DE19633194A1 - Serieller Hybridantrieb, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Serieller Hybridantrieb, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

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Description

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.

Claims (5)

1. Serieller Hybridantrieb mit
  • - einem Verbrennungsmotor (1),
  • - einem mechanisch an den Verbrennungsmotor angekoppelten Gene­ rator (5),
  • - einem elektrisch an den Generator angekoppelten elektrischen Energiespeicher (8) und
  • - wenigstens einem elektrisch an den Generator und den Energie­ speicher angeschlossenen Antriebselektromotor (9),
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Verbrennungsmotor-Generator-Einheit (1, 4, 5) entlang ei­ ner Betriebslinie betrieben wird, deren Leistung dem zeitlich geglätteten Leistungsbedarf des Antriebselektromotors (9) ent­ spricht, wobei der Motor stets bei oder nahe Vollast betrieben wird, und
  • - der elektrische Energiespeicher (8) eine Energiespeicherkapa­ zität von höchstens einigen wenigen Kilowattstunden und eine hohe Leistungsdichte besitzt und dazu dient, kurzzeitige Lei­ stungsdifferenzen zwischen dem momentanen Leistungsbedarf des Antriebselektromotors und der von der Verbrennungsmotor-Gene­ rator-Einheit abgegebenen, dem zeitlich geglätteten Leistungs­ bedarf des Antriebselektromotors entsprechenden Leistung aus­ zugleichen.
2. Serieller Hybridantrieb nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Energiespeicher (8) eine Energiespeicherkapazi­ tät von höchstens einigen wenigen hundert Wattstunden besitzt.
3. Serieller Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) ausschließlich bei Vollast betrieben wird, wobei der momentane Betriebspunkt auf der Vollastkennlinie In Abhängigkeit von der Generatorlast eingestellt wird.
4. Serieller Hybridantrieb nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein Ottomotor ohne Drosselklappe ist, des­ sen Betriebspunkt ausschließlich über die Generatorlast einge­ stellt wird.
5. Serieller Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß er einen im Abgasstrang (13) des Verbrennungsmotors (1) angeord­ neten Abgaskatalysator (14) umfaßt, der mit der Energie des elektrischen Energiespeichers (8) elektrisch beheizbar ist.
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