann; der bei herkömmlichen mechanischen Kupplungen
übliche Momentensprung beim Übergang von Gleitreibung auf
Haftreibung vermieden werden kann, so daß dadurch ferner
sog. "Kupplungsrupfen" bei periodischem Wechsel von
Haft-und Gleitreibung entfällt; ein Gewichtsvorteil (geringeres
Gewicht) erzielt werden kann, da gegenüber einer herkömm
lichen mechanischen Kupplung die schwere Druckplatte ent
fällt; mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem mittels
Software unterschiedliche Kupplungskennlinien, d. h. Momen
tenverlauf während der Kupplungszeit, eingestellt werden
können und insbesondere das Kuppeln auch automatisch erfol
gen kann; die als Kupplung wirkende elektrische Maschine
weniger Teile als eine herkömmliche mechanische Kupplung
benötigt, so daß Herstellungskosten reduziert werden kön
nen; eine Energierückgewinnung durch generatorisches Brem
sen der Wellen beim Schalten möglich ist und während bei
einer herkömmlichen, mechanischen Kupplung die Abbremsen
ergie in Wärme umgesetzt wird, bei der als Kupplung arbei
tenden elektrischen Maschine die Abbremsenergie in elek
trische Energie umwandelbar ist. Insgesamt erhöht diese
Maßnahme den Fahrkomfort, erleichtert die Fahrzeugbedienung
und trägt zu einer Erhöhung der Verkehrssicherheit bei.
Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt das
Antriebssystem für die Funktion der elektromagnetischen
Kupplung und/oder der Getriebe-Synchronisiereinrichtung
zwei elektrische Maschinen, also eine elektrische Doppelma
schine. Im Normalbetrieb - wenn das Antriebsmoment über
den Antriebsstrang Drehmoment abgibt - fungiert die erste
elektrische Maschine als Generator und die zweite als Mo
tor, wobei die zum Betrieb des Motors benötigte elektrische
Energie im wesentlichen von dem Generator bezogen wird. Die
vom Antrieb gelieferte mechanische Drehenergie wird also
bei dieser Ausgestaltung zunächst über ein Paar relativ
drehender elektromagnetischer Wirkflächen (Ständer und
Läufer der ersten elektrischen Maschine) in elektrischen
Strom verwandelt und dann über ein zweites Paar relativ
drehender elektromagnetischer Wirkflächen (Ständer und
Läufer der zweiten elektrischen Maschine) wieder in mecha
nische Drehenergie, ggf. bei anderer Drehzahl und mit ande
rem Drehmoment zurückverwandelt. Die von der ersten Maschi
ne abgegebene Energiemenge kann größer oder kleiner als die
von der zweiten aufgenommene sein. Der Überschuß bzw. Un
terschuß kann z. B. in einem Energiespeicher gespeichert
bzw. aus einem solchen entnommen werden.
Die Ausgestaltung der Kupplung als elektrische Doppelma
schine erfordert zwar einen gewissen Aufwand, erlaubt dafür
aber relativ einfach steuerbare und insbesondere sehr viel
fältige Betriebsmöglichkeiten. Falls die beiden elektri
schen Maschinen unabhängig steuerbar sind, können sie
nämlich gleichzeitig und unabhängig verschiedene Zusatz
funktionen erfüllen. Zum Beispiel kann die erste Maschine
während des Kuppelns oder des (durch die zweite Maschine
bewirkten) Synchronisierens ein zusätzliches alternierendes
Drehmoment zur aktiven Verringerung von Drehungleichför
migkeiten der Antriebsaggregat-Triebwelle erzeugen.
Besonders vorteilhaft zur Erzielung einer kompakten und
einfach ausgebildeten Doppeleinheit sind die beiden Ma
schinen koaxial angeordnet und/oder haben ein oder mehrere
Teile gemeinsam, wie einen Ständerkörper und/oder ein Ge
häuse. Dies erleichtert auch die Möglichkeit, die Maschinen
mit einer Überbrückungskupplung zusätzlich mechanisch kop
pelbar zu machen.
Bei der anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kupp
lung durch eine elektrische Maschine, also eine
Einzel-Maschine gebildet, welche wenigstens zwei drehbare elek
tromagnetische Wirkeinheiten aufweist, von denen eine mit
einem antriebsseitigen Drehmomentübertrager und die andere
mit einem abtriebsseitigen Drehmomentübertrager gekoppelt
oder koppelbar ist. Bei den Drehmomentübertragern handelt
es sich i.a. um Antriebs- und Abtriebswelle, etwa die
Triebwelle des Antriebsaggregats und die von der elektri
schen Maschine zum Getriebe führende Welle. Die elektroma
gnetischen Wirkeinheiten entsprechen Läufer und Ständer bei
der normalen elektrischen Maschine, jedoch mit dem
Unterschied, daß hier neben dem Läufer auch der Ständer
drehbeweglich ist. Die Maschine entspricht also einer nor
malen Maschine mit Läufer und Ständer, welche zusätzlich
zur Läuferrotation als Ganzes drehbar ist. Die als Ganzes
drehbare Maschine kann zwischen Läufer und "Ständer" posi
tive und negative Relativdrehmomente erzeugen. Auf diese
Weise kann der Kupplungsschlupf beeinflußt werden. Dadurch
können verschiedene Kupplungswirkungen erzielt werden: Die
elektrische Maschine kann beispielsweise derart geregelt
werden, daß sich ein geeignetes Relativdrehmoment zwischen
Läufer und Ständer einstellt und der Kupplungsschlupf ver
schwindet (Kupplungsschlupf 0). Dann überträgt die elek
trische Maschine Drehzahl und Drehmoment ungeändert -
entsprechend einer geschlossenen mechanischen Kupplung. Die
elektrische Maschine kann aber auch derart geregelt werden,
daß das Relativdrehmoment zwischen Läufer und Ständer ver
schwindet und sich ein Kupplungsschlupf entsprechend der
Relativdrehzahl der Drehmomentübertrager einstellt. Auf
diese Weise erzielt man deren vollständige Trennung ohne
Drehmomentübertragung - entsprechend etwa einer vollständig
geöffneten mechanischen Kupplung. Kupplungsschlupfwerte,
die zwischen diesen beiden Werten liegen, sind durch ent
sprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine ebenfalls
erreichbar. Darüber hinaus erschließt die elektrische Ma
schine vorteilhaft auch Drehmoment-Übertragungsbereiche
jenseits dieses durch eine übliche Reibkupplung erschlosse
nen Bereichs: Durch geeignete Ansteuerung der elektrischen
Maschine können richtungsunabhängige Drehmomente aufge
schaltet werden, d. h. Drehmomente in und entgegen der Dreh
richtung der Drehmomentübertrager. Somit können sowohl
negative Kupplungsschlupfwerte durch Erzeugen eines zusätz
lich zum Antriebsaggregat antreibenden Drehmoments, als
auch Kupplungsschlupfwerte größer als eins - durch Erzeugen
eines dem Antriebsaggregat entgegengerichteten bremsenden
Drehmoments - eingestellt werden.
Die vom Antrieb gelieferte mechanische Drehenergie wird
also bei dieser anderen Ausgestaltung über ein Paar mit
einstellbarem Schlupf relativdrehender elektromagnetischer
Wirkflächen direkt in Form mechanischer Drehenergie wei
tergegeben. In bzw. aus elektrischen(m) Strom wird hierbei
nur der aufgrund von Schlupf vorliegende Überschuß- bzw.
Unterschußanteil verwandelt, der gespeichert bzw. aus einem
Speicher entnommen werden kann. Falls die Überschußenergie
und/oder -leistung das Speicheraufnahmevermögen übersteigt
- was z. B. beim Anfahren der Fall sein kann - kann sie auch
dissipiert werden, z. B. in Form von Wärme (über Heizwider
stände etc.).
Die Synchronisierfunktion - also Beschleunigen oder Abbrem
sen des abtriebsseitigen Drehmomentübertragers bei heraus
genommenem Gang erfolgt bei dieser elektrischen Maschine
in Abstützung gegen den mit veränderlicher Drehzahl drehen
den antriebsseitigen Drehmomentübertrager. Dessen momentan
vorliegende Drehzahl wird bei der Ermittlung der zum Errei
chen des Gleichlaufs nötigen Relativdrehzahl zwischen den
Wirkelementen berücksichtigt.
Bei der elektromagnetischen Kupplung ist zwar - im Gegen
satz zur hydrodynamischen Kupplung - ein verschwindender
Kupplungsschlupf einstellbar. Beispielsweise erzielt man
dies bei einer Asynchronmaschine durch ein von einer Wirk
einheit erzeugtes Drehfeld, welches mit Hilfe eines elek
tromagnetischen Schlupfes auf die andere Wirkeinheit ein
Drehmoment ausübt, das dem momentanen Antriebsmoment be
tragsmäßig gleicht, aber in der Richtung entgegengesetzt
ist, und so ein Verschwinden des Kupplungsschlupfes be
wirkt. Man muß jedoch zum Verschwindenlassen des Kupp
lungsschlupfes eine gewisse Energie aufwenden, und zwar in
diesem Beispiel zur Erzeugung des Drehfelds mit elektroma
gnetischem Schlupf. Um diese Verlustenergie zu minimieren,
sind die Drehmomentübertrager, welche die elektromagneti
sche Kupplung trennt, vorzugsweise mit einer Überbrückungs
kupplung, insbesondere einer mechanischen Kupplung, ver
bindbar. Hierbei dann es sich z. B. um eine reibschlüssige
oder - da ihr Einkuppeln durch entsprechende Steuerung
immer bei verschwindendem Kupplungsschlupf möglich ist -
vorteilhaft um eine formschlüssige Kupplung, z. B. eine
Klauenkupplung handeln. Statt eine gesonderte Kupplung
vorzusehen, können auch die beiden Läufer der Doppelmaschi
ne bzw. die beiden Wirkeinheiten der Einzelmaschine durch
Axialverschiebung miteinander in Reib- oder Formschluß
bringbar sein.
Eine Reihe von Zusatzfunktionen der elektrischen Maschine
sind in vorteilhafter Weise oder sogar ausschließlich mit
gegen Drehung festgelegtem Ständer erzielbar. Um einige
oder alle dieser. Zusatzfunktionen auch mit der drehbaren
Einzelmaschine zum erschließen, ist vorzugsweise die Wirkung
wenigstens einer ihrer beiden elektromagnet 92415 00070 552 001000280000000200012000285919230400040 0002019532164 00004 92296ischen Wirkein
heiten durch die Wirkung einer nicht-drehbaren Wirkeinheit
ersetzbar. Die Wirkungsersetzung kann erfolgen, wenn keine
Kupplungsfunktion benötigt wird, also etwa wenn bei dem
Fahrzeug der Gang herausgenommen ist (im Stand oder während
des Schaltens) oder wenn die ggf. vorhandene Überbrüc
kungskupplung geschlossen ist. Für die Art und Weise, wie
diese Wirkungsersetzung erfolgt, gibt es verschiedene vor
teilhafte Möglichkeiten:
Bei einer ersten, sehr einfachen Möglichkeit erfolgt die Wirkungsersetzung dadurch, daß wenigstens eine der dreh baren Wirkeinheiten, insbesondere die abtriebsseitige (d. h. die getriebeseitige), gegen Drehung festlegbar ist, ins besondere mit Hilfe einer mechanischen Bremse oder Kupp lung. Es wird also nicht etwa die drehbare Wirkeinheit durch eine feststehende ersetzt, die verschiedenen Wirkun gen werden vielmehr von ein- und derselben Wirkeinheit hervorgerufen, die nur festgelegt bzw. freigegeben wird. Die Festlegung kann unmittelbar oder mittelbar, etwa durch Festlegung des zugehörigen Drehmomentübertragers erfolgen. Eine abtriebsseitige Festlegung - die i.a. nur bei heraus genommenem Gang (insbesondere im Stand des Fahrzeugs) durchführbar ist - erschließt zwei Funktionen, nämlich einerseits die aktive Verringerung von Drehungsgleichförmig keiten der (antriebsseitigen) Triebwelle sowie andererseits ein Starten des Antriebsaggregats im Zusammenlauf aus dem Stand (sog. Direkt-Starten).
Bei einer ersten, sehr einfachen Möglichkeit erfolgt die Wirkungsersetzung dadurch, daß wenigstens eine der dreh baren Wirkeinheiten, insbesondere die abtriebsseitige (d. h. die getriebeseitige), gegen Drehung festlegbar ist, ins besondere mit Hilfe einer mechanischen Bremse oder Kupp lung. Es wird also nicht etwa die drehbare Wirkeinheit durch eine feststehende ersetzt, die verschiedenen Wirkun gen werden vielmehr von ein- und derselben Wirkeinheit hervorgerufen, die nur festgelegt bzw. freigegeben wird. Die Festlegung kann unmittelbar oder mittelbar, etwa durch Festlegung des zugehörigen Drehmomentübertragers erfolgen. Eine abtriebsseitige Festlegung - die i.a. nur bei heraus genommenem Gang (insbesondere im Stand des Fahrzeugs) durchführbar ist - erschließt zwei Funktionen, nämlich einerseits die aktive Verringerung von Drehungsgleichförmig keiten der (antriebsseitigen) Triebwelle sowie andererseits ein Starten des Antriebsaggregats im Zusammenlauf aus dem Stand (sog. Direkt-Starten).
Eine zweite Art der Wirkungsersetzung erschließt weitere
Funktionen im angetriebenen Zustand des Systems, und zwar
bei Betrieb mit geschlossener Überbrückungskupplung und
während des Schaltens. Die Wirkungsersetzung erfolgt da
durch, daß wenigstens eine der drehbaren Wirkeinheiten von
ihrem Drehmomentübertrager abkoppelbar ist und gegen Dre
hung festlegbar ist, insbesondere mit Hilfe einer oder
mehrerer mechanischer Kupplungen. Auch hier werden die
verschiedenen Wirkungen von ein- und derselben Wirkeinheit
hervorgerufen, die nur festgelegt bzw. mit ihrem Drehmo
mentübertrager gekoppelt wird. Der Unterschied zur ersten
Art besteht in der zusätzlichen Abkoppelbarkeit der fest
legbaren Wirkeinheit von ihrem Drehmomentübertrager. Dies
erlaubt - im Gegensatz zur ersten Art - die Festlegung des
Wirkelements auch bei drehendem zugehörigen Drehmoment
übertrager, also auch im Antriebszustand des Systems. Die
mechanischen Kupplungen zum Festlegen und Abkoppeln können
vorteilhaft formschlüssig sein, da die festlegbare Wirk
einheit nach dem Abkoppeln durch die elektrische Maschine
selbst zum Stillstand gebracht werden kann, so daß dann
Ihre Festlegung durch eine formschlüssige Kupplung möglich
ist. Entsprechendes gilt für die umgekehrte Richtung. Diese
zweite Art erschließt die Funktion einer aktiven Verringe
rung von Drehungleichförmigkeiten der (antriebsseitigen)
Triebwelle auch im Antriebszustand. Sie erlaubt ferner die
Synchronisierfunktion in Abstützung gegen das festgelegte
Wirkelement auszuführen, was steuerungstechnisch einfacher
als der o.g. Fall einer Abstützung gegen den mit veränder
licher Drehzahl drehenden antriebsseitigen Drehmomentüber
trager. Eine Voraussetzung für letzteres ist jedoch, daß
die Überbrückungskupplung (oder eine andere zusätzliche
Kupplung) so angeordnet ist, daß sie eine Trennung des
drehbar verbliebenen Wirkelements vom Antriebsaggregat
erlaubt.
