DE19802480A1 - Hybridantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Hybridantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge

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Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit
  • - einem Verbrennungsmotor und
  • - einem als zusätzlicher bzw. alternativer Antrieb sowie als Generator zur Speisung einer Batterie einsetzbaren Elek­ tromotor, welcher mit dem Verbrennungsmotor über eine Kupplung antriebsmäßig verbindbar ist und vorzugsweise in Reihe zwischen dem Verbrennungsmotor und einem ausgangs­ seitigen Getriebe angeordnet ist, sowie
  • - einem Steuer- bzw. Fahrpedal zur Leistungssteuerung des An­ triebes und
  • - einem Bremspedal, bei dessen Betätigung der Elektromotor auf Generatorbetrieb und damit bewirkter Erzeugung eines Schleppmomentes umschaltbar ist.
Für zukünftige Kraftfahrzeuge werden Hybridantriebe entwic­ kelt, bei denen ein prinzipiell herkömmlicher Verbrennungsmo­ tor mit einem auch für Generatorbetrieb geeigneten Elektromo­ tor kombiniert wird. Je nach Einsatzbedingungen kann das Fahrzeug allein durch den Verbrennungsmotor oder allein durch den Elektromotor oder von beiden Motoren gemeinsam bewegt werden. Soweit die verfügbare Leistung des Verbrennungsmotors den jeweiligen Bedarf für die Fahrt des Kraftfahrzeuges über­ steigt, kann der Elektromotor auf Generatorbetrieb umgeschal­ tet und vom Verbrennungsmotor zu Einspeisung elektrischer Energie in die Batterie angetrieben werden. Im übrigen kann bei der Fahrt mit dem Elektromotor bei Betätigung eines Bremspedals auf Generatorbetrieb umgeschaltet werden, um ei­ nerseits das Fahrzeug mit dem nun auftretenden Schleppmoment des Elektromotors abzubremsen und andererseits die kinetische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie umzuwandeln und in der Batterie zu speichern.
Zu entsprechenden Hybridantrieben kann beispielhaft auf die DE 29 43 554 C2 sowie die DE 24 17 668 C1 verwiesen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Wirtschaftlichkeit ei­ nes Hybridantriebes zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei nicht betätigtem Steuer- bzw. Fahrpedal, d. h. wenn dieses Pe­ dal seine Nullstellung einnimmt, die den Verbrennungsmotor mit dem Elektromotor antriebsmäßig verbindende Kupplung ge­ öffnet und der Elektromotor auf Generatorbetrieb umgeschaltet wird bzw. bleibt, und daß das Schleppmoment des Elektromotors bei Betätigung des Bremspedals erhöht wird.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, auch bei Fahrt mit dem Verbrennungsmotor bevorzugt den Elektromotor als Motorbremse einzusetzen und dementsprechend eine Nutz­ bremsung unter Gewinnung elektrischer Energie zu ermöglichen. Dabei nutzt die Erfindung die Tatsache, daß beim Fahrbetrieb eines Fahrzeuges vergleichsweise häufig Betriebsphasen auf­ treten, in denen der Fahrer das Fahrpedal unbetätigt läßt, weil, z. B. auf Gefällestrecken, die erreichte Fahrgeschwin­ digkeit unverändert bleiben soll oder, z. B. auf ebenen Strec­ ken, eine maßvolle Verminderung der Fahrgeschwindigkeit er­ wünscht ist. In allen diesen Fällen wird mit dem erfindungs­ gemäßen Hybridantrieb kinetische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie umgewandelt und gespeichert. Darüber hin­ aus wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene Steuerbarkeit des Generatorbetriebes mit dem Bremspedal eine erhöhte Brems­ leistung des Elektromotors, verbunden mit entsprechend ver­ mehrtem Gewinn elektrischer Energie, gewährleistet.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­ dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wird.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schaltplanartig schemati­ sierte Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit erfindungsgemä­ ßem Hybridantrieb.
