DE19539571A1 - Hybridantrieb - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein
Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hybridantriebe für Fahrzeuge sind bekannt. Diese wei
sen eine Brennkraftmaschine und eine Elektromaschine
auf, mittels denen wahlweise eine Antriebsachse des
Fahrzeuges antreibbar ist. Ziel dieser Hybridantriebe
ist es, durch die Kombination einer Brennkraftmaschi
ne und einer Elektromaschine den Antrieb des Fahr
zeuges effektiver, insbesondere schadstoffärmer, zu
gestalten. So soll bei einer relativ geringen Be
anspruchung des Antriebes, beispielsweise im Stadt
verkehr, das Fahrzeug ausschließlich mit der Elektro
maschine betrieben werden, während bei einer höheren
Beanspruchung, beispielsweise bei Autobahnfahrten
oder Bewältigung von Anstiegen, durch ein Zuschalten
der Brennkraftmaschine das Antriebsverhalten verbes
sert wird. Hierzu sind Anordnungen bekannt, bei denen
die Brennkraftmaschine und die Elektromaschine paral
lel oder seriell angeordnet sind und diese mechanisch
mit einem Getriebe verbunden sind. Eine derartige
Anordnung zeigt beispielsweise die DE-PS 29 43 554.
Hierbei ist nachteilig, daß die Brennkraftmaschine
und die Elektromaschine über mechanische Trennkupp
lungen in bzw. außer Eingriff gebracht werden müssen.
Neben den mit den Kupplungen verbundenen Nachteilen
des nicht ruckfreien Verbindens der Antriebsmaschinen
ist ein weiterer Nachteil, daß bei der Kopplung der
Brennkraftmaschine mit der Elektromaschine eine Dreh
momentaddition erfolgt. Die für den Antrieb eines
Fahrzeuges notwendige Drehzahländerung geht bei der
Drehmomentaddition unter, so daß die mit den be
kannten Hybridantrieben ausgestatteten Fahrzeuge nur
eine mangelnde Effektivität und einen eingeschränkten
Fahrkomfort aufweisen.
Der erfindungsgemäße Hybridantrieb mit den im An
spruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den
Vorteil, daß der Fahrkomfort des Fahrzeuges wesent
lich verbessert ist. Dadurch, daß die Brennkraft
maschine und die Elektromaschine mittels eines elek
trodynamischen Wandlers gekoppelt sind, ist es vor
teilhaft möglich, die Brennkraftmaschine und die
Elektromaschine in einer Kaskaden-Anordnung anzuord
nen, die ohne verschleißanfällige und Rucke produ
zierende mechanische Kupplungen auskommt. Der die
Brennkraftmaschine und die Elektromaschine koppelnde
elektrodynamische Wandler arbeitet im wesentlichen
verschleißfrei, geräuschlos und unmittelbar, das
heißt, ohne zeitliche Verzögerungen, so daß das An
triebsverhalten des Fahrzeuges sehr effektiv beein
flußbar ist. Ein entscheidender Vorteil des neuar
tigen Hybridantriebes besteht darin, daß anstelle
einer Drehmomentaddition eine Drehzahlkopplung er
folgt, wobei mittels der Elektromaschine eine Dreh
zahladdition oder eine Drehzahlabsenkung zu der Dreh
zahl der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Hierdurch
kann die Brennkraftmaschine sehr vorteilhaft ständig
mit einer Drehzahl ihres größten Wirkungsgrades ge
fahren werden, so daß eine Variation der Antriebs
drehzahl ausschließlich mittels der Elektromaschine
erfolgt. Durch die Summierung der Drehzahlen der
Brennkraftmaschine und der Elektromaschine ist ein
höheres Ausfahren von Gängen eines Getriebes möglich,
so daß während des Fahrens des Fahrzeuges die Anzahl
der Schaltvorgänge drastisch reduziert werden kann.
