DE19747265B4 - Hybridantrieb für ein Fahrzeug - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug, bei dem die von einem Verbrennungsmotor und/oder einem Elektromotor zur Verfügung gestellte Antriebskraft über ein Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle in den Antriebsstrang leitbar ist, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor über eine Kupplung miteinander verbindbar sind, der Elektromotor unmittelbar mit dem Getriebe in Verbindung steht, die Getriebeeingangswelle und die Getriebeausgangswelle im verbrennungsmotorischen Betrieb immer in dieselbe Richtung drehen und eine Rückwärtsfahrt ausschließlich über den Elektromotor möglich ist und ein aufladbarer elektrischer Energiespeicher vorgesehen ist.
- Ein eingangs erläuterter Hybridantrieb für ein Fahrzeug ist beispielsweise bekannt aus der
DE 43 23 601 A1 . Aus derDE 29 43 554 A1 ist ein Hybridantrieb für ein Fahrzeug bekannt, das ausschließlich mit dem Elektromotor angefahren wird und dessen Verbrennungsmotor erst nach Erreichen einer Mindestdrehzahl unter Einsatz der rotierenden Massen zwischen zwei Trennkupplungen gespeicherter kinetischer Energie angeworfen wird und dann sehr schnell auf die Drehzahl der Elektromaschine beschleunigt. Bei ansteigender Fahrbahn und/oder bei Beschleunigungsfahrt wird der Elektromotor in bekannter Weise als gleichzeitig wirkende Antriebsmaschine und auf Gefällestrecken und/oder bei Verzögerungsphasen generatorisch zur Speisung des Energiespeichers betrieben. - Die
DE 196 29 235 A1 offenbart eine Fahrzeugantriebseinheit für ein Hybridfahrzeug, die ein stufenloses Getriebe und ein Planetengetriebe, das mit der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors und mit dem E-Motor verbunden ist, aufweist. Durch die Verwendung des stufenlosen Getriebes soll die Triebwerkausgangsleistung in einem vorbestimmten Zustand gehalten oder langsam auf der optimalen Verbrauchskurve geändert werden können. - Die
DE 44 22 636 A1 offenbart ein Verfahren zur automatischen Steuerung eines Verbrennungsmotors in Hybridfahrzeugen. Dabei wird in Abhängigkeit vom Fahrzustand in einer ersten Betriebsweise Leistung durch den Verbrennungsmotor frühestens bei Erreichen eines vorgegebenen Mindestwertes eines der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Betriebsparameters bereitgestellt. In einer zweiten Betriebsweise wird Leistung durch den Verbrennungsmotor bereitgestellt, wenn eine Gesamtleistung oberhalb einer Kurzzeit-Leistungsgrenze angefordert wird, und in einer dritten Betriebsweise Leistung durch den Verbrennungsmotor um eine vorgegebene Zeitspanne verzögert bereitgestellt, wenn eine Gesamtleistung oberhalb einer Dauer-Leistungsgrenze und unterhalb einer Kurzzeit-Leistungsgrenze angefordert wird, und/oder in einer vierten Betriebsweise, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers auf eine untere Grenze abgesunken ist, wird Leistung durch den Verbrennungsmotor solange bereitgestellt, bis eine obere Grenze des Ladezustands wieder erreicht ist. Der Verbrennungsmotor wird dann zugeschaltet, wenn die zur Verfügung stehende Leistung des Elektromotors nicht mehr ausreicht. Als Dauer-Leistungsgrenze wird in dieser Druckschrift die Leistung definiert, die von dem elektrischen Energiespeicher permanent abgebbar ist. - Die
DE 195 23 985 A1 beschreibt eine Steuervorrichtung für ein Hybridfahrzeug. In dieser Steuervorrichtung wird Energie, die durch den Antriebsmotor erzeugt wird, an einen Motor/Generator über einen Generatorwechselrichter angelegt, so dass der Motor/Generator den Verbrennungsmotor antreibt, um an diesen eine Bremskraft anzulegen. Auf diese Weise kann Energie, die während des Nutzbremsens erzeugt wird und durch eine gesättigte Batterie nicht aufgenommen werden kann (Bergabfahrt) verwendet werden, um das Bremsen des Fahrzeugs zu unterstützen. - Alle bekannten Hybridfahrzeuge (vgl. Weidenhammer, Peter: Augustin, Karl-Heinz: Zurück aus der Zukunft, in: rot, 1995, Heft 4, Seite 82–85) benötigen für die Antriebseinheit durch die Hintereinanderschaltung von Verbrennungsmotor und Elektromotor mit der dazwischenliegenden Kupplung und dem sich an den Elektromotor anschließenden Getriebe einen entsprechenden hohen Platz. Dieser durch den parallelen Hybrid benötigte zusätzliche Platzbedarf muss so klein wie möglich sein. Für den Einbau in heutige Fahrzeuge ist eine Verlängerung gegenüber der konventionellen Antriebseinheit von höchstens 30 mm zulässig. Ansonsten müsste der Aufbau des Fahrzeugs verändert werden, was bei einer geringen Stückzahl von Hybridfahrzeugen zu einer erheblichen Verteuerung führen würde.