Die dritte Art der Wirkungsersetzung entspricht der zweiten
Art vom Ergebnis her. Im Unterschied zu jener ist jedoch
bei ihr die in ihrer Wirkung zu ersetzende elektromagneti
sche Wirkeinheit doppelt vorhanden, und zwar als drehbare
und als nicht-drehbare Wirkeinheit. Die Wirkungsersetzung
erfolgt dadurch, daß die drehbare Wirkeinheit elektroma
gnetisch unwirksam und die nicht-drehbare wirksam gemacht
wird, vorzugsweise indem die Speisung mit drehmomenterzeu
gender bzw. -übertragender elektrischer Energie von der
drehbaren auf die nicht-drehbare Wirkeinheit umgeschaltet
wird. Vorteilhaft dient hierzu ein entsprechend umschalt
barer Stromrichter bzw. Wechselrichter.
Falls man bei dieser Maschine die zusätzlich zur ersten
drehbaren Wirkeinheit vorhandene festliegende Wirkeinheit
so ansteuert, daß sie gleichzeitig mit jener Wirkeinheit
eine ihr gegenüber eigenständige Wirkung auf die zweite
drehbare Wirkeinheit ausüben kann, erhält man eine Maschine
mit weitergehenden Funktionsmöglichkeiten. Vorteilhaft
erzielt man diese Ansteuerung, indem die erste drehbare und
die nicht-drehbare Wirkeinheit eigenständig mit drehmo
menterzeugender bzw. -übertragender elektrischer Energie
gespeist werden, z. B. durch zwei im wesentlichen unabhän
gige Stromrichter bzw. Wechselrichter. Mit dieser Ausge
staltung ist es insbesondere möglich, auch während die
elektromagnetische Kupplungsfunktion aktiviert ist (z . B.
bei offener oder nicht vorhandener Überbrückungskupplung),
Drehungleichförmigkeiten des antriebsseitigen Drehmoment
übertragers aktiv zu verringern. Eine Voraussetzung hierfür
ist, daß die zweite drehbare Wirkeinheit mit dem antriebs
seitigen Drehmomentübertrager gekoppelt ist.
Vorteilhaft umfaßt die Kupplungsfunktion der elektrische(n)
Maschine(n) die Funktionen einer Anfahrkupplung und/oder
Schaltkupplung. Bei einer Funktion als Anfahrkupplung muß
die elektrische Maschine hohe Leistung aufbringen können,
was eine entsprechende, große Dimensionierung des gesamten
Systems erforderlich macht. Zudem kann der Energieüberschuß
beim Anfahren mit großem Kupplungsschlupf recht große Werte
annehmen. Bei kleiner dimensionierten elektrischen Maschi
nen und ggf. nicht ausreichender Energiespeichermöglichkeit
kann es daher vorteilhaft sein, die elektromagnetische
Kupplungsfunktion auf die Schaltfunktion zu beschränken und
die Anfahrkupplungsfunktion - bei überbrückter elektroma
gnetischer Kupplung - einer zusätzlich vorhandenen reib
schlüssigen oder hydrodynamischen Kupplung zu überlassen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrische
Maschine als Überlastkupplung zu verwenden, d. h. daß auch
die Funktion des Überlastschutzes von der elektrischen
Maschine erzielt wird. Ferner kann die als Kupplung wirken
de elektrische Maschine zur Schwingungsdämpfung verwendet
werden. Dabei kann die Kupplung so eingestellt werden, daß
sie die Drehmomentspritzen abnimmt und dadurch eine die
Drehmoment-Ungleichförmigkeit verringernde Wirkung erzielt
wird.
Auch zum Starten des Antriebsaggregats im Zusammenlauf aus
dem Stand müssen relativ große Drehmomente aufgebracht
werden. Als Alternative für den Fall kleinerer gelieferter
Drehmomente dient die elektrischen Maschine vorteilhaft als
Schwungmassen-Starter mit elektromagnetisch kuppelbarer
Schwungmasse. Dies ermöglicht ein Starten auch in Fällen,
in denen die elektrische Maschine das nötige Drehmoment für
ein Direkt-Starten nicht aufbringen kann. Als Schwungmasse
dient vorzugsweise ein Teil der elektrischen Maschine
selbst, z. B. deren abtriebsseitige Wirkeinheit, zusammen
mit dem daran gekoppelten Drehmomentübertrager. Bei freige
schaltetem Gang läßt sich diese in Abstützung gegen die
Massenträgheit der Triebwelle und die Kompression des Ver
brennungsmotors elektromotorisch auf hohe Drehzahlen hoch
drehen. Durch elektromagnetisches Einkuppeln mit Hilfe der
elektrischen Maschine selbst wird die Schwungmasse schnell
abgebremst und dadurch die Triebwelle derart beschleunigt,
daß der Verbrennungsmotor startet. Vorteil gegenüber be
kannten Schwungrad-Startern mit mechanischer Einkopplung
des Schwungrads (siehe z. B. das Buch D. Henneberger "Elek
trische Motorausrüstung", Braunschweig 1990, Seiten 98-103)
ist die Vermeidung von Kupplungsverschleiß und die genaue
Steuerbarkeit des Einkupplungsvorgangs.
Grundsätzlich hängt bei Fahrzeugen die - für die Fortbewe
gung des Fahrzeuges verantwortliche - Kraftübertragung vom
Antriebsschlupf zwischen Reifen und Fahrbahn ab. Im all
gemeinen laufen die Anfahr- bzw. Beschleunigungsvorgänge
bei kleinen Schlupfwerten ab, bei denen eine Erhöhung des
Schlupfes zunächst auch eine Erhöhung des ausnutzbaren
Kraftschlusses ergibt. Bei einer weiteren Erhöhung redu
ziert sich jedoch der Kraftschluß wieder, so daß bei ent
sprechender Beschleunigung ein größer werdendes überschüs
siges Antriebsmoment zu einer schnellen Drehzahlerhöhung
eines Antriebsrades bzw. der Antriebsräder führt.
Eine Regelung des Antriebsschlupfes, d. h. eine sog. An
triebsschlupfregelung (ASR), verhindert ein derartig her
vorgerufenes Durchdrehen der Antriebsräder und regelt den
Antriebsschlupf auf zulässige Werte. Derartige Antriebs
schlupfregelungen sind aus dem Stand der Technik bekannt
(siehe z. B. "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Herausge
ber: Robert Bosch GmbH, Düsseldorf, 21. Auflage, 1991,
Seite 555-559).
Die Regelung des Antriebsschlupfes wird - im Stand der
Technik - derart durchgeführt, daß bei Erreichen eines
Grenzwertes des Antriebsschlupfes oder einer zeitlichen
Änderung (zeitliche Ableitung) des Antriebsschlupfes das
Antriebsmoment verringert wird. Die Verringerung des An
triebsmoments wird entweder durch Verstellung des Verbren
nungsmotors, also durch Drosselklappenverstellung oder
durch Zündzeitpunktverstellung, oder durch Betätigen einer
oder mehrerer Radbremse(n) realisiert. Auch eine Kombina
tion beider Maßnahmen ist bekannt. Insbesondere können
zusätzlich zur Verbrennungsmotorverstellung, die bei Über
schreiten eines ersten Grenzwertes des Antriebsschlupfes
erfolgt, die Radbremsen betätigt werden, wenn ein zweiter,
höherer Grenzwert des Antriebsschlupfes erreicht wird.
Nachteilig an diesen bekannten Antriebsschlupfregelungen
ist, daß einerseits die Motorverstellung langsam und träge
erfolgt und andererseits die gesamte Antriebsschlupfrege
lung schlecht steuerbar ist, d. h. ein bestimmter zeitlicher
Verlauf der Antriebsmomentverringerung praktisch nicht
erzielt werden kann.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt daher das techni
sche Problem zugrunde, bekannte Antriebsschupfregelungen
weiterzubilden und zu verbessern.
Dieses Problem wird gelöst durch ein Antriebssystem, mit
einer Antriebsschlupfregelung, bei welchem die (bzw. eine)
elektrische Maschine derart ausgelegt ist, daß mit ihr eine
Antriebsschlupfverringerung durch Verkleinerung des An
triebsmoments (des Antriebsaggregats) herbeiführbar ist,
insbesondere durch Bremswirkung und/oder - bei als Kupplung
wirkender elektrischer Maschine - durch
Kupplungsschlupf-Wirkung.
Die erfindungsgemäße Antriebsschlupfverringerung wird im
allgemeinen erst aktiv, wenn - ähnlich wie im Stand der
Technik - eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. Diese Be
dingung kann das Überschreiten eines Grenzwertes des An
triebsschlupfes oder eines Grenzwertes der zeitlichen Ände
rung des Antriebsschlupfes sein. Die Bedingung kann aber
auch komplexer definiert werden, etwa im Sinne einer Kom
bination beider oben genannten Bedingungen oder aber auch
anderer Bedingungen.
Wird nun eine bestimmte Bedingung erfüllt, wird mittels der
elektrischen Maschine kurzfristig (und nicht andauernd) das
auf die Antriebsräder wirkende Antriebsmoment verringert.
Die Vorteile einer derartigen Antriebsschlupfregelung lie
gen darin, daß die Antriebsschlupfregelung schnell und
nicht träge arbeitet und somit die Verringerung des An
triebsschlupfes in idealerweise steuerbar ist. Somit wird
insgesamt auch die Verkehrssicherheit erhöht.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen dieser Antriebs
schlupfregelungen mit elektrischer Maschine sind nachfol
gend aufgeführt.
- 1. Die Antriebsschlupfregelung mit elektrischer Maschine ersetzt die aus dem Stand der Technik bekannte An triebsschlupfregelung mit Motorverstellung oder Rad bremsung oder wird in Kombination mit der aus dem Stand der Technik bekannten Antriebsschlupfregelung mit Motorverstellung und/oder Radbremsung verwendet. Diese verschiedenen Maßnahmen zur Antriebsschlupfver ringerung müssen nicht gleichzeitig durchgeführt wer den, sondern können nacheinander einsetzend - z. B. bei Überschreiten weiterer Grenzwerte - ausgeführt werden, insbesondere wenn einzelne Maßnahmen nicht wirksam genug sind. Beispielsweise können die - in besonderem Maße dem Verschleiß unterliegenden - Radbremsen erst in besonders kritischen Situationen eingesetzt werden.
- 2. Die Verringung des Antriebsmoments bzw. ein Bremsen der die Antriebsräder antreibenden Welle kann insbe sondere wie nachstehend ausgeführt erfolgen:
- a) Die elektrische Maschine kann derart ausgebildet sein, daß sie als Wirbelstrombremse verwendbar ist. Somit kann im Betrieb der elektrischen Ma schine als Wirbelstrombremse das Antriebsmoment verringert werden.
- b) Die elektrische Maschine kann generatorisch be trieben werden, so daß der erzeugte Strom entwe der z. B. über Heizwiderstände in Wärme umgesetzt (verheizt) oder zur Wiederverwendung gespeichert wird. Auf diese Weise kann eine Energierückgewin nung stattfinden. Dies führt somit zu einer Erhö hung des Gesamtwirkungsgrades.
- c) Zwischen die elektrische Maschine und das An triebsaggregat kann eine mechanische Kupplung geschaltet werden, die automatisch betätigbar ist und teilweise oder ganz geöffnet wird, wenn das Antriebsmoment verringert werden soll. Dann wirkt nur die elektrische Maschine bremsend und das An triebsaggregat ist im wesentlichen von den An triebsrädern abgetrennt.
- 3. Die Verringerung des Antriebsschlupfes erfolgt durch
Zulassen eines Kupplungsschlupfes in der als Kupplung
wirkenden elektrischen Maschine bzw. durch Vergrößern
eines bereits vorhandenen Kupplungsschlupfes. Falls
darüberhinaus die als Kupplung wirkende elektrische
Maschine eine mechanische Überbrückungskupplung auf
weist, wird diese zunächst gelöst und dann erst der
Kupplungsschlupf zugelassen und vergrößert.
Grundsätzlich kann die Verringerung des Antriebs schlupfes nicht nur durch den Kupplungsschlupf - also passiv - reguliert werden, sondern von der elektri schen Maschine auch aktiv durch Erzeugen eines brem senden - auf die die Antriebsräder antreibende Welle wirkenden - Gegendrehmoments.
Die Ausgestaltungen, welche die Antriebsschlupfregelung be
treffen, sind ersichtlich auch ohne die Merkmale der An
sprüche 1 bis 27 technisch vorteilhaft. Die Anmelderin
behält sich daher ausdrücklich eigenständigen Schutz hier
für gemäß Anspruch 28 vor.
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Betreiben
eines Antriebssystems, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
gerichtet, wobei das Antriebssystem
- - einen mehrzylindrigen Verbrennungsmotor;
- - eine Einrichtung zur Abschaltung eines Teils der Zy linder; und
- - eine - insbesondere mit einer Welle, etwa der Trieb welle des Verbrennungsmotors gekoppelte oder koppel bare - Vorrichtung zur aktiven Verringerung von Dre hungleichförmigkeiten umfaßt,
wobei das Antriebssystem so betrieben wird, daß die Vor
richtung zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmig
keiten wenigstens während Zylinderabschaltungsbetrieb zu
mindest bei bestimmten Betriebszuständen aktiv ist (An
spruch 29). Das Verfahren kann vorteilhaft mit einem System
nach einer oder mehreren der oben erläuterten Ausgestaltun
gen durchgeführt werden (Anspruch 30). Bezüglich einzelner
Merkmale und Vorteile des Verfahrens wird auf die obigen
Erläuterungen zum System verwiesen, die sich vollinhaltlich
auch auf das Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestal
tungen beziehen.
Die Gegenstände der Ansprüche 7-28 und 30 können auch bei
einem Antriebssystem bzw. Verfahren zum Betreiben eines
Antriebssystems ohne Zylinderabschaltung vorteilhaft sein.
Es wird daher der Vorbehalt erklärt, Patentansprüche auf
diese Gegenstände unter Weglassung der jetzt in den Ansprü
chen 1 bzw. 29 enthaltenen, auf die Zylinderabschaltung
bezogenen Merkmale zu richten.