Darüber hinaus kann durch das höhere Ausfahren der
Gänge insgesamt ein Getriebe eingesetzt werden, daß
mit relativ wenig, vorzugsweise drei Gangstufen aus
kommt. Hierdurch ergibt sich eine Gewichtseinsparung
des Getriebes, die sich auf den Kraftstoffverbrauch
des gesamten Fahrzeuges positiv auswirkt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs
beispiel an Hand der zugehörigen Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung eines
Hybridantriebes;
Fig. 2 eine stark vereinfachte Darstellung des
Antriebes eines Fahrzeuges;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch
einen elektrodynamischen Wandler;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Getriebes
des Hybridantriebes und
Fig. 5 ein Geschwindigkeitsdiagramm des
Hybridantriebes.
Fig. 1 zeigt einen schematisch dargestellten Hybrid
antrieb 10 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug.
Der Hybridantrieb 10 besitzt eine Brennkraftmaschine,
im weiteren Verbrennungsmotor 12, sowie eine Elektro
maschine, im weiteren Elektromotor 14. Dem Verbren
nungsmotor 12 ist eine schaltbare Sperre 13 zuge
ordnet, über die der Verbrennungsmotor arretierbar
ist. Der Elektromotor 14 ist als Drehstrom-Asynchron
motor ausgebildet. Ein sogenannter Primärrotor 16 des
Elektromotors 14 ist drehfest auf einer Antriebswelle
18 des Verbrennungsmotors angeordnet. Zur Spannungs
versorgung des Primärrotors 16 sind hier angedeutete
Schleifringe 20 vorgesehen. Der Elektromotor 14
besitzt weiterhin einen sogenannten Sekundärrotor 22,
der zu dem Primärrotor 16 axial beweglich gelagert
ist. Der Sekundärrotor 22 ist drehfest auf einer
Antriebswelle 18′ angeordnet, die unabhängig von der
Antriebswelle 18 drehbar gelagert ist. Der Primärro
tor 16 und der Sekundärrotor 22 sind über eine Über
brückungskupplung 24, die mit einer hier angedeuteten
Kupplungsfeder 26 betätigbar ist, mechanisch verbind
bar. Mittels der Überbrückungskupplung 24 erfolgt so
mit eine mechanische Kopplung des Primärrotors 16 mit
dem Sekundärrotor 22. Die Antriebswelle 18′ greift in
ein Automatikgetriebe 28 ein, das über hier lediglich
angedeutete Stellantriebe 30 betätigbar ist. Das
Automatikgetriebe 28 weist eine Abtriebswelle 32 auf,
mittels der die Antriebsenergie des Hybridantriebes
10 auf die Antriebsachse des Kraftfahrzeuges über
tragen wird. Das hier schematisch dargestellte Auto
matikgetriebe 28 bildet gemeinsam mit dem Elektro
motor 14 eine als elektrodynamischer Wandler 34 be
zeichnete Triebstrangeinheit 36.
In der Fig. 2 ist schematisch die gesamte Antriebs
anlage eines Kraftfahrzeuges dargestellt, deren
Hauptbestandteil der Hybridantrieb 10 gemäß Fig. 1
ist. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.
Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die Abtriebswelle
32 über ein Umsetzgetriebe 38 an eine angetriebene
Fahrzeugachse 40 angreift. Weiterhin ist eine Kraft
fahrzeugbatterie 42 vorgesehen, die einen Dreiphasen-
Wechselrichter 44 speist. Eine nicht dargestellte
Kraftfahrzeugbatterie zur Bordnetzversorgung des
Kraftfahrzeuges ist über einen hier nicht detailliert
dargestellten Drehstrom-Generator 46 in bekannter
Weise aufladbar. Der Drehstrom-Generator 46 ist Be
standteil des elektrodynamischen Wandlers 34. Wei
terhin ist ein elektronisches Steuergerät 48 ange
ordnet, das über hier nicht näher bezeichnete Steuer
leitungen mit dem elektrodynamischen Wandler 34, dem
Wechselrichter 44, einem Geschwindigkeitssensor 50 an
der Fahrzeugachse 40, einem Motordrehzahlsensor 52 an
dem Hybridantrieb 10, einem Gaspedal 54 mit Kick
down- und Kick-up-Funktion sowie einem Bremspedal 56
verbunden ist.