- Aufgabe der Erfindung ist es, den zusätzlich benötigten Platzbedarf für einen gattungsgemäßen Hybridantrieb gegenüber einer konventionellen Antriebseinheit so klein wie möglich zu halten. Gelöst wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Hybridantrieb durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Anstelle von drehmomentschwachen Motoren wird also ein Elektromotor mit einem gegenüber dem Verbrennungsmotor wesentlich höheren Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen eingesetzt. Der dazu benötigte axiale Bauraum wird durch Einsparung am Getriebe wieder ausgeglichen, in dem der Rückwärtsgang entfällt. Währen des Betriebes mit dem Verbrennungsmotor ändert sich also die Drehrichtung der Getriebeeingangs- und ausgangswelle nicht.
- Mit dem Elektromotor ist man in der Lage, im heutigen zweiten Gang anzufahren. Durch den Entfall des Rückwärtsganges wird der axiale Bauraum des Getriebes reduziert. Durch den Fortfall eines herkömmlichen ersten Ganges erfolgt eine weitere Reduzierung. Das hohe Drehmoment des Elektromotors, der vorzugsweise ein Außenläufermotor ist, kann zum Bremsen ausgenutzt werden.
- Beide Motoren sind vorzugsweise in Reihe schaltbar, wenn temporär eine größere Antriebskraft notwendig ist, als von dem das Fahrzeug gerade antreibenden Motor zur Verfügung gestellt werden kann.
- Vorzugsweise erfolgt das Abbremsen durch Umschalten des Elektromotors in den Generatorbetrieb und die Bremsenergie ist vom elektrischen Energiespeicher aufnehmbar.
- Bei der Auslegung des Hybridfahrzeuges geht man davon aus, dass von der Gesamtmenge des Kraftstoffeinsatzes (beispielsweise 4,6 Liter/100 km, bei einem Fahrzeuggewicht von 1 t und 500 kg maximaler Zuglast), der Verbrennungsmotor ca. 30% mechanische Leistung und 70% Abwärme liefert. Von der mechanischen Leistung entfallen 1/5 absolut für die Reibung, Geschwindigkeit und Beschleunigung, ca. 1/10 für den Nebenabtrieb. Von der Abwärme gehen 40% als Wärme im Kühlkreislauf verloren und müssen abgeführt werden. Davon sind wiederum 10% nutzbar für die Heizung und 30% werden im Abgas abgeführt. Das heißt, der Verlust beträgt insgesamt 60%. Bei einem Hybridfahrzeug kann dieser Verlust halbiert werden. Ebenso der Verlust von 10% für die Beschleunigung. Durch eine rekuperative Anordnung können 50% der Energie gewonnen werden, so dass ein Hybridfahrzeug insgesamt etwa 35% Energie einspart. Das Ziel der Hybridfahrzeuge ist es, anstatt 4,6 Liter nur noch 3 Liter pro 100 km zu verbrauchen.
- Um eine Energieeinsparung des Hybridfahrzeugs bei gleichem Gesamtgewicht wie ein vergleichbares konventionelles Fahrzeug zu erreichen, sollte beispielsweise ein elektrischer Turbolader, der den Verbrennungsmotor aufladen kann, eingesetzt werden.
- Auch elektrische Nebenantriebe sollten so konstruiert sein, dass sie den Verbrennungsmotor zumindest zeitweise entlasten. Anstatt einer Langzeitbatterie ist anzustreben, eine Brennstoffzelle vorzusehen.