Das dargestellte Fahrzeug besitzt Vorder- und Hinterräder 1 und 2 mit zugehörigen Radbremsen 3, die schematisiert als Scheibenbremsen dargestellt sind.
Im dargestellten Beispiel sind lediglich die Hinterräder 2 angetrieben, wobei für den Antrieb ein Hybridantrieb mit ei­ nem Verbrennungsmotor 4 und einem auch als Generator betreib­ baren Elektromotor 5 vorgesehen ist. Zwischen dem Verbren­ nungsmotor 4 und dem dazu in Reihe angeordneten Elektromotor 5 ist eine Kupplung 6 und zwischen dem Elektromotor 5 und den angetriebenen Hinterrädern 2 ein Schaltgetriebe 7 angeordnet.
Der Verbrennungsmotor 4 besitzt eine Luft-Ansaugleitung 8 mit einer Drosselklappe 9 zur Steuerung der zugeführten Luftmen­ ge. Für die Zuführung des Brennstoffes besitzt der Verbren­ nungsmotor 4 eine Einspritzpumpe 10. In einer Abgasleitung 11 ist ein an sich bekannter Katalysator 12 angeordnet, um den Schadstoffausstoß des Werbrennungsmotors 4 zu vermindern. In Strömungsrichtung der Abgase hinter dem Katalysator 12 ist die Abgasleitung 11 über eine Rückführleitung 13 mit der An­ saugleitung 8 verbunden, wobei durch Steuerklappen 14 die Menge des zur Ansaugleitung 8 zurückgeführten Abgases sowie die Menge der dem rückgeführten Abgas zugeführten Frischluft steuerbar ist.
Dem Elektromotor 5 ist eine Batterie 15 zugeordnet, die ei­ nerseits zur Stromversorgung des Elektromotors 5 dient und andererseits beim Generatorbetrieb des Elektromotors 5 er­ zeugte elektrische Energie speichert.
Zur Steuerung des Antriebes dient ein vom Fahrer betätigbares Fahrpedal 16, welche mit der Eingangsseite einer Antriebs­ steuerung 17 verbunden ist, die darüber hinaus eingangsseitig auch mit einem Bremspedal 18 für die Betriebsbremse des Fahr­ zeuges in Signalaustausch steht. Darüber hinaus kommuniziert die Antriebssteuerung mit einer Bremsregeleinrichtung 19, welche ihrerseits mit den Rädern 1 und 2 zugeordneten Rad-Drehzahlsensoren kommuniziert, um übermäßigen Schlupf der Rä­ der 1 und 2 beim Bremsen bzw. Beschleunigen des Fahrzeuges zu erfassen.
Der Antrieb des Fahrzeuges funktioniert wie folgt:
Die Geschwindigkeit des Fahrzeuges wird vom Fahrer in übli­ cher Weise durch Betätigung des Fahrpedals 16 gesteuert, wel­ ches dazu mit der Antriebssteuerung 17 zusammenwirkt. Je nach Leistungsbedarf bzw. Abhängigkeit von einer fahrerseitig wählbaren Betriebsweise steuert die Antriebssteuerung 17 dann zur Leistungssteuerung des Verbrennungsmotors 4 die Drossel­ klappe 9 sowie die Einspritzpumpe 10 und/oder den Elektromo­ tor 5.
Eine Besonderheit der Erfindung liegt nun darin, daß die An­ triebssteuerung 17 bei nicht betätigtem Fahrpedal 16 die Kupplung 6 öffnet und den Elektromotor 5 auf Generatorbetrieb schaltet. Damit wird durch den Elektromotor 5 ein Schleppmo­ ment bewirkt, welches einer Geschwindigkeitserhöhung des Fahrzeuges entgegenwirkt bzw. zu einer schwachen Verzögerung des Fahrzeuges führt.