In der Fig. 3 ist eine schematische Schnittdar
stellung durch den elektrodynamischen Wandler 34
gezeigt. Erläutert werden hierbei lediglich die
Hauptbestandteile des elektrodynamischen Wandlers 34,
wobei klar ist, daß zum Aufbau mechanische Ver
bindungen, elektrische Kontaktierungen, Lager usw.
gehören. Auf deren konkreten Aufbau bzw. deren An
ordnung soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung
jedoch nicht näher eingegangen werden.
Der elektrodynamische Wandler 34 weist innerhalb
eines Gehäuses 56 den auf der Antriebswelle 18 ge
lagerten Primärrotor 16 auf. Der Primärrotor 16 wird
von dem axial verschieblich gelagerten Sekundärrotor
22 umgriffen. In das Gehäuse 56 integriert ist der
Drehstromgenerator 46, wobei klar ist, daß dessen
rotierende Klauenpole auf der Antriebswelle 18 ge
lagert sind, und dessen Statorpaket in das Gehäuse 56
integriert ist. Weiterhin weist der elektrodynamische
Wandler 34 das als Dreigang-Planetengetriebe bevor
zugt nach Ravigneaux aufgebaute Automatikgetriebe 28
auf. Dem Automatikgetriebe 28 ist eine erste Getrie
bebremse B1 und eine zweite Getriebebremse B2 zu
geordnet. Weiterhin ist eine über den Stellantrieb 30
betätigbare Kupplungsmuffe 58, eine Parksperre 60 so
wie eine Kupplungsfeder 26 der Überbrückungskupplung
24 zur Kopplung des Primärrotors 16 mit dem Sekundär
rotor 22 im nicht erregten Zustand angedeutet. Ein
gangsseitig greift in den elektrodynamischen Wandler
34 mit der Antriebswelle 18 der Verbrennungsmotor 12
ein. Ausgangsseitig ist die Abtriebswelle 32 aus das
Gehäuse 56 herausgeführt.
Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Hybridantrieb
10 übt folgende Funktionen aus:
Durch die Anordnung des Verbrennungsmotors 12 und des Elektromotors 14 in einer Kaskadenanordnung über den elektrodynamischen Wandler 34 mit dem nachgeschalte ten Vollautomatikgetriebe 28 sind insgesamt eine Vielzahl von Antriebsfunktionen für das Kraftfahrzeug in einfacher Weise realisierbar. Über den elektrody namischen Wandler 34 können Mehrfachfunktionen für den Hybridantrieb 10 realisiert werden. Bei über die schaltbare Sperre 13 arretiertem Verbrennungsmotor 12 arbeitet der elektrodynamische Wandler 34 als Dreh strom-Asynchronantrieb auf die Antriebswelle 18′. Der Dreiphasen-Wechselrichter 44 stellt hierbei die Energie für einen Vorwärts- bzw. Rückwärtsbetrieb des Elektromotors 14 bereit. Über den Wechselrichter 44 kann bekanntermaßen für einen Drehstrom-Asynchron antrieb die Drehzahl des Elektromotors 14 stufenlos geregelt werden. Durch die Möglichkeit, den Elektro motor 14 sowohl vorwärts als auch rückwärts zu be treiben, kann in dem zugehörigen Automatikgetriebe 28 auf die Anordnung eines Rückwärtsganges mit Zuge höriger Kupplung und Bremse verzichtet werden. Das Getriebe 28 wird somit insgesamt einfacher und leichter aufgebaut.
Durch die Anordnung des Verbrennungsmotors 12 und des Elektromotors 14 in einer Kaskadenanordnung über den elektrodynamischen Wandler 34 mit dem nachgeschalte ten Vollautomatikgetriebe 28 sind insgesamt eine Vielzahl von Antriebsfunktionen für das Kraftfahrzeug in einfacher Weise realisierbar. Über den elektrody namischen Wandler 34 können Mehrfachfunktionen für den Hybridantrieb 10 realisiert werden. Bei über die schaltbare Sperre 13 arretiertem Verbrennungsmotor 12 arbeitet der elektrodynamische Wandler 34 als Dreh strom-Asynchronantrieb auf die Antriebswelle 18′. Der Dreiphasen-Wechselrichter 44 stellt hierbei die Energie für einen Vorwärts- bzw. Rückwärtsbetrieb des Elektromotors 14 bereit. Über den Wechselrichter 44 kann bekanntermaßen für einen Drehstrom-Asynchron antrieb die Drehzahl des Elektromotors 14 stufenlos geregelt werden. Durch die Möglichkeit, den Elektro motor 14 sowohl vorwärts als auch rückwärts zu be treiben, kann in dem zugehörigen Automatikgetriebe 28 auf die Anordnung eines Rückwärtsganges mit Zuge höriger Kupplung und Bremse verzichtet werden. Das Getriebe 28 wird somit insgesamt einfacher und leichter aufgebaut.
