Die Erfindung bezieht sich auf einen insbesondere in Kraftfahr
zeugen verwendbaren, seriellen Hybridantrieb nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1. Bei derartigen Hybridantrieben wird von
einem oder mehreren Antriebselektromotoren mechanische Antriebs
leistung zur Verfügung gestellt, z. B. zum Antreiben der An
triebsräder bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Die hierfür
erforderliche Energie wird von der Verbrennungsmotor-Generator-Einheit
erzeugt und je nach Betriebsphase direkt den Antriebs
elektromotoren zugeführt oder im Energiespeicher zwischengespei
chert.
Bei den meisten herkömmlichen seriellen Hybridantrieben von
Kraftfahrzeugen ist vorgesehen, während bestimmter Betriebspha
sen, z. B. Stadtfahrten, über Minuten oder Stunden hinweg allein
mit der zuvor in den Energiespeicher eingespeicherten Energie zu
fahren, wobei der Verbrennungsmotor abgestellt bleibt. Um dies
zu ermöglichen, werden Energiespeicher mit einer relativ hohen
Speicherkapazität von typischerweise mehr als zehn Kilowattstun
den verwendet.
In der Offenlegungsschrift EP 0 437 266 A2 ist ein Kraftfahrzeug
mit seriellem Hybridantrieb beschrieben, bei dem die Verbren
nungsmotor-Generator-Einheit in Abhängigkeit von der Ladesitua
tion des Energiespeichers und/oder der Leistungsabgabesituation
des Antriebselektromotors gesteuert wird, wofür verschiedene Va
rianten vorgeschlagen werden. Bei einer ersten Variante wird der
Verbrennungsmotor in einer Art Zweipunktbetrieb wahlweise mit
einer nach Optimierungsgesichtspunkten gewählten Leistungsdreh
zahl oder einer Leerlaufdrehzahl betrieben. Bei einer zweiten
Variante wird der Verbrennungsmotor auf höhere oder niedrigere
Abgabeleistung gesteuert und damit etwas an den Fahrzeuglei
stungsbedarf angepaßt. Dabei soll der Verbrennungsmotor mög
lichst lange an oder nahe seinem verbrauchsoptimalen Betrieb
spunkt laufen, wobei vorzugsweise eine Schwankung von maximal
10% zugelassen wird. In einer dritten Variante wird die von dem
Generator abgegebene elektrische Leistung gesteuert, was eine
laufende Anpassung der Generatorleistung an die Leistungsabgabe
situation des Elektromotors darstellt. Bei den beiden letztge
nannten Varianten ist dem Verbrennungsmotor vorzugsweise eine
Steuerung zugeordnet, die für die jeweils erforderliche Verbren
nungsmotorleistung eine hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und/
oder Schadstoffemission möglichst günstige Drehzahl/Drehmoment-Kombination
wählt. Die verbleibenden Energieschwankungen werden
jeweils vom Energiespeicher, der als elektrischer Schwungrad
speicher ausgelegt ist, ausgeglichen.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung
eines seriellen Hybridantriebes der eingangs genannten Art zu
grunde, der mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar
ist und einen möglichst schadstoffarmen Fahrzeugbetrieb ermög
licht.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines
seriellen Hybridantriebes mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei
diesem Hybridantrieb wird die Verbrennungsmotor-Generator-Ein
heit stets entlang einer Betriebslinie betrieben, deren Leistung
dem zeitlich geglätteten Leistungsbedarf des Antriebselektromo
tors entspricht, wobei der Verbrennungsmotor stets bei oder nahe
Vollast und damit sehr schadstoffarm und verbrauchsgünstig be
trieben wird. Durch die Maßnahme, der Betriebslinie zur Regelung
des Betriebs der Verbrennungsmotor-Generator-Einheit nicht di
rekt die Leistungsbedarfskurve des Antriebselektromotors, son
dern deren zeitlich nach irgendeinem der üblichen Verfahren ge
glätteten Verlauf zugrundezulegen, hat den Vorteil, daß für den
Verbrennungsmotorbetrieb keine kurzzeitigen Leistungssprünge
auftreten, sondern selbiger nur langsamen zeitlichen Änderungen
unterworfen ist, so daß der Verbrennungsmotor zugunsten niedrig
ster Schadstoffemissionen phlegmatisiert, d. h. entsprechend dem
zeitlich geglätteten Antriebsleistungsbedarf, betrieben werden
kann. Der phlegmatisierte Verbrennungsmotorbetrieb, bei dem kei
ne schlagartigen Drosselklappenwinkeländerungen auftreten, ver
hindert HC- und CO-Konzentrationsspitzenwerte im Abgas und be
wirkt im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugantrieben ein merk
lich präziseres Einhalten des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-
Verhältnisses, was die Katalysatorkonvertierungsrate verbessert.
Der Verbrennungsmotor kann in emissionsgünstigen Kennfeldberei
chen betrieben werden, und der phlegmatisierte Motorbetrieb in
eingeschränkten Kennfeldbereichen hält das Abgastemperaturfen
ster klein und vermeidet Abgastemperaturspitzenwerte, was sowohl
der Katalysatorkonvertierungsrate als auch der Katalysatorhalt
barkeit zugute kommt.