Da bei unbetätigtem Fahrpedal 16 - zumindest bei Normalbe­ trieb - kein Schleppmoment mittels des Verbrennungsmotors 4 erzeugt wird, kann der Generatorbetrieb des Elektromotors 5 zur Erzeugung einer vergleichsweise hohen elektrischen Ener­ gie führen, die dann der Batterie 15 zugeführt und dort ge­ speichert wird.
Falls der Fahrer nunmehr auch noch das Bremspedal 18 betä­ tigt, wird der Elektromotor 5 auf eine erhöhte Generatorlei­ stung umgesteuert, um das Schleppmoment entsprechend dem je­ weiligen Bremsbedarf bzw. entsprechend entsprechend dem je­ weiligen Betätigungshub des Bremspedales 18 zu erhöhen.
Bei noch weiter verstärkter Betätigung des Bremspedales 18 werden in jedem Falle auch die Radbremsen 3 der Räder 1 und 2 betätigt.
Die Bremsregeleinrichtung 19 erhält von Rad-Drehzahlsensoren an den Rädern 1 und 2 ständig Drehzahlsignale, d. h. die Dreh­ zahlen der Räder 1 und 2 werden ständig überwacht, so daß übermäßiger Schlupf festgestellt werden kann.
Sollte das Schleppmoment des Elektromotors 5 bei nicht betä­ tigtem Fahrpedal 16 und/oder betätigtem Bremspedal 18 zu übermäßigem Bremsschlupf der Hinterräder 2 führen, kann die Bremsregeleinrichtung 19 stabilisierend eingreifen, bei­ spielsweise indem zusätzlich die Radbremsen 3 der Vorderräder 1 betätigt und/oder das Schleppmoment des Elektromotors 5 vermindert wird.
Die Antriebssteuerung 17 überwacht auch den Ladezustand bzw. die Temperatur der Batterie 15 und verhindert gegebenenfalls eine Zuführung von elektrischer Energie zur Batterie 15, wenn dieselbe damit überladen und/oder überhitzt werden sollte. Bei derartigen Betriebszuständen kann gegebenenfalls auf eine Umsteuerung des Elektromotors 5 auf Generatorbetrieb verzich­ tet werden. Soweit an den Antriebsrädern 2 ein Schleppmoment des Antriebes wirksam werden soll, kann dann die Kupplung 6 geschlossen und der Verbrennungsmotor 4 entsprechend einem gewünschten Schleppmoment gesteuert werden.
Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, die Brennstoffzu­ führung über die Einspritzpumpe 10 abzuschalten und bei ge­ öffneter Drosselklappe 9 durch entsprechende Ansteuerung der Steuerklappen 14 den gesamten Abgasstrom über die Rückführ­ leitung 13 zur Ansaugleitung 8 und damit zur Saugseite des Verbrennungsmotors 4 zurückzuführen.
Diese Betriebsweise bietet den Vorteil, daß der Katalysator 12 nicht bzw. nur vergleichsweise mäßig abgekühlt werden kann und dementsprechend bei einem nachfolgenden Zugbetrieb des Verbrennungsmotors 4 sofort mit voller Wirksamkeit zu arbei­ ten vermag.
Grundsätzlich kann das Schleppmoment des Verbrennungsmotors 4 auch auf andere Weise gesteuert werden, beispielsweise durch Eingriff in den Ventiltrieb der Einlaß- bzw. Auslaßventile.
Falls das Schleppmoment des Elektromotors 5 nicht ausreicht, kann zusätzlich das Schleppmoment des Verbrennungsmotors 4 eingesetzt werden, wenn die Kupplung 6 bei nicht betätigtem Fahrpedal 16 bzw. betätigtem Bremspedal 18 geschlossen wird.
Die Antriebssteuerung 17 erfaßt auch die Drehzahlen von Ver­ brennungsmotor 4 und Elektromotor 5, so daß vor dem Schließen der Kupplung 6 durch entsprechende Ansteuerung dieser Motoren 4 und 5 eine Synchronisierung der Drehzahlen und damit ein ruckfreies Einkuppeln möglich wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung erfolgt das Öffnen der Kupplung 6 erst nach Ablauf einer kürzeren Totzeit nach dem Zeitpunkt, zudem das Fahrpedal 16 seine Null-Stellung erreicht. Auf diese Weise wird verhin­ dert, daß die Kupplung 6 automatisch geöffnet und der Elek­ tromotor 5 auf Generatorbetrieb umgesteuert wird, wenn der Fahrer das Fahrpedal 16 nur kurzzeitig unbetätigt lassen sollte.