Bei einer weiteren Betriebsart des Hybridantriebes 10
kann der elektrodynamische Wandler 34 mit seiner
Elektromaschine 14 die Funktion eines Anlassers für
den Verbrennungsmotor 12 übernehmen. Hierbei sind das
Anlassen des Verbrennungsmotors 12 aus dem Stand und
das Anlassen bei Fahrt zu unterscheiden. Beim Anlas
sen aus dem Stand muß die Antriebswelle 18′ und die
Antriebswelle 32 im Automatikgetriebe 28 blockiert
sein. Durch das Schließen der bereits im Automatik
getriebe 28 vorhandenen Bremsen B1 und B2 wird die
Blockierung erreicht. Sekundärrotor 22 und das Fahr
zeug werden standfest verbunden. Mit der für den An
laßvorgang nötigen Erregerfrequenz wird der Elektro
motor 14 gespeist, und der Primärrotor 16 dreht sich.
Für einen Sanftanlauf des Verbrennungsmotors 12 und
zur Erleichterung des Anlaßvorgangs erfolgt eine
kurze Wegnahme der Kompression des Verbrennungsmotors 12.
Eine Wegnahme der Kompression kann beispielsweise
durch einen schaltbaren Anschlag an den Auslaßven
tilen des Verbrennungsmotors 12 realisiert werden.
Mit dem Anspringen des Verbrennungsmotors 12 wird ein
Lastwechsel signalisiert, und die Wechselrichter
frequenz wird gegenläufig zum Verbrennungsmotor 12
geschaltet, so daß Leerlauf entsteht. Nach Lüften der
Bremse B2 im Automatikgetriebe 28 ist mit B1 der 1.
Gang definiert und die gegenläufige Wechselrichter
frequenz wird auf Null verzögert zurückgenommen. Die
Dauer des Anfahrvorganges erfolgt dann nach der Art
des Durchtretens des Gaspedals. Mit der bei Null an
gekommenen Wechselrichterfrequenz entfällt die Er
regung des Primärrotors 16, und die Überbrückungs
kupplung 24 schaltet sich dadurch selbsttätig ein.
Der Anhaltevorgang mit Leerlauf kann mit gleichen
Mitteln erfolgen.
Soll bei einem mittels des Elektromotors 14 ange
triebenen, fahrenden Fahrzeug der Verbrennungsmotor 12
angelassen werden, wird die durch den Wechselrichter
44 erzeugte Frequenz reduziert, um die kinetische
Energie des Fahrzeuges für den Anlaßvorgang mitheran
ziehen zu können. Dazu wird die Sperre 13 aufgehoben,
und der Primärrotor 16 treibt über die Welle 18 den
Verbrennungsmotor 12 für den Anlaßvorgang an. Soll
der Verbrennungsmotor 12 alleine weiterlaufen, dann
wird Gleichlauf zwischen Primärrotor 16 und Sekundär
rotor 22 hergestellt, der Wechselrichter wird abge
schaltet, und die Überbrückungskupplung 24 schaltet
sich automatisch ein. Sollen der Verbrennungsmotor 12
und der Elektromotor 14 gemeinsam weiterlaufen, wird
die Drehzahl des Elektromotors 14 und des Verbren
nungsmotors 12 der gewünschten Fahrtgeschwindigkeit
angepaßt. Rückführungen in vorhergehende Konstel
lationen erfolgen in entsprechender Weise vornehmlich
mit Unterstützung durch den Elektromotor 14.