- Mit Hilfe von Zeichnungen soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:
-
1 – die schematische Anordnung eines Hybridantriebs und der notwendigen Steuerelemente; -
2 – ein Flussdiagramm zur Auslegung eines Hybridantriebes; -
3 – ein Flussdiagramm zur Steuerung des Fahrzeugbetriebs. - Der Hybridantrieb besteht im wesentlichen aus dem Verbrennungsmotor
1 , der nur eine mittlere Leistung besitzt, dem hieran angeschlossenen Elektromotor3 , der über eine Kupplung2 mit dem Verbrennungsmotor1 verbunden ist und dem an den Elektromotor3 angeflanschten Getriebe5 mit der Getriebeeingangswelle4 und der Getriebeausgangswelle6 . Über einen elektrischen Energiespeicher7 in Form einer Batterie mit geringem Energieinhalt und hoher Leistung wird der Elektromotor3 unter Zwischenschaltung einer Leistungselektronik13 angetrieben. Ein Fahrzeugrechner10 steuert über eine Motorelektronik14 den Verbrennungsmotor1 , den Elektromotor3 und steht mit dem Energiespeicher7 und einem Fahrpedal11 bzw. einem Bremspedal12 in Verbindung. Über eine Getriebesteuerung8 , die ebenfalls mit dem Fahrzeugrechner10 verbunden ist, wird das Getriebe5 gesteuert. Ein satellitengesteuertes Navigationssystem N steht ebenfalls mit dem Fahrzeugrechner10 in Verbindung. Ein GPS-Empfänger9 empfängt die Signale von in einer Erdumlaufbahn befindlichen Satelliten S und leitet diese an das Navigationssystem N weiter, in dem Straßenkaraten beliebigen Umfangs (deutschlandweit, europaweit, weltweit) gespeichert sind. Das Navigationssystem N oder der mit diesem verbundene Fahrzeugrechner10 ist mit Daten der Topographie, also mit Angaben zur Höhe der in ihm gespeicherten Straßenkarten versehen. - Der Verbrennungsmotor
1 ist nur für die Dauerleistung und nicht für die Spitzenleistung des Fahrzeugs ausgelegt. Der elektrische Energiespeicher7 ist für eine hohe Leistung ausgelegt, jedoch mit einem sehr kleinen Energieinhalt, zum Beispiel nur 1/5 des heute üblichen Energieinhalts. Das Gewicht beträgt etwa 60 kg. Der Elektromotor3 wird in einer Bauart gewählt, die ein sehr hohes Leistungsgewicht aufweist. Dazu ist er vorzugsweise in Außenläuferbauart ausgeführt, mit einer Leistung in der Größenordnung des Verbrennungsmotors für die zusätzliche Spitzenlast und einem Drehmoment, das wesentlich größer ist als das Drehmoment des Verbrennungsmotors1 . Das Getriebe5 weist keinen Rückwärtsgang auf, so dass sich die Getriebeeingangswelle4 immer in dieselbe Richtung wie die Getriebeausgangswelle6 dreht. Um den Gangwechsel zu optimieren, wird das Getriebe4 über die Getriebesteuerung8 gesteuert. Da der Elektromotor3 umpolbar ist, erfolgt die Rückwärtsfahrt ausschließlich mittels des Elektromotors3 . Dieser wird auch zum Anfahren des Fahrzeugs benötigt. Da er sehr drehmomentstark ist, kann die Getriebeübersetzung für den Anfahrgang der Übersetzung eines zweiten Ganges bei Fahrzeugen mit heute üblichen Verbrennungsmotoren verwendet werden, so dass neben dem Rückwärtsgang der bis heute übliche 1. Gang entfällt. - Wird der Elektromotor
3 als Generator betrieben, wird der Energiespeicher7 über die Leistungselektronik13 gespeist, wobei diese in der Lage ist, eine größere Leistung aufzunehmen als durch die Bremsenergierückgewinnung nötig ist. Mit dieser Einrichtung wird ein extrem hoher Wirkungsgrad erreicht, da bei jedem Bremsvorgang die Energie vollständig zurückgewonnen werden kann. - Durch die zuvor beschriebene Bauart, den Fortfall des ersten und des Rückwärtsganges im Getriebe ist es möglich, etwa 50 mm bis 70 mm Bauraum bei einem PKW-Getriebe einzusparen. Die Schaltung eines automatisierten mechanischen Getriebes ist vereinfacht, da weniger Schaltstellungen notwendig sind. Da die Motoren beliebig zuschaltbar sind, wenn eine größere Antriebskraft notwendig ist, als gerade von dem das Fahrzeug antreibenden Motor
1 oder3 zur Verfügung stellbar ist, ist sichergestellt, dass das Fahrzeug auch noch in der höchsten Getriebeübersetzung am Gaspedal hängt und sofort ein ruckfreies Beschleunigen möglich ist. - Bei der Auslegung des Hybridfahrzeuges muss versucht werden, einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch entsprechend den Anforderungen des Kunden zu realisieren. Der heutige Energieverbrauch als Ist-Zustand setzt sich zusammen aus der Reibung des Fahrzeuges zum Untergrund, den Strömungsverlusten bei entsprechender Geschwindigkeit, den Beschleunigungsverlusten, den sonstigen Antriebsverlusten des Verbrennungsmotors und den Verlusten durch die Nebenabtriebe für die Lenkung, Klimatisierung, Beleuchtung, usw. Wenn ein Fahrzeug definiert für einen Kunden ausgelegt werden soll, der für entsprechende Fahrleistungen einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch haben möchte, so muss entsprechend seiner Angaben über die Häufigkeit der Fahrweise auf Autobahnen, Bundesstraßen oder im Stadtverkehr, der mittleren Geschwindigkeiten, der Angaben über Streckenzustände (Berge, Ebene), der zu erzielenden Höchstgeschwindigkeiten und der Minimierung des Fahrzeuggewichtes vorgegangen werden.