Im übrigen werden in der gesamten vorliegenden Beschreibung
Zahlenangaben "x" im Sinn von "wenigstens x", und nur vor
zugsweise im Sinn von "genau x" verstanden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und
der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische beispielhafte Darstellung der
Funktionsweise des Systems zur aktiven Verringe
rung von Drehungleichförmigkeiten;
Fig. 2 eine unmaßstäblich-schematische Darstellung einer
Ausführungsform des Systems;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer elek
trischen Maschine mit Schnittebene senkrecht zur
Axialrichtung zur Veranschaulichung verschiedener
bei dem System verwendbaren Maschinentypen;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung einer elek
trischen Maschine mit integrierter Reibkupplung
mit Schnittebene in Axialrichtung;
Fig. 5 einen schematischen Schaltplan eines bei dem Sy
stem verwendeten Wechselrichters;
Fig. 6 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer ande
ren Ausführungsform des Antriebssystems;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Steuerablaufs
bei Zylinderabschaltbetrieb;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Steuerablaufs
einer Start-Stop-Automatik;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer elektrischen
Doppelmaschine;
Fig. 10 eine Darstellung einer Doppelmaschine gemäß Fig. 1
mit gemeinsamem Ständerkörper;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer elektrischen
Maschine mit drehbaren elektromagnetischen Wirk
einheiten;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer anderen elek
trischen Maschine mit drehbaren elektromagneti
schen Wirkeinheiten;
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer weiteren
elektrischen Maschine mit relativdrehbaren elek
tromagnetischen Wirkeinheiten und einer festste
henden Wirkeinheit;
Fig. 14 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Aus
führungsform des Systems mit der elektrischen
Maschine von Fig. 13.
In den Figuren tragen im wesentlichen funktionsgleiche
Teile gleiche Bezugszeichen.
Fig. 1a veranschaulicht (mit durchgezogener Linie) die
Drehzahl n einer Welle als Funktion des Kurbelwellenwinkels
ϕ. Die Welle führt um eine mittlere Drehzahl (hier 3000
Umdrehungen pro Minute) periodisch Drehzahlschwankungen zu
kleineren und größeren Drehzahlen hin aus, welche in diesem
idealisierten Beispiel insgesamt einen im wesentlichen
sinusförmigen Verlauf haben. Bei der Welle handelt es sich
beispielsweise um die Kurbelwelle eines Vierzylinder-Vier
takt-Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, die in der
zweiten Ordnung (d. h. bei einer Frequenz von 100 Hz) eine
relativ große, von den Gas- und Massenkräften herrührende
Drehungleichförmigkeit aufweist. Zur Veranschaulichung ist
auch das für eine Umdrehung der Welle benötigte Winkelin
tervall eingezeichnet. Im allgemeinen treten bei einer
Welle außerdem (hier nicht dargestellte) Drehungleichför
migkeiten höherer Ordnungen und solche stochastischer Natur
auf. Ihr Verlauf ist also i.a. nicht sinusförmig.
Im wesentlichen proportional zu den Drehungleichförmigkei
ten sind Schwankungen des Drehmoments Mv des Verbrennungs
motors um ein mittleres Drehmoment. Die durchgezogene Linie
in Fig. 1a veranschaulicht damit auch den Verlauf des Mo
tor-Drehmoments Mv als Funktion des Kurbelwellenwinkels ,p.
Fig. 1b veranschaulicht das Gesamt-Drehmoment Me als Funk
tion des Wellenwinkels ϕ, das von einer mit der Welle ge
koppelten elektrischen Maschine aufgebracht wird. Der Ver
lauf des Maschinendrehmoments Me entspricht weitgehend dem
der Drehungleichförmigkeit und des Motor-Drehmoments Mv,
ist jedoch entgegengesetzt gerichtet. D.h., bei einer Dre
hungleichförmigkeit zu höheren Drehzahlen hin (sog. positi
ve Drehungleichförmigkeit) erzeugt die elektrische Maschine
ein die Welle bremsendes Drehmoment (sog. negatives Drehmo
ment), wohingegen sie bei einer Drehungleichförmigkeit zu
niederen Drehzahlen hin (sog. negative Drehungleichförmig
keit) ein antreibendes Drehmoment (sog. positives Drehmo
ment) erzeugt. Der Betrag des Drehmoments Me ist so ge
wählt, daß die Drehungleichförmigkeit - und die zu ihr
proportionale Schwankung des Drehmoments Mv - durch dessen
Wirkung wesentlich verringert wird oder sogar praktisch
verschwindet, wie in Fig. 1a durch die gestrichelte Linie
veranschaulicht ist.
Bei der in Fig. 1b gezeigten Betriebsweise sind die negati
ven und positiven Drehmomentextrema betragsmäßig gleich
groß. Die bei einer Bremsphase gewonnene Energie ist also
im wesentlichen gleich groß wie die bei der folgenden An
triebsphase aufzuwendende Energie. Der Energiefluß nach
außen ist somit Null, es wird nur im Inneren des System
zeitweise Bremsenergie zwischengespeichert. Das System
arbeitet also in dieser Betriebsweise als reiner Drehung
leichförmigkeits-Verringerer mit schnell variierendem Dreh
moment, ohne Erzeugung eines Zusatz-Drehmoments.
Ein Beispiel für eine demgegenüber modifizierte Betriebs
weise des Systems mit Zusatz-Drehmoment ist in Fig. 1c
gezeigt: Der zeitliche Verlauf des Gesamt-Drehmoments Me
entspricht dem von Fig. 1b, es ist jedoch global um einen
bestimmten Betrag ΔMe (den sog. Hub) in negative Richtung
verschoben. Der Hub ΔMe wird im allgemeinen langsam vari
ieren, in dem hier dargestellten kurzen Zeitrahmen von
ungefähr einer Umdrehungsperiode ist er jedoch in guter
Näherung konstant. Der Hub ΔMe ist hier kleiner als die
Amplitude der schnelle Variation des Drehmoments, so daß
das Gesamt-Drehmoment Me alternierend positive und negative
Werte annimmt. Gemittelt über die schnelle Drehmomentva
riation erhält man ein konstantes Drehmoment -ΔMe. Dem
Verbrennungsmotor wird also im Mittel mechanische Energie
entzogen, die weitgehend in elektrische Energie umgewandelt
und dem System entnommen wird. Die elektrische Maschine hat
also in dieser Betriebsart neben der Funktion als Drehung
leichförmigkeits-Verringerer die Funktion eines elektri
schen Generators, der als Bremse wirken kann und Strom z. B.
zum Ausgleichen der Betriebsverluste des Systems, zum Laden
der Fahrzeugbatterie und/oder zum Betreiben elektrischer
Verbraucher liefern kann.
Falls der Hub ΔMe größer als die Amplitude zur Verringerung
der Drehungleichförmigkeit ist, wirkt die elektrische Ma
schine nur noch bremsend und nicht mehr antreibend, wobei
die Bremswirkung in ihrem Betrag entsprechend Fig. 1b und
1c gegenphasig zur Drehungleichförmigkeit variiert.
Allein durch eine entsprechende Einstellung der (Softwa
re-)Steuerung der elektrischen Maschine - ohne jegliche
konstruktive (Hardware-)Änderungen - sind kleine und sehr
große Generatorleistungen einstellbar. Begrenzend wirkt nur
die Größe der elektrischen Maschine. Damit kann ein und der
selbe Maschinentyp beispielsweise für kleine und große
Kraftfahrzeugtypen ohne konstruktive Anpassung verwendet
werden.
Der globale Drehmomentverlauf kann auch in positiver Rich
tung verschoben sein (positiver Hub). Die elektrische Ma
schine arbeitet dann neben ihrer Funktion als Drehungleich
förmigkeits-Verringerer als (antreibender) Motor, z. B. um
den Verbrennungsmotor bei einer Fahrzeugbeschleunigung zu
unterstützen.
Das in Fig. 2 dargestellte Antriebssystems eines Kraftfahr
zeugs, z. B. eines Personenkraftwagens, weist als Antriebs
aggregat einen Verbrennungsmotor 1 auf, bei dem es sich
beispielsweise um einen Vierzylinder-Viertakt-Otto- oder
Dieselmotor handelt. Das vom Verbrennungsmotor 1 erzeugte
Drehmoment kann über einen Antriebsstrang 2 auf Antriebs
räder 3 übertragen werden. In Abtriebsrichtung ist im An
triebsstrang 2 nach dem Verbrennungsmotor 1 zunächst eine
elektrische Maschine 4 angeordnet. Auf diese folgen eine
Fahrkupplung 5, ein Getriebe 6 und ein Achsantrieb 7, wel
cher das Drehmoment auf die Antriebsräder 3 überträgt. Bei
der Kupplung 5 und dem Getriebe 6 kann es sich um eine Rei
bungskupplung und ein Schaltgetriebe handeln; alternativ
sind z. B. eine automatische Kupplung oder Wandlerkupplung,
jeweils mit Schaltgetriebe oder automatischem Getriebe
möglich. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen
ist im Antriebsstrang 2 zwischen Verbrennungsmotor 1 und
elektrischer Maschine 4 eine weitere (durch Steuerung betä
tigte) Kupplung angeordnet, um beim Bremsen mit der elek
trischen Maschine 4 einen Mitlauf des Verbrennungsmotors 1
zu vermeiden.
Die elektrische Maschine 4 - hier eine Drehstrom-Wander
feld-Maschine in Asynchron- oder Synchron-Bauart - umfaßt
einen Ständer 8 und einen Läufer 9. Ersterer stützt sich
drehfest gegen den Verbrennungsmotor 1, ein (nicht gezeig
tes) Fahrzeugchassis oder ein (nicht gezeigtes) Kupplungs
gehäuse ab, wohingegen letzterer direkt auf einer Trieb
welle (Kurbelwelle) 10 des Verbrennungsmotors 1 oder einer
Verlängerung hiervon sitzt und mit dieser drehfest gekop
pelt ist. Die Triebwelle 10 und der Läufer 9 rotieren also
gemeinsam, ohne Zwischenschaltung eines Getriebes.
Die elektrische Maschine 4 erfüllt mehrere Funktionen: Sie
fungiert einerseits als Drehungleichförmigkeits-Verringe
rer, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits erläutert wur
de. Andererseits fungiert sie als Generator zur Ladung
einer Fahrzeugbatterie 11 und zur Versorgung elektrischer
Verbraucher und ersetzt damit eine herkömmlicherweise im
Kraftfahrzeug vorhandene Lichtmaschine. Die Generatorfunk
tion kann ferner zum Abbremsen des Fahrzeugs oder des Ver
brennungsmotors 1 dienen. Außerdem kann die elektrische
Maschine 4 als Zusatzmotor ("Booster") fungieren, z. B. um
den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen des Fahrzeugs zu
unterstützen. Auch dient sie als Starter für den Verbren
nungsmotor und kann somit auch einen herkömmlicherweise
beim Kraftfahrzeug gesondert vorgesehenen Starter ("Anlas
ser") ersetzen. Schließlich fungiert sie aufgrund des Mas
senträgheitsmoments des Läufers 9 als Schwungrad und kann
so das bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen häufig vorhandene,
auf der Kurbelwelle sitzende Schwungrad ersetzen.
Die elektrische Maschine 4 ist durch eine Sprühfluidkühlung
12 innengekühlt. Nach Durchlaufen eines Kühlers 13 und
einer Pumpe 14 wird das Kühlfluid - hier ein geeignetes Öl
- an den Läufer 9, und zwar in der Nähe von dessen Rota
tionsachse, gesprüht. Es wandert aufgrund der Läuferrota
tion fliehkraftbedingt nach außen und kühlt dabei Läufer 9
und Ständer 8, und verläßt dann ein Gehäuse 15 der elek
trischen Maschine 4, um in einem geschlossenen Kreislauf
wieder in den Kühler 13 einzutreten. Der Kühlmittelfluß
erfolgt verlustleistungs- und drehzahlabhängig durch ent
sprechende Steuerung der Pumpe 14, derart, daß sich jeweils
im wesentlichen nur eine gerade benötigte Mindestmenge des
Kühlfluids im Inneren des Gehäuses 15 befindet. Ein (nicht
gezeigtes) Ausgleichsgefäß erlaubt diese Variation der
Kühlfluidmenge im Gehäuse 15. Bei anderen (nicht gezeigten)
Ausführungsformen ist die elektrische Maschine (oder nur
der Läufer) in ein Kupplungs- und/oder Getriebegehäuse
integriert und wird durch ein darin befindliches Schmier
und/oder Kühlfluid (z. B. Kupplungs- oder Getriebeöl) mit
gekühlt.
Die elektrische Maschine 4 ist außerdem mit einem Dreh
transformator 16 (sog. Resolver) ausgerüstet, der vorzugs
weise mehr als 8 Pole, hier z. B. 12 Pole aufweist. Er be
steht aus zwei benachbart angeordneten Leiterplatten, von
denen eine feststeht und die andere sich mit der Triebwelle
10 dreht. Die Leiterplatten tragen auf ihren zugewandten
Oberflächen durch Leiterbahnen gebildete Windungen, derart
daß sich ein drehwinkelabhängiges Transformator-Überset
zungsverhältnis ergibt. Der Drehtransformator 16 arbeitet
nach dem Transponder-Prinzip: Die feststehenden Windungen
(feststehende Platine) werden aktiv mit Strom/Spannung beauf
schlagt und strahlen elektromagnetische Energie zu den
drehbaren Windungen (drehbare Platine) hin ab. Letztere
strahlen einen Teil dieser Energie wieder zurück, wobei
dieser Teil aufgrund des drehwinkelabhängigen Übertra
gungsverhältnisses vom Drehwinkel abhängt. Der rückge
strahlte Teil erzeugt in den feststehenden Windungen ein
drehwinkelabhängiges Signal. Eine Auswertung dieses Signals
liefert den momentanen Drehwinkel der Triebwelle 10 mit
einer Genauigkeit von wenigstens 0,5 Grad.
Ein Wechselrichter 17 liefert dem Ständer 8 der elektri
schen Maschine 4 bei einer Taktfrequenz von 100 kHz sinus
bewehrt pulsweitenmodulierte Spannungsimpulse, die unter
der Wirkung der Maschineninduktivität im wesentlichen si
nusförmige Dreiphasen-Ströme ergeben, deren Amplitude,
Frequenz und Phase frei vorwählbar ist.
Der Wechselrichter 17 ist ein Spannungszwischenkreis-Wech
selrichter und umfaßt drei Baugruppen: einen Gleichspan
nungsumsetzer 18 (Eingangsbaugruppe), welcher Gleichspan
nung von einem niedrigen Niveau (hier 12 V) auf ein höheres
Zwischenkreisniveau (hier 350 V) und in umgekehrter Rich
tung umsetzt, einen elektrischen Zwischenkreisspeicher 19,
hier ein Kondensator bzw. eine Anordnung parallel geschal
teter Kondensatoren, und einen Maschinenwechselrichter 21
(Ausgangsbaugruppe), welcher aus der Zwischenkreis-Gleich
spannung die (getaktete) Dreiphasen-Wechselspannung varia
bler Amplitude, Frequenz und Phase erzeugen kann oder - bei
generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine 4 - der
artige beliebige Wechselspannungen in die
Zwischenkreis-Gleichspannung umsetzen kann.
Die drei Baugruppen 18, 19, 20 des Wechselrichters 17 sind
in einem metallischen Gehäuse 21 hermetisch eingeschlossen,
welches mit einem geeigneten Siedekühlmittel gefüllt ist.