Bei einem mit dem Verbrennungsmotor 12 angetriebenen
Fahrzeug kann der Elektromotor 14 zugeschaltet wer
den, indem über den Wechselrichter 44 eine An
steuerung des Elektromotors 14 derart erfolgt, daß
dieser in gleicher Drehrichtung wie die Antriebswelle
18 des Verbrennungsmotors 12 dreht. Hierdurch findet
eine Addition der Drehzahlen des Verbrennungsmotors
12 und des Elektromotors 14 statt. Durch eine stufen
lose Regelung der Drehzahl des Elektromotors 14 über
den Wechselrichter 44 kann die Abtriebswelle 32 mit
einer variablen Drehzahl betrieben werden. Der Ver
brennungsmotor 12 kann hierbei ständig mit einer
Drehzahl betrieben werden, bei der dessen größter
Wirkungsgrad eintritt. Die Änderung der Drehzahl der
Abtriebswelle 32 erfolgt hierbei ausschließlich durch
eine Regelung der Drehzahl des Elektromotors 14. So
sind bei konstanter Drehzahl des Verbrennungsmotors
12 an der Abtriebswelle 32 Drehzahlen erreichbar, die
beispielsweise über der Maximaldrehzahl des Verbren
nungsmotors 12 liegen. Durch eine entsprechende An
steuerung des Elektromotors 14 kann die Drehzahl der
Antriebswelle 18 auch verringert werden, so daß eine
Nutzbremsung an der Abtriebswelle 32 erfolgt. Die von
dem Verbrennungsmotor 12 bereitgestellte konstante
Drehzahl kann somit verringert werden.
Soll das Fahrzeug ausschließlich über den Verbren
nungsmotor 12 angetrieben werden, kann der Erreger
strom für den Elektromotor 14 abgeschaltet werden.
Für diesen Fall wird über die Überbrückungskupplung
24 der Primärrotor 16 mit dem Sekundärrotor 22 über
brückt, so daß die Antriebswelle 18 des Verbrennungs
motors 12 schlupffrei mit der Antriebswelle 18′ und
somit mit dem Getriebe 28 und der Abtriebswelle 32
verbunden werden kann. Die Überbrückungskupplung 24
ist hierbei mittels der Kupplungsfeder 26 betätigbar
und als mechanisch synchronisierende, vorzugsweise
formschlüssige Kupplung ausgebildet. Durch die somit
stattfindende Überbrückung des Elektromotors 14 ist
beispielsweise ein An- bzw. Abschleppen des Fahr
zeuges problemlos möglich.
Soll während des Fahrens des Fahrzeuges in dem Ge
triebe 28 ein Gangwechsel erfolgen, erfolgt eine Syn
chronisierung zur Überbrückung der Gangsprünge mit
Hilfe des Elektromotors 14. Hierzu wird der Elektro
motor 14 über den Wechselrichter 44 beim Umschalt
vorgang von einem Gang in einen anderen Gang gezielt
in einen Freilauf geschaltet. Dies ist sowohl bei
Hoch- als auch Rückschaltvorgängen möglich. Diese
Synchronisierung arbeitet vorteilhafterweise ohne
Verschleiß der Schaltelemente der Kupplung 58, der
Bremse 1 oder Bremse 2 und sichert einen ruckfreien
Schaltübergang. Durch das synchronisierte Schalten
wird ein drehmomentabhängiger Steuerdruck der heuti
gen Getriebeautomaten vermieden, so daß die Verwen
dung einer formschlüssigen Kupplung hier möglich ist.
Darüber hinaus ist bei dem Automatikgetriebe 28 die
Verwendung teurer Spezialautomatiköle nicht notwen
dig.
Während des Betriebes des Hybridantriebes 10 wird das
Klauenpolrad des Drehstromgenerators 46 für das
Bordnetz über die Antriebswelle 18 mit angetrieben,
so daß auf die zusätzliche Anordnung eines eigenen
Lagers und von Antriebsmitteln, beispielsweise Keil
riemen oder ähnliches, verzichtet werden kann. Der
Stator des Drehstromgenerators 46 ist gleichzeitig in
das Gesamtgehäuse 56 des elektrodynamischen Wandlers
34 integriert. Mittels des Drehstromgenerators 46
kann in bekannter Weise eine Bordnetzbatterie für
eine elektrisch bzw. elektronisch betriebene Ausstat
tung des Kraftfahrzeuges geladen werden. Die Bord
netzbatterie ist hierbei zusätzlich zu der Kraft
fahrzeugbatterie 42 vorgesehen, die für den Antrieb
des Elektromotors 14 dient.