Die sich ergebenden, kurzzeitigen Leistungsdifferenzen zwischen
dem momentanen Leistungsbedarf des Antriebselektromotors und der
phlegmatisierten Leistungsabgabe durch die Verbrennungsmotor-
Generator-Einheit werden vom Energiespeicher ausgeglichen, der
zu diesem Zweck eine hohe Leistungsdichte besitzt, während er in
seiner Speicherkapazität auf höchstens einige wenige Kilowatt
stunden und damit auf eine deutlich geringere Kapazität als her
kömmliche Hybridantriebspeicher ausgelegt ist. Dementsprechend
kann vorliegend der Energiespeicher sehr kompakt gebaut und bei
spielsweise als elektrisches Schwungrad oder Superkondensator
realisiert sein.
In einem nach Anspruch 2 weitergebildeten seriellen Hybridan
trieb ist ein Energiespeicher mit einer Speicherkapazität von
höchstens einigen wenigen hundert Wattstunden vorgesehen.
Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten seriellen Hybridan
trieb wird der Verbrennungsmotor ausschließlich bei Vollast be
trieben, wobei der momentane Betriebspunkt auf der Vollastlinie
in Abhängigkeit von der Generatorlast eingestellt wird. Diese
Betriebsweise ermöglicht es in weiterer Ausgestaltung nach An
spruch 4, als Verbrennungsmotor einen Ottomotor zu verwenden,
der keine Drosselklappe mit zugehöriger Steuerung aufweist. Der
Verbrennungsmotor ist daher vergleichsweise einfach und kosten
günstig realisierbar. Aufgrund fehlender Drosselklappenbewegun
gen kann jederzeit das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Ver
hältnis präzise eingehalten werden, wodurch sich kurzzeitige
Schadstoffemissionsspitzen und damit verbundene Einbrüche des
Katalysatorkonvertierungsgrades verhindern lassen. Der Verbren
nungsmotor wird aufgrund seiner vollständigen Entdrosselung wir
kungsgradoptimal und mit günstigen HC-Rohemissionen betrieben,
so daß sich andere, herkömmliche Maßnahmen zu diesem Zweck, wie
Direkteinspritzung oder vollvariabler Ventiltrieb, erübrigen.
Ein nach Anspruch 5 weitergebildeter serieller Hybridantrieb be
inhaltet einen Katalysator, der vor dem Kaltstart des Verbren
nungsmotors durch die Energie aus dem Energiespeicher elektrisch
beheizt wird, der mit seiner hohen Leistungsdichte für eine sehr
schnelle Katalysatoraufheizung ideal geeignet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich
nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt im Blockdiagramm einen in einem
Kraftfahrzeug verwendeten, seriellen Hybridantrieb.
Der gezeigte, serielle Hybridantrieb besitzt einen Verbrennungs
motor (1), der über eine Kraftstoffleitung (2) mit in einem Tank
(3) bevorratetem Kraftstoff betrieben werden kann. An den Ver
brennungsmotor (1) ist über eine Welle (4) ein Generator (5) me
chanisch angekoppelt. An den elektrischen Generatorausgang sind
über zugehörige Verbindungsleitungen (6, 7) parallel ein elek
trischer Energiespeicher (8) und ein Antriebselektromotor (9)
angeschlossen. Der Antriebselektromotor (9) wirkt mit seinem me
chanischen Ausgang auf eine Antriebsachse (10) mit angekoppelten
Antriebsrädern (11, 12) des Fahrzeugs. Das Verbrennungsmotorab
gas wird über einen Abgasstrang (13) abgeführt, in welchem sich
ein Abgaskatalysator (14) befindet, der über eine Heizleitung
(15) durch den Energiespeicher (8) beheizt werden kann. Der
Energiespeicher (8) ist als Kleinspeicher mit einer Speicher
kapazität von ca. 100 Wh, jedoch hoher Leistungsdichte ausge
legt. Er kann insbesondere als elektrisches Schwungrad oder als
Superkondensator realisiert sein.
Der Verbrennungsmotor (1) ist als ein Motor ohne Drosselklappe
und somit auch ohne zugehörige Drosselklappensteuerung reali
siert. Er wird daher im Betrieb ausschließlich direkt auf seiner
Vollastlinie betrieben. Durch den Wegfall der Drosselklappe samt
zugehöriger Steuerung ist der Verbrennungsmotor (1) vergleichs
weise einfach und kostengünstig realisierbar. Aufgrund seiner
vollständig entdrosselten Betriebsweise läuft er wirkungsgrad
optimal und mit geringen Schadstoffemissionen, insbesondere HC-Emissionen.