- Durch das GPS-System und das Navigationssystem sind alle Informationen über eine vom Fahrer vorgegebene Fahrstrecke im voraus abrufbar. So ist auch das Höhenprofil der Strecke exakt vorhanden. Zur Optimierung des Energieverbrauchs gibt der Fahrer bei Antritt der Fahrt die aktuellen Zustandsparameter des Fahrzeuges, insbesondere den Kraftstoffvorrat, den Ladungszustand des Energiespeichers
7 und die Zuladung in den mit dem Navigationssystem N in Verbindung stehenden Fahrzeugrechner10 ein. Sodann gibt er in den Fahrzeugrechner10 sein gewünschtes Fahrziel ein. In Verbindung mit dem Navigationssystem N errechnet der Fahrzeugrechner10 die voraussichtliche Fahrzeit. Diese wird zunächst so festgelegt, dass der Elektromotor3 und der Verbrennungsmotor1 ungefähr gleichmäßig beansprucht werden. Ist der Fahrer mit dieser Fahrzeit einverstanden, so werden diese Vorgaben im Rechner festgeschrieben und das Fahrzeug anschließend entsprechend gesteuert. Ist er nicht einverstanden, so wird entsprechend der Verbrennungsmotor1 mehr oder weniger beeinflusst. Das heißt, der Fahrer wählt eine kürzere oder eine längere Fahrzeit. Wählt er eine kürzere Fahrzeit, wird der Verbrennungsmotor1 mehr eingesetzt und der Energiespeicher7 stärker aufgeladen. Wählt er eine längere Fahrzeit, wird der Elektromotor3 stärker eingesetzt. Ist der Fahrer mit der dann errechneten Fahrzeit zufrieden, so sind alle Vorgaben für den Verbrennungsmotor1 , den Elektromotor3 sowie die Ladezyklen des Energiespeichers7 entsprechend der Strecke festgelegt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei einer Bergauffahrt der Verbrennungsmotor1 keine Reserven mehr hat, um den Energiespeicher7 zu laden. die Ladezyklen müssen also in die Bergabfahrzeiten und in die Zeiten gelegt werden, in denen das Fahrzeug konstant in der Ebene fährt. Somit ist garantiert, dass bei einer bestimmten Strecke ein minimaler Kraftstoffverbrauch mit dem Hybridfahrzeug erreicht wird. -
- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Kupplung
- 3
- Elektromotor
- 4
- Getriebeeingangswelle
- 5
- Getriebe
- 6
- Getriebeausgangswelle
- 7
- elektrischer Energiespeicher
- 8
- Getriebesteuerung
- 9
- GPS-Empfänger
- 10
- Fahrzeugrechner
- 11
- Fahrpedal
- 12
- Bremspedal
- 13
- Leistungselektronik
- 14
- Motorelektronik für Verbrennungsmotor
- S
- Satellit
- N
- Navigationssystem
Claims (3)
- Hybridantrieb für ein Fahrzeug, bei dem die von einem Verbrennungsmotor (
1 ) und/oder einem Elektromotor (3 ) zur Verfügung gestellte Antriebskraft über ein Getriebe (5 ) mit einer Getriebeeingangswelle (4 ) und einer Getriebeausgangswelle (6 ) in den Antriebsstrang leitbar ist, wobei der Verbrennungsmotor (1 ) und der Elektromotor (3 ) über eine Kupplung (2 ) miteinander verbindbar sind, der Elektromotor (3 ) unmittelbar mit dem Getriebe (5 ) über die Getriebeeingangswelle (4 ) in Verbindung steht, die Getriebeeingangswelle (4 ) und die Getriebeausgangswelle (6 ) im verbrennungsmotorischen Betrieb immer in dieselbe Richtung drehen und eine Rückwärtsfahrt ausschließlich über den Elektromotor (3 ) möglich ist und ein durch den Verbrennungsmotor (1 ) aufladbarer elektrischer Energiespeicher (7 ) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5 ) ohne Rückwärtsgang ausgeführt ist und die Getriebeübersetzung für einen Anfahrgang der Übersetzung eines zweiten Ganges bei Fahrzeugen mit üblichen Verbrennungsmotoren entspricht. - Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (
1 ) und der Elektromotor (3 ) in Reihe schaltbar sind, wenn temporär eine größere Antriebskraft notwendig ist, als von dem das Fahrzeug gerade antreibenden Motor (1 ,3 ) zur Verfügung stellbar ist. - Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbremsen des Fahrzeugs durch Umschalten des Elektromotors (
3 ) in den Generatorbetrieb erfolgt und die Bremsenergie vom elektrischen Energiespeicher (7 ) aufnehmbar ist.
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