Insgesamt ist mit dem elektrodynamischen Wandler 34
eine sehr kompakte Einheit geschaffen, die aus den
einzelnen Bestandteilen, wie dem Elektromotor 14, dem
Drehstromgenerator 46 und dem Automatikgetriebe 28
separat montiert werden kann. Der elektrodynamische
Wandler 34 kann somit als Kompletteinheit bei der
Kraftfahrzeugmontage mit dem Verbrennungsmotor 12
gekoppelt werden.
Ein weiterer Vorteil des elektrodynamischen Wandlers
34 besteht darin, daß dieser bei einem lediglich über
den Verbrennungsmotor 12 angetriebenen Fahrzeug als
Generator geschaltet werden kann, und somit ein
selbsttätiges Aufladen der Kraftfahrzeugbatterie 42
erfolgen kann. Somit kann die Einsatzdauer des
Elektromotorteiles des gesamten Hybridantriebes ohne
Zwischenaufladen mit der Kraftfahrzeugbatterie 42
wesentlich verlängert werden.
Durch die Kaskadenanordnung des Verbrennungsmotors 12
und des Elektromotors 14 kann das Automatikgetriebe
28 auf einen minimalen Aufbau beschränkt werden. Die
einzelnen Gänge des Getriebes 28 können - wie bereits
erwähnt - durch die Drehzahladdition des Verbren
nungsmotors 12 und des Elektromotors 14 höher ausge
fahren werden, so daß für ein durchschnittliches
Kraftfahrzeug ein dreistufiges Planetengetriebe ohne
Rückwärtsgang ausreichend ist. Ein Schaltschema des
in dem elektrodynamischen Wandler 34 eingesetzten
Automatikgetriebes 28 ist zur Verdeutlichung in Fig.
4 gezeigt.
Mittels der in Fig. 2 beispielhaft gezeigten
Sensoren 50 bzw. 52, des Steuergerätes 48 sowie des
Gaspedals 54 und des Bremspedals 56 kann ein äußerer
Eingriff in den Hybridantrieb 10 zur Erreichung eines
bestimmten gewünschten Antriebes des Kraftfahrzeuges
erfolgen. Der wesentliche Eingriff erfolgt über das
Gaspedal 54 zum Abrufen einer gewünschten Fahr
leistung. Bei der Bereitstellung der gewünschten
Fahrleistung aus dem Verbrennungsmotor 12 und dem
Elektromotor 14 wird die Drehzahl des Verbrennungsmo
tors 12′ mit der Stellung des Gaspedals 54 vorzugs
weise drehzahlgeregelt. Das Drehmoment des Verbren
nungsmotors 12 stellt sich hierbei nach dem über das
Steuergerät 48 fest vorgegebenen Motormanagement ein,
das durch die gewünschte Leistungshöhe vorgegeben
wurde und sich durch die vorliegende Last ergibt.
Hierbei ergibt sich eine Ausgangsdrehzahl des elek
trodynamischen Wandlers 34 an der Abtriebswelle 32,
die gleich der Drehzahl des Elektromotors 14 zuzüg
lich der Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 ist. Die
nach der Leistungshöhe zu bestimmende Drehzahl des
Verbrennungsmotors 12 kann hierbei in die Bereiche
verschoben werden, in denen der Verbrennungsmotor 12
einen günstigen Wirkungsgrad aufweist. Die Schalt
punkte des Automatikgetriebes 28 werden in üblicher
Weise gemäß der gewählten Fahrzeuggeschwindigkeit und
der abgerufenen und verfügbaren Leistung des elektro
dynamischen Wandlers 34 bestimmt. Über die Erfassung
von Fahrzeugdaten, wie beispielsweise Beschleunigung
oder Verzögerung über die Sensoren 50 bzw. 52, kann
das Management des Hybridantriebes 10, das heißt, das
Zu- und/oder Abschalten des Verbrennungsmotors 12
bzw. des Elektromotors 14 optimiert werden.