Bei diesem handelt es sich z. B. um einen Fluorkohlenwasser
stoff, der bei einem geeigneten Druck (etwa zwischen 50
mbar und 3 bar) einen geeigneten Siedepunkt, z. B. bei 60°
C, hat. Verdampftes Siedekühlmittel kann in einem Kondensa
tionskühler 22 kondensieren und in flüssiger Form in einem
geschlossenen Kreislauf in das Gehäuse 21 zurückkehren. Das
Gehäuse 21 mit dem Kühlkreislauf ist hermetisch dicht.
Der Gleichspannungsumsetzer 18 ist niederspannungsseitig
mit der Fahrzeugbatterie 11 und verschiedenen Niederspan
nungsverbrauchern 23, wie beispielsweise Beleuchtung und
elektronische Geräte, verbunden. Der Wechselrichter 17 kann
einerseits Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Laden
der Fahrzeugbatterie 11 und Versorgen der Niederspannungs
verbraucher 23 liefern, andererseits kann er der Fahrzeug
batterie 11 Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Starten
des Verbrennungsmotors 1 entnehmen.
Der Zwischenkreisspeicher 19 ist verbunden mit einem exte
rnen Zusatzspeicher 24, bei dem es sich um einen elektri
schen Speicher, hier eine Zusatzkapazität 25, und/oder
einen Schwungradspeicher 26 handeln kann. Der Zusatzspei
cher 24 hat in erster Linie die Aufgabe, die beim Drehungs
gleichförmigkeits-Verrringern in einer Bremsphase gewonnene
Energie zwischenzuspeichern und für die anschließende An
treibphase wieder abzugeben. Daneben kann er auch der Spei
cherung derjenigen Energie dienen, die bei anderen, durch
die elektrische Maschine 4 vermittelten Bremsvorgängen
anfällt. Schließlich kann er die Fahrzeugbatterie 11 beim
Startvorgang des Verbrennungsmotors 1 entlasten, indem
dieser Energie nur langsam entnommen und im Zusatzspeicher
24 gespeichert wird. Hier steht sie dann für eine schnelle
Entnahme beim Startvorgang zur Verfügung.
Hingegen hat der (innere) Zwischenkreisspeicher 19 im we
sentlichen die Aufgabe, der Maschinen-Wechselrichtergruppe
20 Spannung mit der für das Takten notwendigen hohen Flan
kensteilheit - also schnell - zu liefern. Er braucht dazu
keine sehr hohe Kapazität (er hat z. B. 2 µF), vorteilhaft
für die Schnelligkeit sind vielmehr geringe Zuleitungsin
duktivitäten, was durch die Anordnung im Inneren des Wech
selrichters 17 sichergestellt ist (und zwar vorzugsweise
auf derselben Platine, auf der auch die elektronischen
Schalter des Maschinen-Wechselrichters 20 angeordnet sind).
Der Zusatzspeicher 24 kann hingegen relativ langsam arbei
ten, so daß hier die Zuleitungskapazitäten aufgrund der
externen Anordnung nicht stören. Die Zusatzkapazität 25
kann insbesondere 50 bis 5000 mal größer sein (sie ist hier
z. B. 4,7 mF für die Speicherung der Drehungleichförmig
keits-Energie) als die des Zwischenkreisspeichers 19.
Noch größere Speicherkapazitäten sind mit dem Schwungrad
speicher 26 erreichbar, der hier eine eigene wechselrich
tergesteuerte elektrische Maschine 27 und eine damit gekop
pelte Schwungmasse 28 umfaßt. Letztere kann durch ein ge
sondertes Schwungrad gebildet oder in den Läufer der elek
trischen Maschine 27 integriert sein. Das Massenträgheits
moment der Schwungmasse 28 beträgt vorzugsweise 0,001 bis
0,1 kgm². Es ist auch möglich, in dem Schwungradspeicher 26
ein Mehrfaches der zum Starten des Verbrennungsmotors 1
benötigten Energie zu speichern und ihm zum Starten schnell
(d. h. in weniger als einher Sekunde) die jeweils nötige
Startenergie zu entnehmen.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist kein
gesonderter Zusatzspeicher 24 vorgesehen. Hier ist der
Zwischenkreisspeicher 19 so dimensioniert und ggf. außer
halb des Wechselrichters 17 angeordnet, daß er die Funk
tionen des Zusatzspeichers 24 mit übernehmen kann.
Der Zwischenkreis mit seinem hohen Spannungsniveau (hier
350 V) versorgt verschiedene Hochleistungsverbraucher, wie
eine Klimamaschine 29 und Servoantriebe 30 mit elektrischer
Energie. Während derartige Hochleistungsverbraucher her
kömmlicherweise durch mechanische Kopplung vom Verbren
nungsmotor 1 angetrieben werden, erlaubt das hier zur Ver
fügung stehende hohe Spannungsniveau einen wirkungsgradmä
ßig günstigeren, rein elektrischen Antrieb.
Eine Steuereinrichtung 31 gibt dem Wechselrichter 17 durch
entsprechende Ansteuerung seiner Halbleiterschalter zu
jedem Zeitpunkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phase
die von ihm zu erzeugende Wechselspannung haben soll. Die
Steuereinrichtung 31, die beispielsweise durch ein entspre
chend programmiertes Mikrocomputer-System gebildet sein
kann, bestimmt zunächst den Betrag und die Richtung des
Drehmoments, welches die elektrische Maschine 4 zu einem
bestimmten Zeitpunkt erzeugen soll. Sie kann dies z. B. mit
Hilfe einer Kennfeldsteuerung tun, indem sie als Eingangs
information vom Drehtransformator 16 die Winkelstellung der
Triebwelle 10, die momentane mittlere Drehzahl und ggf.
weitere Betriebsparameter, wie z. B. die Drosselklappenstel
lung, erhält und aus einem gespeicherten Kennfeld die mo
mentan zu erwartende Drehungleichförmigkeit in Abhängigkeit
von diesen Betriebsparametern ermittelt. Eine andere Mög
lichkeit besteht darin, die tatsächlich momentan vorliegen
de Drehungleichförmigkeit zu ermitteln, z. B. durch Berech
nung der momentanen Drehgeschwindigkeit auf der Grundlage
der vom Drehtransformator 16 gelieferten Information und/
oder durch Auswertung der momentan im Verbrennungsmotor 1
vorliegenden Gasdrücke, welche mit Hilfe von Gasdrucksenso
ren 32 detektierbar sind, sowie durch Erfassung der momen
tanen Drehmoments des Verbrennungsmotors 1 mit Hilfe einer
(nicht gezeigten) Drehmomentnabe im Antriebsstrang. Möglich
ist auch eine Kombination von Regelung und Steuerung. Aus
dem so ermittelten Wert für die momentane Drehungleichför
migkeit wird ein entsprechender (gegenphasiger) Wert für
das schnell variierende Soll-Drehmoment der elektrischen
Maschine 4 abgeleitet, dem ggf. ein positives oder negati
ves Zusatz-Drehmoment gewünschter Stärke additiv überlagert
wird. Zum Starten des Verbrennungsmotors 1 kann das
Soll-Drehmoment auf der Grundlage gespeicherter Werte bestimmt
werden, die den zeitlichen Soll-Verlauf der Drehzahl oder
des Drehmoments der elektrischen Maschine 4 während des
Startvorgangs vorgeben, ggf. ergänzt durch eine Messung
dieser Größen und eine rückgekoppelte Regelung, welche die
Einhaltung der Vorgaben sicherstellt.
In einem zweiten Schritt bestimmt die Steuereinrichtung 31,
welche Amplitude, Frequenz und Phase der Spannung bzw. des
Stroms vom Wechselrichter 17 bereitgestellt werden muß,
damit die elektrische Maschine 4 dieses Soll-Gesamtdrehmo
ment herbeiführt. Diese Bestimmung erfolgt bei der elek
trischen Asynchronmaschine auf der Grundlage einer feld
orientierten Regelung, welche auf einer Modellrechnung der
elektrischen Maschine 4 beruht und als Eingangsinformation
im wesentlichen die meßbaren elektrischen Ständergrößen
(Amplitude, Frequenz und Phase von Strom und Spannung) und
die momentane mittlere Läuferdrehzahl verwendet.
In Fig. 2 ist die Steuereinrichtung 31 als außerhalb des
Wechselrichtergehäuses 21 angeordnet dargestellt. Um die
Zuleitungsinduktivitäten gering zu halten und auch an der
Siedebadkühlung zu partizipizieren, ist sie jedoch bei
anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen im Inneren des
Wechselrichtergehäuses 21 angeordnet.
Die Steuereinrichtung 31 teilt verschiedene, zur Erfüllung
ihrer Steueraufgaben dienende Sensoren bzw. davon abgelei
tete Sensorinformationen mit einem Motorsteuergerät 33 zur
Steuerung des Verbrennungsmotors 1. Im einzelnen handelt es
sich z. B. um den Drehtransformator 16 (Winkellagegeber),
die Gasdrucksensoren 32, daneben (nicht gezeigte) Sensoren
zur Erfassung der mittleren Drehzahl, des Lastzustandes des
Verbrennungsmotors 1 (z. B. über die Drosselklappenstellung)
und dessen Drehmoments (z. B. mit Hilfe einer Drehmomentna
be).
Außerdem kommuniziert die Steuereinrichtung 31 mit einer
Vielzahl weiterer Steuergeräte: ein (nicht gezeigtes) Ener
gieverbrauchs-Steuergerät gibt an, wieviel Energie zum
Laden der Fahrzeugbatterie 11, zur Versorgung der Nieder
spannungsverbraucher 23 und der Hochleistungsverbraucher
29, 30 benötigt wird, so daß die Steuereinrichtung 31 eine
entsprechende globale Drehmomentverstellung ΔMe (siehe Fig.
1c) veranlassen kann. Das Motorsteuergerät 33 gibt der
Steuereinrichtung 31 vor, ob die elektrische Maschine 4
zusätzlich zu ihrer Schwingungsverringerungs-Funktion fahr
zeugbeschleunigend oder -bremsend wirken soll, so daß diese
eine entsprechende globale Drehmomentverschiebung ΔMe ver
anlassen kann und ggf. die Drehungleichförmigkeits-Verrin
gerungsfunktion vorübergehend abschalten kann. Entsprechend
gibt ein ASR-Steuergerät 34 (ASR=Anti-Schlupf-Regelung) der
Steuereinrichtung 31 bei Vorliegen von Antriebsschlupf vor,
daß die elektrische Maschine 4 vorübergehend als generato
rische Bremse wirken soll, ggf. bevor das ASR-Steuergerät
bei verbleibendem Antriebsschlupf als massivere Maßnahme
ein Einbremsen der betroffenen Antriebsräder durch die
Radbremse veranlaßt. Zusätzlich kann das ASR-Steuergerät
seine Schlupfinformation an das Motorsteuergerät 33 überge
ben, um außerdem eine Verringerung des Verbrennungsmotor-
Drehmoments zu veranlassen. Das Motorsteuergerät 33 führt
auch eine automatische Start-Stop-Steuerung durch und gibt
der Steuereinrichtung 31 vor, ob die elektrische Maschine
4 den Verbrennungsmotor 1 starten soll.
Bei jeder Art von Bremsen gewonnene Energie wird im Zusatz
speicher 24 gespeichert, um zum späteren Antreiben der
elektrischen Maschine 4 wiederverwendet oder der Fahrzeug
batterie 11 zugeleitet zu werden.
Die in Fig. 3 näher dargestellte elektrische Maschine 4 ist
bürsten- bzw. schleiferlos und damit verschleißfrei. Sie
hat einen Außendurchmesser von ungefähr 250 mm und eine
Länge in Axialrichtung von 55 mm und erbringt bei einem
Gewicht von 10-15 kg ein Dauerdrehmoment von ca. 50 Nm und
ein Spitzendrehmoment von ca. 150 Nm. Sie kann Drehzahlen
erreichen, die den Spitzendrehzahlen üblicher Verbrennungs
motoren (ca. 6000 bis 10000 U/min) entspricht und ist dreh
zahlfest bis 14000 U/min. Die elektrische Maschine 4 hat
einen außenliegenden Ständer 8, welcher Nuten 35 in Rich
tung der Triebwelle 10 (Axialrichtung) aufweist. Der Stän
der 8 trägt eine Drei-Phasen-Wicklung 36, die so ausgebil
det ist, daß sie bei Beaufschlagung mit Drei-Phasen-Strom
zwölf Pole ausbildet. Pro Pol sind drei Nuten 35, insgesamt
also sechsunddreißig Nuten 35 vorhanden. (Bei anderen
(nicht gezeigten) Ausführungsformen sind pro Pol neun Nuten
vorhanden.) Die Pole laufen mit der Drehstrom-Oszillation
in einer Kreisbewegung im Ständer 8 um. Für einen bestimm
ten Zeitpunkt ist ihre momentane Lage durch Pfeile, welche
die Bezugszeichen "S" (für Südpol) und "N" (für Nordpol)
tragen, veranschaulicht. Ein die Nuten 35 nach außen ab
schließender Rücken 37 ist in Radialrichtung relativ dünn,
seine Dicke beträgt (an der Stelle einer Nut 35) vorzugs
weise 1-15 mm. Der Ständer 8 ist aus dünnen Statorblechen
(die Dicke beträgt hier 0,25 mm) aus einem Material mit
niedrigen Ummagnetisierungsverlusten (hier kleiner als 1
W/kg bei 50 Hz und einem Tesla) aufgebaut, mit senkrecht
zur Axialrichtung verlaufenden Blechebenen.
Der innenliegende Läufer 9 ist bei der Asynchron-Maschine
als Käfigläufer mit im wesentlichen in Axialrichtung ver
laufenden Käfigstäben, die jeweils stirnseitig mit einem
Kurzschlußring 38 verbunden sind, ausgebildet. Beim der
Synchronmaschine trägt der Läufer 9 eine entsprechende Zahl
von Polen wie der Ständer 8 (hier zwölf Pole), die durch
Permanentmagnete oder entsprechend erregte Spulen gebildet
sein können. In Fig. 3 ist die Synchronmaschine ebenfalls
veranschaulicht, indem die bei ihr vorhandenen Läuferpole
(Bezugsziffer 39) schematisch angedeutet sind.
Der Luftspalt 40 zwischen Läufer 9 und Ständer 8 ist rela
tiv groß; seine Weite beträgt 0,25 bis 2,5 mm, vorzugsweise
0,5 bis 1,5 mm.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist der
Läufer außenliegend und der Ständer innenliegend.
Obwohl Fig. 3 eigentlich eine Drehfeldmaschine mit einem
durchgehenden 360°-Drehfeld darstellt, kann sie auch der
Veranschaulichung einer Sektormaschine mit mehreren unab
hängigen Sektoren dienen. Bei unverändertem Ständerkörper
sind bei der Sektormaschine vier Ständersektoren 41a bis
41d dadurch ausgebildet, daß sie jeweils eine eigene, in
sich abgeschlossene Drei-Phasen-Ständerwicklung tragen, die
elektrisch von den anderen unabhängig ist. Bei entspre
chender Beschaltung mit vier unabhängigen Wechselrichtern
erlaubt dies die Erzeugung von vier voneinander unabhängi
gen Wanderfeldern, die auch Radialschwingungen verringern
können. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist
nicht nur die einzelne Wicklung, sondern auch der Ständer
körper in seiner räumlichen Ausbildung auf einen oder meh
rere Sektoren beschränkt. Diese Maschinen ähneln einem bzw.
mehreren gekrümmten Linearmotoren.