Bei den obigen Erläuterungen wurde davon ausgegangen, daß der Rotor des Elektromotors 5 ständig mit der Eingangswelle des Schaltgetriebes 7 drehfest verbunden ist. Statt dessen ist es auch möglich, zwischen dem Rotor des Elektromotors 5 und der genannten Eingangswelle eine Kupplung 21 vorzusehen. Damit kann der Elektromotor 5 gegebenenfalls vollständig von seiner antriebsmäßigen Verbindung mit den Rädern 2 abgetrennt wer­ den. Im übrigen kann auf diese Weise gegebenenfalls die Schaltbarkeit des Getriebes 7 durch Öffnen der Kupplung 21 erleichtert werden. Bei entsprechender Synchronisierung des Getriebes 7 kann jedoch die Kupplung 21 entfallen. Dies gilt auch dann, wenn der Elektromotor 5 in an sich bekannter Weise auch die Funktion eines Synchronisators übernehmen soll.

Claims (7)

1. Hybridantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit
  • - einem Verbrennungsmotor und
  • - einem als zusätzlicher und alternativer Antrieb sowie als Generator zur Speisung einer Batterie einsetzbaren Elek­ tromotor, welcher mit dem Verbrennungsmotor über eine Kupplung antriebsmäßig verbindbar und vorzugsweise in Rei­ he zwischen dem Verbrennungsmotor und einem ausgangsseiti­ gen Getriebe angeordnet ist, sowie
  • - einem Steuer- bzw. Fahrpedal zur Leistungssteuerung des Antriebes und
  • - einem Bremspedal, bei dessen Betätigung der Elektromotor auf Generatorbetrieb und damit bewirkter Erzeugung eines Schleppmomentes umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht betätigtem Steuer- bzw. Fahrpedal (16) - Null­ stellung des Steuer- bzw. Fahrpedals - die Kupplung (6) öff­ net und der Elektromotor (5) auf Generatorbetrieb umgeschal­ tet wird bzw. bleibt, und daß das Schleppmoment des Elektro­ motors (5) bei Betätigung des Bremspedals (18) verstärkt wird.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (6) mit einer Totzeit nach Erreichen der Nullstellung des Steuer- bzw. Fahrpedals (16) öffnet.
3. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei einem Fahrzeug vorgesehene Stabilitätsregelung bzw. Bremsregeleinrichtung (19) Schlupf von Antriebsrädern (2) erfaßt und bei übermäßigem Schlupf das Schleppmoment des Elektromotors (5) vermindert bzw. eine Kupplung (21) zwischen Elektromotor (5) und Antriebsrädern (2) öffnet und/oder Rad­ bremsen (3) an nicht angetriebenen Rädern (1) ansteuert.
4. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei unbetätigtem Steuer- bzw. Fahrpedal (16) und vorgege­ benen Parametern - insbesondere hohe Motordrehzahl - die Kupplung (6) zwischen Verbrennungsmotor (4) und Elektromotor (5) geschlossen bleibt bzw. wird und der Verbrennungsmotor (4) automatisch auf eine Betriebsweise zur Erzeugung bzw. Er­ höhung eines Schleppmomentes umgesteuert wird.
5. Hybridantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbrennungsmotor (4) eine Abgasrückführung (13) wirk­ sam geschaltet wird.
6. Hybridantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Ventiltrieb des Verbrennungsmotors (4) zur Er­ zeugung eines Schleppmomentes eingegriffen wird.
7. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor vor dem Wiedereinkuppeln vorsyn­ chronisiert wird.
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