Zudem läßt sich problemlos das stöchiometrische
Luft/Kraftstoff-Verhältnis jederzeit präzise einhalten, so daß
keine kurzzeitigen Schadstoffemissionsspitzen oder Einbrüche des
Katalysatorkonvertierungsgrades auftreten. Der momentane Be
triebspunkt auf der Vollastkennlinie, d. h. der momentane Lei
stungswunsch für den Verbrennungsmotor (1) wird unter Vorgabe
der zugehörigen Vollastlinie, d. h. der Drehmoment-Drehzahl-Kenn
linie ohne Drosselung, allein in Abhängigkeit von der Generator
last eingestellt. Diese Steuerung der Verbrennungsmotor-Genera
tor-Einheit (1, 4, 5) eignet sich sowohl für Betriebsphasen, bei
denen der Motor stationär in bestimmten Kennfeldpunkten betrie
ben wird, als auch für dynamische Motorbetriebsphasen. Bei sehr
geringer Leistungsanforderung seitens des Antriebselektromotors
(9) kann die Verbrennungsmotor-Generator-Einheit (1, 4, 5) abge
stellt und die notwendige Fahrenergie allein aus dem Energie
speicher (8) entnommen werden. Da der Motor (1) ausschließlich
bei Vollast betrieben wird, kann er speziell auf diese Betriebs
art abgestimmt werden. Alternativ ist es selbstverständlich mög
lich, für den Verbrennungsmotor (1) einen solchen üblicher Bau
art mit Drosselklappe und folglich mit der Möglichkeit der Last
steuerung zu verwenden. In diesem Fall wird der Verbrennungs
motor (1) normalerweise in seinem Kennfeld auf einer Linie bei
oder nahe der Vollast betrieben.
Die Regelung der Verbrennungsmotor-Generator-Einheit (1, 4, 5)
auf der Betriebslinie auf oder nahe der Vollastlinie richtet
sich nach dem beistungsbedarf des Antriebselektromotors (9). Da
bei wird nicht der momentane Leistungsbedarf des Antriebselek
tromotors (9) direkt als Maß für die Regelung herangezogen, son
dern ein daraus durch ein geeignetes, herkömmliches Glättungs
verfahren gewonnenes, zeitlich geglättetes Leistungsbedarfs
signal, so daß die von der Verbrennungsmotor-Generator-Einheit
(1, 4, 5) abgeforderte Leistung dem zeitlich geglätteten Lei
stungsbedarf des Antriebselektromotors (9) entspricht. Dies ver
meidet das Auftreten von Leistungssprüngen für den Verbrennungs
motor (1), vielmehr erfolgt eine zeitlich geglättete Leistungs
anpassung für denselben ohne schlagartige Drosselklappenwinkel
änderungen. Durch diesen phlegmatisierten Verbrennungsmotorbe
trieb lassen sich HC- und CO-Konzentrationsspitzenwerte im Mo
torabgas vermeiden. Außerdem kann dadurch das stöchiometrische
Luft/Kraftstoff-Verhältnis sehr präzise eingehalten werden, was
hohe Katalysatorkonvertierungsraten ermöglicht. Der phlegmati
sierte Verbrennungsmotorbetrieb in einem eingeschränkten Kenn
feldbereich nahe Vollast hält die Abgastemperaturschwankungen
gering und vermeidet Abgastemperaturspitzen, was nicht nur der
Katalysatorkonvertierungsrate, sondern auch der Katalysatorhalt
barkeit zugute kommt.
Der elektrische Energiespeicher (8) dient im laufenden Fahrbe
trieb dazu, die auftretenden kurzzeitigen Leistungsdifferenzen
zwischen dem momentanen Leistungsbedarf und des Antriebselektro
motors (9) und der momentan von der Verbrennungsmotor-Generator-Einheit
(1, 4, 5) abgegebenen, dem zeitlich geglätteten An
triebselektromotor-Leistungsbedarf entsprechenden Leistung aus
zugleichen, wozu er sich aufgrund seiner hohen Leistungsdichte
eignet, ohne daß hierzu eine hohe Energiespeicherkapazität er
forderlich ist. Die Tatsache, daß somit nur eine vergleichsweise
geringe Energiemenge im elektrischen Energiespeicher (8) zwi
schengespeichert ist, resultiert in einem hohen Wirkungsgrad des
Gesamtantriebsstrangs, ohne daß aufgrund des Verzichts auf den
rein stationären Verbrennungsmotorbetrieb mit nennenswerten
Mehremissionen an Abgasschadstoffen zu rechnen ist. Ein weiterer
Vorteil der geringeren Energiespeicherkapazität gegenüber her
kömmlichen Hybridantriebsystemen mit großdimensionierten Trak
tionsbatterien besteht darin, daß der Energiespeicher (8) mit
geringem Gewicht gebaut werden kann, was das Fahrzeuggewicht ge
ring hält. Die hohe Leistungsdichte des Energiespeichers (8)
eignet sich zudem dazu, Nutzbremsungen mit relativ hohem Wir
kungsgrad zu realisieren. Als weitere Anwendung des Energiespei
chers (8) ist vorgesehen, mit der in ihm gespeicherten Energie
vor dem Kaltstart des Verbrennungsmotors (1) den Katalysator
(14) aufzuheizen, wobei die hohe Leistungsdichte des Energie
speichers (8) ideal zur sehr schnellen Katalysatoraufheizung ge
eignet ist.