Bei anderen (nicht dargestellten) Ausführungsformen ist der
Läufer 9 zugleich als passiver Schwingungstilger ausgebil
det, indem er aus einem zentralen Teil und einem dieses
konzentrisch umgebenden äußeren Teil aufgebaut ist, die
z. B. mittels einer dazwischen angeordneten Elastomerschicht
elastisch miteinander gekoppelt sind.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist in der elektri
schen Maschine 4 die Kupplung 5 integriert. Innerhalb des
z. B. am Motor- oder Getriebegehäuse drehfest gelagerten
Ständers 8 ist der Läufer 9 an seiner Peripherie einseitig
über einen axial seitlich ausragenden Käfig 54 mit der
Triebwelle 10 des Verbrennungsmotors 1 drehfest verbunden.
Der Läufer 9 ist innen hohl und hat im wesentlichen die
Form eines flachen Kreiszylinder-Mantels. In dem Hohlraum
ist die Kupplung 5 - hier eine als Fahrkupplung fungierende
Lamellenkupplung (Vielflächen-Reibscheibenkupplung) - an
geordnet. Sie kann einen Kraftschluß zwischen der Triebwel
le 10 mit dem Läufer 9 und einer in den Hohlraum ragenden
Abtriebswelle 55 zum Getriebe 6 herstellen. Hierzu ist der
Läufer 9 innenverzahnt und die Abtriebswelle 55 im Bereich
des Hohlraums 55 außenverzahnt. In dem Raum dazwischen ist
ein Scheibenpaket 56 angeordnet, dessen Scheiben 57 ab
wechselnd außen- und innenverzahnt sind, so daß abwechselnd
jeweils eine Scheibe mit dem Läufer 9 (Außenlamelle 57a)
und die nächste Scheibe mit der Abtriebswelle 55 (Innenla
melle 57b) formschlüssig verbunden ist. Ohne axialen Druck
können die Außen- und Innenlamellen 57a, 57b praktisch frei
gegeneinander rotieren, die Wellen 10, 55 sind dann entkup
pelt. Preßt man die Außen- und Innenlamellen 57a, 57b mit
Hilfe einer (nicht dargestellten) Druckvorrichtung (z. B.
eines Winkelhebels) in Axialrichtung zusammen, stellen die
entstehenden Reibkräfte den Kraftschluß zwischen den Wellen
10, 55 her, so daß sich das vom Verbrennungsmotor 1 und der
elektrischen Maschine 4 erzeugte Drehmoment auf die Ab
triebswelle 55 überträgt. Der Kraftschlußteil (d. h. hier
das Scheibenpaket 56) der Kupplung 5 findet vollständig im
Läufer 9 Platz, ragt also nicht etwa in Axialrichtung seit
lich aus ihm heraus. Die Kupplung 5 ist als Naßkupplung
ausgeführt. Das Kupplungsöl dient gleichzeitig der Kühlung
der elektrischen Maschine 4. Bei anderen (nicht gezeigten)
Ausführungsformen sind andere schaltbare kraftschlüssige
Kupplungen integriert, z. B. eine Einscheiben-Kupplung in
Trocken- oder Naßbauweise.
Andere Nutzungen des Hohlraums im Inneren der elektrischen
Maschine 4 sind möglich: Bei anderen (nicht gezeigten)
Ausführungsformen nimmt er beispielsweise die zweite, zum
Schwungradspeicher 26 gehörige elektrische Maschine 27 samt
Schwungmasse 28 oder ein mechanisch einkoppelbares Schwung
rad auf.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Schaltplan des Wechsel
richters 17. Man erkennt den Zwischenkreisspeicher 19 in
Form einer Kapazität, welcher der (hier nicht näher darge
stellte) Zusatzspeicher 24 parallelgeschaltet ist. Die
Kapazität symbolisiert eine Parallelschaltung mehrerer
Kondensatoren.
Der Maschinenwechselrichter 20 wird durch drei parallelge
schaltete (aber unabhängig schaltbare) Schaltergruppen 42
gebildet, wobei jede der Schaltergruppen 42 für die Erzeu
gung jeweils einer der drei Drei-Phasen-Spannungen zustän
dig ist. Jede der Schaltergruppen 42 ist eine Serienschal
tung zweier (unabhängig schaltbarer) Schalter 43 zwischen
dem Plus- und dem Minuspol des Zwischenkreises. Die
Serienschaltung ist mittig (d. h. zwischen den Schaltern 43)
mit einer Seite jeweils einer der drei Wicklungen 36a, 36b,
36c der Drei-Phasenwicklung 36 verbunden; an der anderen
Seite sind die drei Wicklungen 36a, 36b, 36c miteinander
verbunden.
Parallel zu den Schaltern 43 ist jeweils eine Freilaufdiode
44 geschaltet. Sie ist so gepolt, daß sie normalerweise
sperrt und, nur wenn ein Schalter geöffnet wird, einen
aufgrund von Selbstinduktion erzeugten, kurzzeitigen Strom
fluß in Gegenrichtung durchläßt.
Jeder Schalter 43 symbolisiert eine Parallelschaltung von
mehreren (z. B. fünf) MOS-Feldeffektransistoren, welche von
der Steuereinrichtung 31 zur Bildung eines
Drei-Phasen-Stroms gewünschter Amplitude, Frequenz und Phase direkt
angesteuert werden.
Der Gleichspannungsumsetzer 18 umfaßt zwei Unter-Baugrup
pen, nämlich eine, welche elektrische Energie von dem nied
rigen Spannungsniveau (12 V) auf das hohe
Zwischenkreis-Spannungsniveau (350 V) bringen kann, und eine andere,
welche - umgekehrt - elektrische Energie von dem hohen
Spannungsniveau (350 V) auf das niedrige Spannungsniveau
(12 V) bringen kann.
Bei der ersten Unter-Baugruppe handelt es z. B. sich um
einen Hochsetzsteller 45. Dieser wird durch eine Serien
schaltung einer mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie 11
verbundenen Induktivität 46 und einen mit deren Minuspol
und dem Minuspol des Zwischenkreises verbundenen Schalter
47 gebildet, wobei diese Serienschaltung mittig über eine
(in Durchlaßrichtung gepolte) Hochsetzdiode 48 mit dem
Pluspol des Zwischenkreises verbunden ist. Bei geschlosse
nem Schalter 47 fließt ein Kreisstrom vom Plus- zum Minus
pol der Fahrzeugbatterie 11. Nach Öffnen des Schalters 47
sucht eine Selbstinduktionsspannung ein Zusammenbrechen
dieses Stromes zu verhindern, mit der Folge, daß kurzzeitig
das hohe Zwischenkreis-Spannungsniveau (350 V) überschrit
ten wird und Strom durch die (ansonsten sperrende) Hoch
setzdiode 48 fließt und den Zwischenkreisspeicher 19 auf
lädt. Durch periodisches Öffnen und Schließen des Schalters
47 erzielt man einen quasi-stationären Ladestrom, z. B. als
Vorbereitung des Startvorgangs. Bei dem Schalter 47 handelt
es sich um einen Halbleiterschalter, welcher direkt von der
Steuereinrichtung 31 angesteuert wird.
Die zweite Unter-Baugruppe ist z. B. ein Spannungsunterset
zer 49, der ähnlich einem Schaltnetzteil funktioniert. Er
umfaßt zwei Serienschaltungen von Schaltern 50 zwischen dem
Plus- und Minuspol des Zwischenkreises, mit jeweils par
allelgeschalteten Freilaufdioden 51. Die Enden einer Pri
märwicklung eines Hochfrequenz(HF)-Transformators 52 sind
jeweils mit den Mitten dieser Serienschaltungen verbunden.
Die Sekundärwicklung des HF-Transformators 52 speist eine
Gleichrichtungs- und Glättungseinheit 53, welche wiederum
die Fahrzeugbatterie 11 und ggf. Niederspannungsverbraucher
23 speist. Die Schalter 50 symbolisieren Halbleiterschal
ter, welche direkt von der Steuereinrichtung 31 angesteuert
werden. Durch periodisches Öffnen und Schließen der Schal
ter läßt sich ein hochfrequenter Wechselstrom erzeugen,
welcher in der Sekundärwicklung des HF-Transformators 52
eine entsprechende Wechselspannung auf niedrigerem Span
nungsniveau induziert, welche durch die Einheit 53 gleich
gerichtet und geglättet wird. Der genaue Wert der resultie
renden Gleichspannung läßt sich mit Hilfe der Schalter 50
durch Variation der Schaltfrequenz genau einstellen.
Das in Fig. 6 dargestellte Antriebssystem unterscheidet
sich von den anhand der Fig. 1-5 dargestellten
Ausführungsformen dadurch, daß hier - zusätzlich zu gemein
samen Nutzung verschiedener Sensoren - auch die Steuerung
des Verbrennungsmotors 1 und der elektrischen Maschine 4
durch eine gemeinsame Steuereinrichtung erfolgt.
Und zwar übernimmt hier die Steuereinrichtung 31 die Steu
eraufgaben des Verbrennungsmotor-Steuergeräts 33 von Fig.
2, welches deshalb hier entfallen kann. Die Steuereinrich
tung 31 steuert einerseits - wie oben erläutert - die Wech
selrichterschalter 43, 47, 50, derart, daß die elektrische
Maschine 4 das gewünschte Drehmoment (Wechseldrehmoment,
ggf. mit global überlagertem Drehmoment für Generatorfunk
tion, Bremsen, generatorisches Bremsen, Beschleunigen,
sowie ggf. Drehmoment für Starterfunktion) erzeugt, und
führt die Start-Stop-Steuerung durch. Andererseits steuert
sie den Verbrennungsmotor wie ein Motormanagementsystem,
d. h. sie steuert die Kraftstoffzufuhr, Drosselklappenstel
lung (insbesondere im Leerlauf), Kraftstoffeinspritzung
(Zeitpunkt und Menge) Zündung (Zeitpunkt), Ventile (Öff
nungs- und Schließzeitpunkte), Kühlung des Verbrennungs
motors 1 (insbesondere durch Steuerung der Kühlmitteltempe
ratur), Abgasrückführung (z. B. durch Steuerung eines
Abgas-Rückführungsventils), und dadurch Drehzahl (insbesondere im
Leerlauf), Drehmoment, Leistung, Kraftstoffverbrauch und
Abgaszusammensetzung des Verbrennungsmotors 1.
Die Steuerung des Verbrennungsmotors 1 und der
Start-Stop-Automatik erfolgt in Abhängigkeit von verschiedenen ver
änderlichen Größen: Zum einen in Abhängigkeit von benut
zergesteuerten Größen, wie Fahrpedalstellung (und damit
ggf. Drosselklappenstellung), vorgewählte Fahrgeschwindig
keit, gewählte Getriebe-Gangstufe, Brems- und Kupplungs
betätigung und Fahrcharakteristik in der Fahr-Vorgeschichte
(z. B. sportliche Fahrcharakteristik); zum anderen Betriebs
größen, wie Drehzahl, Kurbelwellenwinkel, Drehmoment, Gas
druck, Klopfen, Antriebsschlupf, Kühlmitteltemperatur,
Abgaszusammensetzung, Fahrgeschwindigkeit. All diese Steu
eraufgaben werden von der sehr leistungsfähigen Steuerein
richtung 31 zur Drehungleichförmigkeits-Verringerung mit
übernommen.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen übernimmt
ein - von einem herkömmlichen Motor-Managementsystem abge
leitetes - Motor-Steuergerät (ähnlich 33 in Fig. 2) die
Steuerung der Drehungleichförmigkeits-Verringerung. Dort
kann daher die Steuereinrichtung 31 entfallen.
Bei Ausführungsformen der in den Fig. 2 und 6 gezeigten
Antriebssysteme ist der Verbrennungsmotor 1 ein leistungs
starker vielzylindriger Motor (z. B. mit sechs oder mehr
Zylindern), bei dem zwecks Wirkungsgraderhöhung im Fall
geringen abgefragten Drehmoments und bei niedrigen und
mittleren Drehzahlen mehrere, insbesondere die Hälfte der
Zylinder abgeschaltet werden, und zwar insbesondere durch
Abschalten der Kraftstoffzufuhr zu den betreffenden Zylin
dern. Beispielsweise läuft dann ein Sechszylindermotor als
Dreizylindermotor.
Die Steuerung der Zylinderabschaltung (und -anschaltung)
übernimmt bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 2 das
Motorsteuergerät 33, während bei einer Ausführungsform
entsprechend Fig. 6 die gemeinsame Steuereinrichtung 31
auch hierfür zuständig ist. In beiden Fällen erzeugt das
jeweilige Steuermittel 33 bzw. 31 - sobald die Bedingungen
für eine Zylinderabschaltung vorliegen - ein Zylinderab
schaltsignal, welches die Unterbrechung der Kraftstoffzu
fuhr zu den betreffenden Zylindern herbeiführt. Sobald die
Abschalt-Bedingungen nicht (mehr) vorliegen, wird das Ab
schaltsignal nicht (mehr) erzeugt - es werden dann (wieder)
alle Zylinder mit Kraftstoff versorgt.
Das Abschaltsignal greift auch in die Steuerung der elek
trischen Maschine (4) ein, wie anhand von Fig. 7 für den
Fall einer (ggf. adaptiven) Kennfeldsteuerung oder einer
Regelung mit (ggf. adaptiver) Kennfeld-Vorsteuerung ver
anschaulicht ist. Das dort gezeigte Steuerverfahren durch
läuft in einer quasi-endlosen Schleife Schritte S1 bis S3.
Im Schritt S1 wird abgefragt, ob ein Zylinderabschaltsignal
vorliegt. Falls nein, liest die Steuereinrichtung 31 im
Schritt S2a die für den momentanen Betriebszustand (Dreh
zahl, Motorlast) erwarteten Drehungleichförmigkeits-Werte
aus einem ersten Kennfeld, nämlich einem Kennfeld für An
schaltbetrieb (Sechszylinderbetrieb) aus. Falls ja, liest
sie hingegen im Schritt S2b die entsprechenden - i. a.
betragsmäßig größeren - Werte aus einem zweiten Kennfeld,
nämlich einem Kennfeld für Abschaltbetrieb (Dreizylinderbe
trieb) aus. In Abhängigkeit von dem ausgelesenen erwarteten
Drehungleichförmigkeits-Wert wird im Schritt S3 das zum
Unterdrücken dieser erwarteten Drehungleichförmigkeit benö
tigte Drehmoment ermittelt und die elektrische Maschine 4
entsprechend gesteuert (alternativ kann statt der erwarte
ten Drehungleichförmigkeit in den Kennfeldern auch bereits
das zu deren Unterdrückung benötigte Drehmoment abgespei
chert sein). Anschließend wird Schritt S1 wieder durchge
führt und das Steuerverfahren wird von neuem durchlaufen.