An Hand des in Fig. 5 beispielhaft dargestellten
Geschwindigkeitsdiagrammes soll das Antriebsverhalten
des erfindungsgemäßen Hybridantriebes 10 verdeutlicht
werden. In dem Geschwindigkeitsdiagramm ist die Dreh
zahl der Abtriebswelle 32 über der Fahrgeschwindig
keit des mit dem Hybridantrieb 10 ausgestatteten
Kraftfahrzeuges dargestellt. Insgesamt sind drei
Kurven dargestellt, wobei die durchgezogene Linie 70
für einen kombinierten Antrieb über den Verbrennungs
motor 12 und den Elektromotor 14, die Strich-Punkt-
Linie 72 für einen Antrieb über den Verbrennungsmotor 12
und die Punkt-Linie 74 für einen Antrieb über den
Elektromotor 14 steht. Bei der Darstellung der Kenn
linie wurde jeweils von Vollast ausgegangen.
Ein mit dem Hybridantrieb 10 ausgestattetes Kraft
fahrzeug fährt in der Regel im Zug- und Schubbetrieb
bis ca. 55 kmh ausschließlich mit dem Elektroantrieb.
Zur Bewältigung von Steilstrecken schaltet sich der
Verbrennungsmotor 12 dazu und kann bei entsprechender
Fahrt Schaltvorgänge des Getriebes 28 bis ca. 75 kmh
vermeiden. Im Normalbetrieb fährt das Kraftfahrzeug
bei einer Geschwindigkeit von ca. 55 kmh bis ca. 80
kmh mit einem gemischten Antrieb über den Verbren
nungsmotor 12 und den Elektromotor 14. Die Haupt
leistung stellt hierbei der Verbrennungsmotor 12 zur
Verfügung, der je nach Bedarf drehzahlgeregelt in
seinem verbrauchsgünstigen Bereich läuft. Die
Differenz zur notwendigen Fahrdrehzahl der Abtriebs
welle 32 wird durch den Elektromotor 14 erbracht.
Die Differenz zwischen der Drehzahl des Verbren
nungsmotors 12 und der Drehzahl der Abtriebswelle 32
kann auch negativ sein, das heißt, der Elektromotor
14 läuft im Generatorbetrieb. Hierdurch kann sehr
vorteilhaft die bereits erwähnte Aufladung der
Kraftfahrzeugbatterie 42 erfolgen.
Der Wechsel zwischen den einzelnen Gängen des Ge
triebes 28 und der Zu- bzw. Abschaltung des Ver
brennungsmotors 12 bzw. des Elektromotors 14 erfolgt
automatisch und wird von dem Steuergerät 48 geregelt.
Ab einer Geschwindigkeit von ca. 80 kmh bis 150 kmh
erfolgt - wie in Fig. 5 verdeutlicht - ein Betrieb
des Hybridantriebes 10 ausschließlich mit dem Ver
brennungsmotor 12. Während dieses Betriebes notwen
dige Zusatzleistungen, beispielsweise bei Überhol
vorgängen, werden über den Elektromotor 14 bereitge
stellt, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors 12
überlagert und somit eine höhere Drehzahl an der
Abtriebswelle 32 bereitstellt. Die Zuschaltung des
Elektromotors 14 kann hierbei über ein Kick-Down des
Gaspedals 54 abgerufen werden. Bei gleichzeitig vor
liegenden Steilstrecken erfolgt eine entsprechende
Gangumschaltung in dem Getriebe 28, so daß eine
Leistungsanpassung des Hybridantriebes 10 erfolgt.
Bei einem Schubbetrieb des Hybridantriebes 10 erfolgt
die bekannte Bremsunterstützung durch den Verbren
nungsmotor 12 und/oder den Elektromotor 14. Die
Kraftstoffzufuhr zu dem Verbrennungsmotor 12 wird
hierbei unterbrochen. Das Steuergerät 48 stellt hier
bei sicher, daß eine Nutzbremsung über den Elektro
motor 14 gegenüber einer Motorbremsung über den Ver
brennungsmotor 12 Vorrang hat. Hierdurch kann gleich
zeitig ein Aufladen der Fahrzeugbatterie 42 betrieben
werden. Durch die Kick-up-Funktion des Gaspedales 54
bzw. durch das Bremspedal 56 kann selbstverständlich
aktiv in das Bremsgeschehen des Hybridantriebes 10
eingegriffen werden.
Insgesamt ist mit dem Hybridantrieb 10 ein Antrieb
für Kraftfahrzeuge geschaffen, der die Vorteile von
Verbrennungsmotoren mit denen von Elektromotoren mit
einander kombiniert und insgesamt einen kraftstoff
sparenden und einen hohen Fahrkomfort aufweisenden
Antrieb realisiert. Der Elektromotor 14 ermöglicht
als hoch- oder runterlaufender Servomotor, ohne Un
terbrechungen durch Kupplungen sowohl bei ein- als
auch ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 12 eine Syn
chronisierung beim Gangwechsel im Automatikgetriebe
28. Hierdurch wird die Schaltqualität wesentlich ver
bessert und der technische Aufwand für das Getriebe
28 wesentlich verringert. Insbesondere durch die
Addition der Drehzahlen des Verbrennungsmotors 12 und
des Elektromotors 14 kann eine wesentliche Steigerung
des Leistungsgewichtes des gesamten Hybridantriebes
10 erreicht werden.
Claims (14)
1. Hybridantrieb für ein Fahrzeug, mit einer Brenn
kraftmaschine und einer Elektromaschine, deren An
triebsleistung auf eine Antriebsachse des Fahrzeuges
übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Brennkraftmaschine (12) und die Elektromaschine (14)
mittels eines elektrodynamischen Wandlers (34) gekop
pelt sind.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der elektrodynamische Wandler (34) die
Elektromaschine (14) und ein Automatikgetriebe (28)
umfaßt und eine Triebstrangeinheit (36) bildet, deren
Antriebswelle (18) mit der Brennkraftmaschine (12)
und deren Abtriebswelle (32) mit einer Fahrzeugachse
(40) in Kaskade mit einem mechanischen und elek
trischen Drehfeld gekoppelt sind.
3. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro
dynamische Wandler (34) einen drehfest mit der An
triebswelle (18) verbundenen Primärrotor (16) und
einen auf einer zu der Antriebswelle (18) unabhängig
drehbar gelagerten Antriebswelle (18′) angeordneten
Sekundärrotor (22) aufweist.
4. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswel
len (18, 18′) eine gemeinsame Drehachse (19) be
sitzen.
5. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundär
rotor (22) und der Primärrotor (16) zueinander axial
beweglich gelagert sind.
6. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärrotor
(16) und der Sekundärrotor (22) und damit die An
triebswellen (18, 18′) über eine Überbrückungskupp
lung (24) mechanisch miteinander koppelbar sind, das
Schließen durch eine Feder (26) und das Öffnen durch
Erregen des Verschiebe-Sekundärrotors (22) gegen die
Feder (26) erfolgt.
7. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro
dynamische Wandler (34) einen Drehstrom-Generator
(46) aufweist, dessen Rotor drehfest auf der An
triebswelle (18) gelagert ist.
8. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Automatik
getriebe (28) ein Dreigang-Planetengetriebe ohne
Rückwärtsgang ist.
9. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraft
maschine (12) und die Elektromaschine (14) ohne
äußere Unterbrechung des Triebstrangs auch einzeln
laufen können.
10. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraft
maschine (12) vorzugsweise im günstigsten Drehzahlbe
reich betrieben werden kann, die Elektromaschine (14)
den Mehr- oder Minderbedarf der geforderten Antriebs
drehzahl liefert und das durchgehend gleiche Drehmo
ment durch die Brennkraftmaschine (12) bestimmt wird.
11. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Minderbedarf
durch Bremsenergieanfall automatisch als Batterie
ladestrom zurückfließt.
12. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroma
schine (14) als Anlasser aus dem Stand bei der Brenn
kraftmaschine (12) eingesetzt werden kann.
13. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroma
schine (14) die mechanische Stufung des vorzugsweise
verwendeten Planetengetriebes vorteilhaft ergänzen
kann.
14. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gangwechsel
die Synchronisierung zur Überbrückung der Gangsprünge
durch die Elektromaschine (14) erfolgt.
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