Bei einer (rückgekoppelten) Regelung mit Vorsteuerung han
delt es sich bei dem im Schritt S2a bzw. S2b aus dem jewei
ligen Kennfeld entnommenen Wert um einen Vorsteuerwert, der
im Schritt S3 der Voreinstellung der Regelung dient. Die im
Schritt S3 anschließend stattfindende (Nach)-Regelung ist
in Fig. 7 nicht ausdrücklich dargestellt. Die Übergange von
"Abschaltsignal Aus" zu "Abschaltsignal An" und umgekehrt
bewirken hier also eine Änderung der Voreinstellung der
Regelung, die der jeweils beim Übergang erwarteten Änderung
der Drehungleichförmigkeit entspricht.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen gibt es
mehrere Stufen von Zylinderabschaltung. Beispielsweise
können bei einem Achtzylindermotor in einem Übergangs-Ab
schaltbereich zunächst nur zwei Zylinder, bei weiterem
Fortschreiten ihn den Abschaltbereich hinein dann insgesamt
vier Zylinder abgeschaltet werden. Das oben geschilderte
Steuerverfahren läuft dann entsprechend mit zwei Ab
schaltsignalen und drei Kennfeldern ab.
Bei all diesen Ausführungsformen bemerkt der Benutzer prak
tisch nichts vom Zylinderabschaltbetrieb und den Übergängen
zwischen An- und Abschaltbetrieb und umgekehrt.
Fig. 8 veranschaulicht schematisch einen Steuerablauf einer
Ausführungsform des Antriebssystems. Nach einem manuellen
Start des Verbrennungsmotors 1 im Schritt T0 wird im fol
genden Schritt T1 abgefragt, ob eine Bedingung zum Stoppen
des Verbrennungsmotors 1 erfüllt ist. Im einzelnen setzt
sich die Stopbedingung aus einer logischen UND-Verknüpfung
folgender bestimmter Bedingungen zusammen:
- 1. Motordrehzahl n ist kleiner als 1300 U/min;
- 2. Kraftfahrzeug-Fahrgeschwindigkeit V ist kleiner als 4 km/h;
- 3. Kühlmitteltemperatur T des Verbrennungsmotors 1 ist größer als 60°C;
- 4. das Fahrzeug ist seit dem letzten (manuellen oder automatischen Start) wenigstens einmal schneller als 4 km/h gefahren; und
- 5. der Batterieladezustand ist für weitere Starterbetäti gungen ausreichend (diese Bedingung ist in Fig. 8 nicht dargestellt).
Falls die Antwort auf diese Abfrage Nein ist, mündet der
Steuerablauf wieder oben zwischen den Schritten T0 und T1
ein, so daß die Abfrage im Schritt T1 nach Art einer
Quasi-Endlosschleife bis zum Eintreten der Stopbedingung wieder
holt ausgeführt wird. Falls die Antwort hingegen Ja ist,
wird der Verbrennungsmotor 1 im Schritt T2 automatisch
gestoppt, z. B. durch Unterbrechen der Kraftstoffzufuhr.
Im anschließenden Schritt T3 wird abgefragt, ob eine Bedin
gung zum Starten des Verbrennungsmotors 1 (sog. Startbedin
gung) erfüllt ist. Die Startbedingung kann beispielsweise
die Bedingung "Berührung des Gangschalthebels durch Benut
zer ?" sein. Falls die Antwort auf diese Abfrage Nein ist,
mündet der Steuerablauf wieder oben zwischen den Schritten
T2 und T3 ein, so daß die Abfrage im Schritt T3 nach Art
einer Quasi-Endlosschleife wiederholt ausgeführt wird,
solange bis die Startbedingung erfüllt ist. Falls die Ant
wort auf die Abfrage hingegen Ja ist, wird der Verbren
nungsmotor 1 im Schritt T4 automatisch wieder gestartet,
und zwar durch die direkt mit der Triebwelle 10 des Ver
brennungsmotors 1 gekoppelte elektrische Maschine 4. Um
hierbei ein unbeabsichtiges Anfahren des Kraftfahrzeugs
auszuschließen, wird jedoch das Erfülltsein der Bedingung
"Kein Gang eingelegt" gefordert.
Anschließend mündet der Steuerablauf wieder oben zwischen
den Schritten T0 und T1 ein, so daß der Steuerablauf wieder
von vorne beginnt, also im folgenden wieder abgefragt wird,
ob die Stopbedingung vorliegt. In beiden o.g. Quasi-End
losschleifen ist außerdem noch eine (nicht gezeigte) Ab
frage vorhanden, ob ein manueller Stop (etwa durch Drehen
eines Zündschlüssels) durchzuführen ist. Falls in der je
weiligen Schleife die Antwort Nein ist, wird sie weiter
durchlaufen. Falls die Antwort Ja ist, endet der Steuer
ablauf.
Eine elektrische Doppelmaschine 4 gemäß Fig. 9, welche
zusätzlich die Funktion einer elektromagnetischen Kupplung
und/oder Synchronisiereinrichtung ausführen kann, sitzt im
Antriebsstrang 2 zwischen der Antriebswelle, z. B. der
Triebwelle 10 des Verbrennungsmotors 1, und der Abtriebs
welle, z. B. der mit einem Getriebe 6 gekoppelten Getriebe
welle 55. Sie umfaßt zwei elektrische Maschinen 4a, 4b mit
jeweils einem drehfesten Ständer 8a, 8b und jeweils einem
mit der An- bzw. Abtriebswelle drehenden Läufer 9a, 9b. Die
Läufer 9a, 9b - und damit die An- und Abtriebswelle - sind
mit Hilfe einer mechanischen Überbrückungs-Kupplung 60 -
hier einer form- oder reibschlüssigen Kupplung - fest me
chanisch miteinander verbindbar. Diese ist vorzugsweise in
gesteuerter Weise betätigbar, z. B. mechanisch, elektrisch,
hydraulisch oder pneumatisch. Bei anderen Ausführungsformen
ist die Überbrückungs-Kupplung 60 nicht vorhanden.
Fig. 10 zeigt eine Fig. 9 entsprechende Doppelmaschine 4,
bei der die Läufer 9a, 9b in koaxialer Anordnung in einem
gemeinsamen Ständerkörper 59 angeordnet sind, der die bei
den (elektrisch getrennten oder trennbaren) Ständer 8a, 8b
aufnimmt und drehfest z. B. an einem Kurbelgehäuse 61 des
Verbrennungsmotors 1 befestigt ist. Die (hier nicht darge
stellte) Überbrückungskupplung kann z. B. dadurch realisiert
sein, daß die Läufer 9a, 9b durch Axialverschiebung mitein
ander in Form- oder Reibschluß gebracht werden können.
Alternativ kann sie durch z. B. durch eine in die Läufer 9a,
9b integrierte Reib- oder Klauenkupplung gebildet sein.
Die Doppelmaschine 4 der Fig. 9 und 10 hat neben ihrer
Funktion als elektromagnetische Kupplung die Funktionen
einer aktiven Getriebe-Synchronisiereinrichtung, eines
aktiven Drehungleichförmigkeits-Verringerers, eines
Direkt-Starters für den Verbrennungsmotor, eines Generators zur
Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer Energie, und
eines Boosters sowie einer generatorischen Bremse zur Un
terstützung des Verbrennungsmotors 1 bzw. von Fahrzeugbrem
sen beim Beschleunigen bzw. Abbremsen etwa eines Kraftfahr
zeugs, auch im Rahmen einer - durch Regelung des Schlupfes
in der elektrischen Maschine erzielbaren - ASR zur An
triebsradschlupf-Verringerung.
Bei der Kupplungsfunktion handelt es sich bei einer Aus
führungsform um die Funktion einer Anfahr- und Schaltkupp
lung, bei einer anderen Ausführungsform nur um die einer
Schaltkupplung zum Gangwechsel. Bei der ersten Ausfüh
rungsform kann die beim Kraftfahrzeug im Antriebsstrang
vorhandene herkömmliche mechanische oder hydrodynamische
Kupplung entfallen. Bei der zweiten Ausführungsform ist sie
hingegen als Anfahrkupplung zusätzlich zur elektromagneti
schen Kupplung 4 vorhanden. Sie ist z. B. nachfolgend in der
Abtriebswelle 55 angeordnet und kann nach dem Anfahren -
also auch während eines Gangwechsels - geschlossen bleiben.
Bei beiden Ausführungsformen wird die Überbrückungskupplung
60 bei Gleichlauf der Wellen 10, 55 geschlossen, um dann
die elektromagnetischen Kopplungsverluste zu eliminieren,
bei der zweiten Ausführungsform auch um das hohe Anfahr
moment zu übertragen, sowie bei anderen Funktionen, wie dem
Drehungleichförmigkeits-Verringern und Starten, durch ge
koppelten Parallellauf beider Maschinen 4a, 4b größere
Drehmomente zur Verfügung zu haben. Da die Überbrückungs
kupplung 60 nur bei Wellengleichlauf eingekuppelt wird, ist
sie vorteilhaft als formschlüssige Kupplung (z. B. Haken
kupplung) ausgebildet.
Bei einer dritten Ausführungsform hat die elektrische Dop
pelmaschine 4 keine Kupplungsfunktion, dient aber (wie bei
der ersten und zweiten Ausführungsform) der aktiven Getrie
besynchronisation durch Beschleunigen bzw. Abbremsen der
Abtriebswelle 55 in dem Zeitraum zwischen Wellentrennung
und -verbindung, die durch eine als mechanische oder hydro
dynamische Anfahr- und Schaltkupplung, z. B. in Form einer
reibschlüssig ausgebildeten Überbrückungskupplung 60 be
wirkt wird.
Die elektrische Ansteuerung der Maschinen 4a, 4b erfolgt
bei den Ausführungsformen mit Kupplungsfunktion unabhängig
voneinander, hier durch zwei im wesentlichen unabhängige
Wechselrichter, um die Erzeugung entgegengesetzter Drehmo
mente (z. B. wenn die antriebsseitige Maschine 4a als Gene
rator und die abtriebsseitige 4b als Motor arbeitet) und/
oder von Drehmomenten bei verschiedenen Drehzahlen (z. B.
während des Anfahrens und nach Gangwechsel) zu ermöglichen.
Bei der Ausführungsform ohne elektromagnetischen
Kupplungs-Funktion ist keine unabhängige Ansteuerung erforderlich.
Hier genügt ein Wechselrichter, der zur Steuerung der ver
schiedenen Funktion (Synchronisierung, Drehungleichförmig
keits-Verringerung, Starten, Stromerzeugung, Beschleuni
gung, Bremsung) geeignet ist und wahlweise mit nur einer
Maschine 4a oder 4b oder beiden Maschinen 4a, 4b koppelbar
ist. Die wahlweise Koppelbarkeit erlaubt einerseits für
manche Funktionen - etwa zum Starten - beide Maschinen 4a,
4b gemeinsam (bei geschlossener Überbrückungskupplung 60)
Moment erzeugen zu lassen, und andererseits für andere
Funktionen nur eine von ihnen (bei geöffneter Überbrüc
kungskupplung 60) Moment erzeugen zu lassen - etwa die
abtriebsseitige Maschine 4b ein bremsendes Moment zur Syn
chronisierung oder zum Abbremsen des Fahrzeugs erzeugen zu
lassen. Elektrische Energie, die durch generatorisches
Bremsen und Kupplungsschlupf anfällt, wird gespeichert,
z. B. einem elektrischen (z. B. Kondensator), elektrochemi
schen (z. B. Batterie oder einem kinetomechanischen Speicher
(z. B. Schwungrad-Speicher), und wiederverwendet. Falls die
anfallende Energie oder Leistung das Aufnahmevermögen des
Speichers übertrifft - was z. B. bei der Anfahrkupplungs
funktion der Fall sein kann, wird die Überschußenergie in
Form von Wärme (über Heizwiderstände) abgeführt.
Eine elektrische Einzelmaschine 4 gemäß Fig. 12, welche die
Funktion einer elektromagnetischen Kupplung und/oder Syn
chronisiereinrichtung hat, weist ein inneres und ein äuße
res elektromagnetisches Wirkelement auf, die in Anlehnung
an bei elektrischen Maschinen üblichen Bezeichnungsweisen
hier Läufer 9 und Ständer 8′ genannt werden. Der Läufer 9
ist drehfest mit der Abtriebswelle 55 und der Ständer 8′
ist drehfest mit der Triebwelle 10 verbunden (bei anderen -
nicht gezeigten - Ausführungsformen ist diese Zuordnung
umgekehrt). Die elektrische Maschine 4 ist also zusätzlich
zur Läuferdrehung als Ganzes drehbar; der Begriff "Ständer"
ist also angesichts dessen Drehbarkeit nur in einem über
tragenen Sinn zu verstehen. Während es bei einer festste
henden elektrischen Maschine - z. B. einer Drehfeld-Maschine
- möglich ist, die Stromzufuhr auf das feststehende Wirk
element (d. h. den Ständer) zu beschränken und im drehbaren
Wirkelement (d. h. im Läufer) Ströme ohne Stromzufuhr nur
durch Induktion hervorzurufen, wird hier - wo beide Wirk
elemente drehbar sind - wenigstens einem von ihnen (hier
dem Ständer 8′) Strom über drehbewegliche elektrische Ver
bindungen (z. B. über hier nicht gezeigte Schleifer/Schleif
ring-Kontakte) zugeführt. Die Abtriebswelle 55 ist mit
einer mechanischen Kupplung, hier einer gegen das Fahr
zeugchassis oder, das Getriebegehäuse abgestützten Bremse 62
gegen Drehung festlegbar. Die gezeigte Ausführungsform hat
keine Überbrückungskupplung, andere (nicht gezeigte) Aus
führungsformen sind jedoch mit einer reib- oder kraft
schlüssigen Überbrückungskupplung zur mechanischen Verbin
dung der Wellen 10, 55 ausgerüstet. Die Maschine 4 kann im
oder am Motorgehäuse, Getriebegehäuse oder an beliebiger
anderer Stelle im Antriebsstrang 2 plaziert sein.
Die elektrische Einzelmaschine 4 kann - trotz ihres ein
fachen Aufbaus - im wesentlichen alle Funktionen der Dop
pelmaschine gemäß Fig. 9 und 10 ausführen, so daß die dort
gemachten Ausführungen - soweit hier sinnvoll - auch hier
Gültigkeit haben.
In der Funktion als Schaltkupplung und ggf. als Anfahr
kupplung wird ein Gleichlauf der Wellen 10, 55 durch eine
solche Einstellung der drehmomenterzeugenden magnetischen
Felder der Maschine 4 erzielt, daß Drehzahlgleichheit zwi
schen den Wellen 10, 55 herrscht, also der Kupplungsschlupf
zwischen Ständer 8′ und Läufer 9 genau verschwindet. Bei
einer Asynchronmaschine wird dies beispielsweise durch die
Regelung bzw. Steuerung des magnetischen Schlupfes eines
entgegen der Antriebsdrehmoment-Richtung umlaufenden Dreh
felds geeigneter Frequenz und Amplitude erzielt. Eine
(hier nicht dargestellte) formschlüssige Überbrückungskupp
lung eliminiert bei verschwindendem Kupplungsschlupf die
elektromagnetischen Verluste.
Die aktive Getriebesynchronisierung - die bei Ausführungs
formen der Einzelmaschine 4 auch ohne Kupplungsfunktion
realisiert sein kann - erfolgt hier in Abstützung gegen die
mit der variablen Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 dre
hende Triebwelle 10. Der Beitrag dieser Drehung wird bei
der Bestimmung und Steuerung der für die jeweilige Synchro
nisation nötigen Relativdrehzahl der Maschine 4 berücksich
tigt.
Eine Verringerung von Drehungleichförmigkeiten der Trieb
welle 10 kann im Stand des Fahrzeugs in Abstützung gegen
den dann mit Hilfe der Bremse 62 gegen Drehung festgelegten
Läufer 9 erfolgen. Bei angetriebener Fahrt können bei nicht
eingekuppelter (oder nicht vorhandener) Überbrückungskupp
lung Drehungleichförmigkeiten der Abtriebswelle 55 durch
schnelles Variieren des übertragenen Drehmoments verringert
werden, und zwar durch dessen Verkleinerung (d. h. einer
Vergrößerung des Kupplungsschlupfes) bei positiver Dreh
ungleichförmigkeit und dessen Vergrößerung (d. h. einer
Verkleinerung des Kupplungsschlupfes) bei negativer.
Zusatzbeschleunigung oder -bremsung ist bei nicht einge
kuppelter Überbrückungskupplung durch Erzeugung entspre
chenden Drehmomente - oder anders ausgedrückt - kleineren
oder größeren Kupplungsschlupfes möglich. Die elektrische
Maschine 4 kann in eine ASR-Regelung derart einbezogen
sein, daß bei zu großem Antriebsrad-Schlupf der Kupplungs
schlupf augenblicklich vergrößert und damit das an den
Antriebsrädern anliegende Moment verkleinert wird. Eine
Generatorfunktion zur Stromerzeugung wird durch dauernd
aufrechterhaltenen Kupplungsschlupf erzielt.
Die elektrische Maschine 4 kann den Verbrennungsmotors 1
direkt in Abstützung gegen die durch die Bremse 62 festge
legte Abtriebswelle 55 starten. Bei einer anderen Ausfüh
rungsform, bei der die Maschine 4 hierfür kein ausreichen
des Drehmoment aufbringt, kann sie unter Ausnutzung der
elektromagnetischen Kupplungsfunktion als verschleißfreier
Schwungradstarter dienen. Hierzu beschleunigt die elektri
sche Maschine 4 zunächst bei nicht eingelegtem Gang und
gelöster Bremse 62 den dann freilaufenden Läufer 9 zusammen
mit der Abtriebswelle 55 in Abstützung gegen die Triebwelle
10 und die Kompression des noch nicht laufenden Verbren
nungsmotors 1 auf eine relativ hohe Drehzahl, z. B. auf 2000
U/min. Dann wird die elektrische Maschine 4 innerhalb kur
zer Zeit so umgesteuert, daß sie ein bremsendes Moment,
also Kraftschluß zwischen dem Läufer 9 und dem Ständer 8′
herstellt. Dadurch werden der Läufer 9 mit der Abtriebs
welle 55 und der Ständer 8′ mit der Triebwelle 10 schnell
auf eine gemeinsame mittlere Drehzahl (z. B. 800 U/min)
gebracht und der Verbrennungsmotor 1 gestartet.
Fig. 13 zeigt eine Weiterbildung der elektrischen Maschine
mit drehbaren Wirkeinheiten gemäß Fig. 12. Die dort sowie
im Zusammenhang mit Fig. 9 und 10 gemachten Ausführungen
haben auch hier - soweit sinnvoll - Gültigkeit. Die Ma
schine 4 gemäß Fig. 13 hat bei etwas größerem Aufwand den
Vorteil, auch im Antriebszustand des Antriebssystems eine
Verringerung von Drehungleichförmigkeiten an ihrem Ursprung
- also an der Triebwelle 10, und nicht nur an der Ab
triebswelle 55 - zu erlauben, ferner die Generatorfunktion
bei geschlossener Überbrückungskupplung - und damit bei
höherem Wirkungsgrad - bereitzustellen, sowie die Synchro
nisierung bezüglich eines feststehenden - und nicht mit
variabler Drehzahl rotierenden - Bezugselements zu ermögli
chen, was deren Steuerung vereinfacht.
Dies wird dadurch erreicht, daß der Ständer 8′ nicht mehr
dauernd mit der Triebwelle 10 gekoppelt ist, sondern in
steuerbarer Weise drei verschiedene Kopplungszustände ein
nehmen kann:
- 1. mit der Triebwelle 10 gekoppelt (wie in Fig. 12);
- 2. ohne Kopplung mit der Triebwelle 10 frei drehbar;
- 3. gegen Drehung festgelegt.
Zwei zusätzliche mechanische Kupplungen, bei denen es sich
um reibschlüssige, vorzugsweise aber um formschlüssige
Kupplungen handeln kann, dienen hierzu: Eine Motorkupplung
63, die im geschlossenen Zustand den Ständer 8′ mit der
Triebwelle 10 koppelt (Kopplungszustand 1), und eine Fest
leg-Kupplung 64, die ihn im geschlossenen Zustand gegen
Drehung festlegt, z. B. durch Kopplung mit dem Kurbelgehäuse
61 (Kopplungszustand 3). Für den Kopplungszustand 2 sind
beide geöffnet; ein gleichzeitiges Schließen ist ein ver
botener Zustand. Die Kupplungen 63, 64 (die in Fig. 13 nur
aus Gründen der Rotationssymmetrie doppelt gezeichnet sind),
sowie die Überbrückungskupplung 60 sind in gesteuerter
Weise betätigbar, z. B. mechanisch, elektrisch, hydraulisch
oder pneumatisch.
Die Steuerung der elektrischen Maschine 4 und der Kupplun
gen 60, 62, 63 erfolgt durch die verschiedenen Betriebs
zustände und Funktionen des Antriebssystems gemäß folgenden
Verfahrensabläufen:
- 1. Starten des Verbrennungsmotors 1 (Schwungrad-Start):
i. Gang freischalten (z. B. durch Bedienungsperson);
ii. Motorkupplung 63 wird geschlossen;
iii. Läufer 9 wird durch elektrische Maschine 4 auf hohe Drehzahl beschleunigt;
iv. Bremsmoment in elektrischer Maschine 4 wird ein geschaltet, dadurch wird Läufer 9 abgebremst und Ständer 8′ beschleunigt, so daß der Verbrennungs motor 1 startet; - 2. Anfahren des Fahrzeugs:
i. Überbrückungskupplung 60 wird geöffnet;
ii. Läufer 9 wird durch elektrische Maschine 4 zum Stillstand gebracht;
iii. 1. Gang wird eingelegt (z. B. durch Bedienungsper son);
iv. Läufer 9 wird elektromagnetisch mit Anfahr-Nenn moment beschleunigt, d. h. durch Ständer 8′ mit genommen;
v. bei Gleichlauf wird Überbrückungskupplung 60 ge schlossen; - 3. Stationärer Fahrbetrieb mit Drehungleichförmigkeits-
Verringerung:
i. Motorkupplung 63 wird geöffnet, so daß der Stän der 8′ frei dreht;
ii. Ständer, 8′ wird durch elektrische Maschine 4 zum Stillstand gebracht;
iii. Festleg-Kupplung 64 wird geschlossen, so daß eine starre Verbindung zwischen Ständer 8′ und dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 herrscht;
iv. Wechselmoment zur Verringerung von Drehungsgleich förmigkeiten der Triebwelle 10 wird von der elek trischen Maschine 4 erzeugt; - 4. Schalten:
i. Verbrennungsmotor-Antriebsmoment wird weggenommen (ggf. mit Unterstützung der elektrischen Maschi ne) (z. B. durch Bedienungsperson);
ii. Überbrückungskupplung 60 wird geöffnet;
iii. Gang wird herausgenommen (z. B. durch Bedienungs person);
iv. Läufer 9 wird auf diejenige neue Drehzahl be schleunigt oder abgebremst, welche die Synchro nisierbedingung für den neu einzulegenden Gang erfüllt;
v. dieser Gang wird eingelegt (z. B. durch Bedie nungsperson);
vi. Überbrückungskupplung 60 wird geschlossen;
vii. Verbrennungsmotor-Antriebsmoment wird wieder freigegeben (z. B. durch Bedienungsperson).
Eine Drehungleichförmigkeits-Verringerung ist auch im Leer
lauf möglich, wie folgende Verfahrensabfolge zeigt, die
sich an den obigen Schritt 1 anschließen kann:
- 5. Leerlauf mit Drehungleichförmigkeits-Verringerung:
i. Motorkupplung 63 wird geöffnet, so daß der Stän der 8′ frei dreht;
ii. Ständer 8′ wird durch elektrische Maschine 4 zum Stillstand gebracht;
iii. Festleg-Kupplung 64 wird geschlossen, so daß eine starre Verbindung zwischen Ständer 8′ und dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 herrscht;
iv. Wechselmoment zur Verringerung von Drehungsgleich förmigkeiten der Triebwelle 10 wird von der elek trischen Maschine 4 erzeugt.
Das Schließen der Kupplungen 60, 63, 64 erfolgt nur bei
jeweils verschwindender Relativdrehzahl. Die Generatorfunk
tion und bremsende oder antreibende Zusatz-Drehmomente
werden - wie die Synchronisierungsfunktion und die Dreh
ungleichförmigkeits-Verringerung - bei geschlossener Über
brückungskupplung 60 und geschlossener Festleg-Kupplung 64
durch entsprechende bremsende bzw. antreibende Momente der
elektrischen Maschine 4 verwirklicht.
Andere Ausführungsformen starten den Verbrennungsmotor 1
direkt, und zwar bei geschlossener Überbrückungskupplung 60
und geschlossener Festleg-Kupplung 64.
Die elektrische Maschine 4 gemäß Fig. 14 entspricht funk
tionell weitgehend der in Fig. 13 gezeigten, so daß die
Ausführungen zu Fig. 13 sowie Fig. 9 bis 12 auch hier -
soweit sie nicht im folgenden genannte Abweichungen be
treffen - Geltung haben. Ein wesentlicher Unterschied zur
Maschine gemäß Fig. 13 besteht darin, daß die Umschaltung
von "drehbarem Läufer" auf "feststehenden Läufer" nicht
mechanisch durch Öffnen und Schließen von Kupplungen, son
dern auf elektrischem Wege erfolgt. Ein weiterer Unter
schied besteht darin, daß bei der gezeigten Maschine 4 die
Rollen der Triebwelle 10 und der Abtriebswelle 55 gegenüber
Fig. 13 vertauscht sind, was zu geringfügigen - unten näher
erläuterten - Abweichungen in der Funktionsweise führt. Bei
(nicht gezeigten) Ausführungsformen entsprechen die Rollen
der Triebwelle 10 und der Abtriebswelle 55 jedoch denen von
Fig. 13; diese Ausführungsformen zeigen nicht diese Abwei
chungen.
Bei der gezeigten elektrischen Maschine 4 sind - wie gesagt
- der (außenliegende) Ständer 8′ und der (innenliegende)
Läufer 9 drehfest und nicht entkoppelbar mit der Abtriebs
welle 55 bzw. der Triebwelle 10 verbunden. Zusätzlich zum
drehbaren Ständer 8′ ist die Maschine 4 mit einem gegen
Drehung festliegenden Ständer 8 ausgerüstet, der sich
(z. B.) gegen das Kurbelgehäuse 61 abstützt. Dieser ist dem
drehbaren Ständer 8′ unmittelbar benachbart, und zwar in
Axialrichtung (z. B.) zum Verbrennungsmotor 1 hin versetzt.
Er ist koaxial zum drehbaren Ständer 8′ angeordnet und
weist einen Innendurchmesser wie jener auf. Die Wicklungen
36 der beiden Ständer 8′, 8 sind eigenständig, so daß sie
in ihrer Magnetfelderzeugung entkoppelt oder entkoppelbar
sind. Der Läufer 9 ist so breit ausgebildet, daß er sich in
Axialrichtung im wesentlichen über die Wirkflächen der
beiden Ständer 8′, 8 erstreckt. Eine Überbrückungskupplung
60 koppelt - wie in Fig. 13 - die Triebwelle 10 mit der Ab
triebswelle 50. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungs
formen sind der Läufer 9 außen- und die Ständer 8′, 8 in
nenliegend.
Das Umschalten zwischen dem festliegenden Ständer 8 und dem
drehbaren Ständer 8′ erfolgt mit Hilfe einer umschaltbaren
Versorgungseinheit, hier des geeignet umschaltbaren Wech
selrichters 17. Dieser versorgt entweder für die Funktionen
Direktstart, Drehungleichförmigkeits-Verringerung, Fahr
zeugbremsung und beschleunigung sowie die Generatorfunktion
den festgelegten Ständer 8 oder für die Funktionen elektro
magnetische Kupplung, Synchronisierung sowie
Schwungrad-Start den drehbaren Ständer 8′ mit den hierfür jeweils
erforderlichen Strömen und Spannungen, wobei er zwischen
diesen trägheitslos und ohne merkliche Zeitverzögerung
umschalten kann.
Anders als in Fig, 13 wird die Funktion "Synchronisierung"
durch Momenterzeugung zwischen dem drehbaren Ständer 8′ und
dem Läufer 9 gesteuert, was steuerungstechnisch wegen der
Abstützung gegen die drehzahlvariable Triebwelle 10 auf
wendiger ist. Dies liegt daran, daß bei der Maschine 4
gemäß Fig. 14 die Überbrückungskupplung 60 in Abtriebsrich
tung gesehen hinter der durch den festliegenden Ständer 8
und den Läufer 9 gebildeten elektrischen Maschine liegt,
während sie bei der Maschine 4 gemäß Fig. 13 bei festlie
gendem Ständer vor der elektrischen Maschine 4 liegt. Bei
der (nicht gezeigten) Ausführungsform, bei der die Rollen
der Triebwelle 10 und der Abtriebswelle 55 gegenüber Fig.
14 vertauscht sind, ist dieser funktionelle Unterschied zu
Fig. 13 nicht vorhanden.
Bei anderen Ausführungsformen werden die beiden Ständer 8,
8′ simultan und unabhängig mit Hilfe zweier unabhängiger
Versorgungseinrichtungen, hier Wechselrichter 17 gespeist.
Dies ermöglicht eine Ausführung von dem festliegenden Stän
der 8 zugeordneten Funktionen, z. B. der Generatorfunktion
und der Drehgleichförmigkeits-Verringerung auch während
der Ausführung von dem drehbaren Ständer 8′ zugeordneten
Funktionen, z. B. der elektromagnetischen Kupplungsfunktion.
Eine weitere (nicht gezeigte) Ausführungsform der elektri
schen Maschine mit einem Läufer, einem permanent festlie
genden Ständer und einer mechanischen Kupplung zwischen dem
Antriebsaggregat und der elektrischen Maschine erlaubt eine
aktive Getriebesynchronisierung, stellt jedoch keine elek
tromagnetische Kupplungsfunktion bereit.
Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform des Systems entsprechend
Fig. 2 mit der elektrischen Maschine von Fig. 13 mit elek
trisch umschaltbarem Doppelständer. Im wesentlichen sind in
der folgenden Beschreibung nur Unterschiede und Ergänzungen
zu dem System gemäß Fig. 2 erwähnt.
Die elektrische Maschine 4 umfaßt zwei äußere Ständer 8, 8′
und einen inneren bürstenlosen Läufer 9, der sich in Axial
richtung über die Wirkfläche beider Ständer 8, 8′ er
streckt. Der erste, antriebsseitige Ständer 8 stützt sich
drehfest z. B. gegen den Verbrennungsmotor 1 ab, wohingegen
der zweite, antriebsseitige Ständer 8′ drehfest mit der
Abtriebswelle 55 verbunden ist. Der Läufer 9 sitzt direkt
auf der Triebwelle 10 oder einer Verlängerung hiervon und
ist mit dieser drehfest gekoppelt. Die Triebwelle 10 und
der Läufer 9 sowie die Abtriebswelle und der drehbare Stän
der 8′ rotieren also jeweils gemeinsam. Die Triebwelle 10
und die Abtriebswelle 55, die zwischen dem Läufer 9 und dem
drehbaren Ständer 8′ getrennt sind, sind mit einer im Inne
ren des Läufers 9 integrierten formschlüssigen Überbrüc
kungskupplung 60, hier einer steuerbar betätigbaren Klauen
kupplung koppelbar.
Die elektrische Maschine 4 fungiert hier außerdem als elek
tromagnetische Anfahr- und Schaltkupplung und als aktive
Getriebe-Synchronisiereinrichtung, wie im Zusammenhang mit
den Fig. 9-13 bereits erläutert wurde, und ersetzt damit
auch die (hier nicht vorhandene) mechanische Fahrkupplung
5 und erlaubt die Verwendung eines unsynchronisierten Ge
triebes.
Der Wechselrichter 17 liefert hier in umschaltbarer Weise
entweder dem festliegenden Ständer 8 oder dem drehbaren
Ständer 8′ oder beiden parallel elektrische Energie. Die
Zuführung zum drehbaren Ständer 8′ erfolgt über (nicht
gezeigte) Drehkontakte, hier Schleifer/Schleifring-Kontak
te. Der externe Zusatzspeicher 24 dient hier auch der Spei
cherung derjenigen Energie, die beim Anfahren (d. h.
Schlupfenergie) und beim abbremsenden Synchronisieren
anfällt. Diese Energie kann z. B. für entsprechende Funktio
nen mit Energiebedarf wiederverwendet werden. Die Steuer
einrichtung 31 bestimmt auch, welcher Ständer 8, 8′ ange
steuert wird und gibt dem Wechselrichter 17 auch bezüglich
der Kupplungs- und Synchronisierungsfunktion durch entspre
chende Ansteuerung seiner Halbleiterschalter zu jedem Zeit
punkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phase die von ihm
zu erzeugende Wechselspannung haben soll. Sie kann dies
z. B. mit Hilfe gespeicherter Kennfeldwerte tun, die für die
verschiedensten Betriebszustände für Kupplungsvorgänge das
Soll-Drehmoment (oder den Soll-Kupplungsschlupf) sowie für
Getriebesynchronisierungs-Vorgänge die Soll-Drehzahl, je
weils als Funktionen der Zeit, repräsentieren. Gegebenen
falls kann die Drehmomentbestimmung ergänzt sein durch eine
laufende Messung dieser Größen und eine rückgekoppelte
Regelung, welche die Einhaltung der Vorgaben sicherstellt.
Die Steuereinrichtung 31 teilt zur Erfüllung ihrer Steuer
aufgaben hier auch Sensoren zur Erfassung der Drehzahl des
Achsantriebs 7 und der eingelegten Gangstufe mit dem Motor
steuergerät 33. Das ASR-Steuergerät 34 gibt hier der Steu
ereinrichtung 31 bei Vorliegen von Antriebsschlupf vor, daß
die elektrische Maschine 4 - neben der Möglichkeit, als
generatorische Bremse zu wirken - bei geöffneter Überbrüc
kungskupplung 60 vorübergehend den Kupplungsschlupf ver
größern soll.
Bei einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform ent
sprechend Fig. 6 übernimmt die Steuereinrichtung 31 die
Steueraufgaben des Verbrennungsmotor-Steuergeräts 33 von
Fig. 14, welches deshalb bei dieser Ausführungsform ent
fallen kann.
Claims (30)
1. Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
mit:
- - einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor (1);
- - einer Einrichtung (31 bzw. 33) zur Abschaltung wenigstens eines Teils der Zylinder des Verbren nungsmotors (1); und
- - einer - insbesondere mit einer Welle, etwa der Triebwelle (10) des Verbrennungsmotors (1) ge koppelten oder koppelbaren - Vorrichtung zur ak tiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten, welche wenigstens während Zylinderabschaltbetrieb zumindest bei bestimmten Betriebszuständen aktiv ist.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, bei welchem bei einem
Übergang von Zylinderabschalt- zu Zylinderanschaltbe
trieb und/oder zurück die Vorrichtung zur aktiven
Verringerung von Drehungleichförmigkeiten ihre Ver
ringerungswirkung verändert.
3. Antriebssystem nach Anspruch 2, bei welchem die Ver
ringerungswirkung der Vorrichtung zur aktiven Verrin
gerung von Drehungleichförmigkeiten beim Übergang von
Zylinderanschalt- zu Zylinderabschaltbetrieb zunimmt
bzw. bei einem umgekehrten Übergang abnimmt.
4. Antriebssystem nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem
beim Übergang von Zylinderanschalt- zu Zylinderab
schaltbetrieb und/oder umgekehrt die Vorrichtung zur
aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten ihre
Verringerungswirkung ohne Verwendung von Steuerin
formation der Zylinderan- bzw. -abschaltung auf der
Grundlage einer Erfassung momentaner Drehungsgleichför
migkeiten ändert.
5. Antriebssystem nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem
Steuerinformation zur Steuerung des Übergangs von
Zylinderanschalt- zu Zylinderabschaltbetrieb und/oder
umgekehrt auch die Veränderung der Verringerungswir
kung der Vorrichtung zur aktiven Verringerung von
Drehungleichförmigkeiten hervorruft.
6. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welches so ausgebildet ist, daß der Zylinderabschalt
betrieb und Übergange in den und aus dem Zylinderab
schaltbetrieb für einen Benutzer im wesentlichen un
merklich sind, wenigstens was von Drehungleichförmig
keiten herrührende Wahrnehmungen des Benutzers be
trifft.
7. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, bei welchem die Vorrichtung zur aktiven Verrin
gerung von Drehungleichförmigkeiten wenigstens eine
elektrische Maschine (4), insbesondere Dreh- oder
Wanderfeldmaschine, umfaßt, die mit der Triebwelle
(10) gekoppelt oder koppelbar ist.
8. Antriebssystem nach Anspruch 7, mit wenigstens einem
Wechselrichter (17) zum Erzeugen der für die magneti
schen Felder der elektrischen Maschine (4) benötigten
Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Ampli
tude und/oder Phase.
9. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, bei welchem die Vorrichtung zur aktiven Verringe
rung von Drehungleichförmigkeiten positiven und nega
tiven Drehungleichförmigkeiten entgegenwirkt.
10. Antriebssystem nach Anspruch 9, bei welchem das Ent
gegenwirken so erfolgt, daß die Vorrichtung zur akti
ven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten ein
schnell alternierendes, und zwar bei einer positiven
Drehungleichförmigkeit ein bremsendes und bei einer
negativen Drehungleichförmigkeit ein antreibendes
Drehmoment erzeugt, dem sie zur zusätzlichen Erzielung
einer antreibenden Wirkung oder einer bremsenden oder
generatorischen Wirkung insbesondere ein positives
bzw. negatives Drehmoment überlagern kann.
11. Antriebssystem nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem
beim Verringern einer positiven Drehungleichförmigkeit
gewonnene Energie (Drehungleichförmigkeits-Bremsen
ergie) sowie ggf. bei bremsendem Zusatz-Drehmoment
gewonnene Energie (Zusatzdrehmoment-Bremsenergie)
wenigstens teilweise gespeichert wird und die gespei
cherte Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie wenigstens
teilweise zum Verringern einer negativen Drehun
gleichförmigkeit wiederverwendet wird.
12. Antriebssystem nach Anspruch 11, bei welchem zur Spei
cherung der Bremsenergie ein elektrische Speicher
dient und wobei ggf. der Wechselrichter (17) ein Zwi
schenkreis-Wechselrichter ist, dessen Zwischenkreis
wenigstens einen elektrischen Bremsenergie-Speicher
(19, 24) aufweist oder mit wenigstens einem solchen
gekoppelt ist.
13. Antriebssystem nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem
ein Schwungrad (28) zur Speicherung der Bremsenergie
dient, wobei das Schwungrad (28) insbesondere über
eine elektrische Maschine (27) mit der Vorrichtung
gekoppelt ist.
14. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei
welchem die elektrische Maschine (4) außerdem die
Funktion eines Starters für den Verbrennungsmotor (1)
und/oder die Funktion eines Generators zur
Stromversorgung hat.
15. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei welchem die Vorrichtung zur aktiven Verringerung
von Drehungleichförmigkeiten ein Beschleunigen
und/oder Abbremsen der Welle herbeiführen oder unter
stützen kann, insbesondere um ein Fahrzeug zu be
schleunigen bzw. abzubremsen und/oder um im Rahmen
einer Anti-Schlupf-Regelung durch Bremsen den Schlupf
eines Antriebsrades zu verringern.
16. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei
welchem die elektrische Maschine (4) Strom auf relativ
hohem Spannungsniveau, insbesondere höher als 100 V
liefert, und Hilfsmaschinen, wie Klimamaschinen (29),
Servoantriebe (30), Pumpen, elektrisch auf dem hohen
Spannungsniveau angetrieben werden.
17. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, bei welchem das Verringern von Drehungleichför
migkeiten durch Regelung, Steuerung, und zwar insbe
sondere Kennfeldsteuerung, adaptive Steuerung,
und/oder Mischformen hiervon erfolgt.
18. Antriebssystem nach Anspruch 17, bei welchem der Gas
druck und/oder das momentane Drehmoment des Verbren
nungsmotors (1) als Regelgröße zum Verringern von
Drehungleichförmigkeiten dient.
19. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, bei welchem die Vorrichtung zur aktiven Verrin
gerung von Drehungleichförmigkeiten auch Radial
schwingungen der Welle verringern kann, insbesondere
indem die elektrische Maschine (4) einen Feldsektor
(41) oder mehrere Feldsektoren (41) mit wenigstens
teilweise unabhängigen Wanderfeldern aufweist, wobei
das bzw. die Wanderfeld(er) in dem (den)
Feldsektor(en) (41) so gesteuert ist (sind), daß die
elektrische Maschine (4) neben Drehungleichförmigkei
ten auch Radialschwingungen der Welle verringern kann.
20. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 19, bei
welchem die elektrische Drehfeldmaschine bzw. Wander
feldmaschine (Linearmaschine) eine Asynchronmaschine,
eine Synchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine ist,
wobei - im Fall der Asynchronmaschine - deren Steue
rung insbesondere auf der Grundlage einer feldorien
tierten Regelung (Vektorregelung) erfolgt.
21. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 20, bei
welchem die elektrische Maschine (4) eine hohe Drehmo
mentdichte - bezogen auf das maximale Drehmoment -
aufweist, insbesondere größer als 0,01 Nm/cm³.
22. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 21, bei
welchem der Wechselrichter (17) kompakt aufgebaut ist,
insbesondere indem elektronische Schalter (43, 47, 50)
des Wechselrichters (17) fluidgekühlt, insbesondere
siedebadgekühlt, sind.
23. System nach einem der Ansprüche 7 bis 22, bei welchem
in die elektrische Maschine (4), und zwar insbesondere
in deren Läufer (9), eine Kupplung, insbesondere eine
Fahrkupplung (5) integriert ist.
24. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, bei welchem die Vorrichtung zur aktiven Verrin
gerung von Drehungleichförmigkeiten oder die Welle mit
einem Läuferlage- bzw. Wellenlage-Geber, insbesondere
einem Drehtransformator (16) oder einem Kodierer,
ausgerüstet ist.
25. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, wobei wenigstens ein Sensor (16, 32) und/oder
wenigstens eine aus Sensorinformation abgeleitete
Größe sowohl der Steuerung des Verbrennungsmotors (1)
als auch der Steuerung der Vorrichtung zur aktiven
Verringerung von Drehungleichförmigkeiten dient,
und/oder
wobei eine für die Steuerung der Vorrichtung zur akti
ven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten oder des
Verbrennungsmotors (1) zuständige Steuereinrichtung
(31 bzw. 33) auch den Verbrennungsmotor (1) bzw. die
Vorrichtung zur aktiven Verringerung von Drehungleich
förmigkeiten teilweise oder ganz steuert.
26. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7-25, bei
welchem die elektrische Maschine (4) direkt mit der
Triebwelle (10) des Verbrennungsmotors (1) gekoppelt
ist und so ausgebildet ist, daß sie den Verbrennungs
motor (1) im Zusammenlauf aus dem Stand starten kann,
und das Antriebssystem eine automatische
Start-Stop-Steuerung des Verbrennungsmotors (1) umfaßt.
27. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, bei welchem die elektrische Maschine (4) als
elektromagnetische Kupplung im Antriebsstrang (2)
und/oder als aktive Getriebe-Synchronisiereinrichtung
oder als ein Teil hiervon wirkt.
28. Antriebssystem, insbesondere nach einem der vorherge
henden Ansprüche, mit einer Antriebsschlupfregelung,
bei welchem die (bzw. eine) elektrische Maschine (4)
derart ausgelegt ist, daß mit ihr eine Antriebs
schlupfverringerung durch Verkleinerung des Antriebs
moments herbeiführbar ist, insbesondere durch Brems
wirkung und/oder - bei als Kupplung wirkender elek
trischer Maschine - durch Kupplungsschlupf-Wirkung.
29. Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystem, insbe
sondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Antriebssy
stem
- - einen mehrzylindrigen Verbrennungsmotor (1);
- - eine Einrichtung (31 bzw. 33) zur Abschaltung eines Teils der Zylinder; und
- - eine - ,insbesondere mit einer Welle, etwa der Triebwelle (10) des Verbrennungsmotors (1) ge koppelte oder koppelbare - Vorrichtung zur akti ven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten umfaßt, wobei das Antriebssystem so betrieben wird, daß die Vorrichtung zur aktiven Verringerung von Drehun gleichförmigkeiten wenigstens während Zylinderabschal tungsbetrieb zumindest bei bestimmten Betriebszustän den aktiv ist.
30. Verfahren nach Anspruch 29, bei welchem ein Antriebs
system nach einem der Ansprüche 1-28 verwendet wird.
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