DE19803160C1 - Hybrid drive for motor vehicle with IC engine - Google Patents

Hybrid drive for motor vehicle with IC engine

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Abstract

The drive has two electric machines (14,15), coupled to the engine, both of which can be driven as generator or motor. The second machine is positioned on a shaft (19) which can be locked by a rotary brake (11-13) which is controlled with respect to the drive state of the vehicle. An Independent claim is provided for a method of operating a hybrid drive.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor sowie einer ersten, auf einer Abtriebswelle des Hybridantriebs angeordneten elektri­ schen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine, die bei­ de jeweils als Generator und als Elektromotor betreibbar und un­ tereinander sowie mit dem Verbrennungsmotor über ein Verzwei­ gungsgetriebe gekoppelt sind, und auf ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Hybridantriebs.The invention relates to a hybrid drive for a Motor vehicle with an internal combustion engine and a first, Electri arranged on an output shaft of the hybrid drive machine and a second electrical machine, which at de each operable as a generator and as an electric motor and un with each other and with the internal combustion engine via a branch transmission are coupled, and to a method of operation of such a hybrid drive.

Ein gattungsgemäßer Hybridantrieb ist aus der EP 0 769 403 A2 bekannt. Er weist als Verzweigungsgetriebe z. B. ein Planetenge­ triebe auf, dessen Hohlradwelle eine erste elektrische Maschine trägt und über ein Übersetzungsgetriebe mit dem Antriebsstrang des Fahrzeuges verbunden ist. Ferner ist der Verbrennungsmotor über eine Dämpfereinheit mit dem Planetenträger gekoppelt, und die Sonnenradwelle trägt den Läufer einer zweiten elektrischen Maschine. Beide elektrische Maschinen können sowohl als Genera­ tor als auch als Motor betrieben werden, wobei vorgeschlagen wird, eine der elektrischen Maschinen als Startermotor für den Verbrennungsmotor oder zur Drehmomentkompensation insbesondere beim Anlassen des Verbrennungsmotors zu verwenden. Eine des wei­ teren auf der Hohlradwelle vorsehbare, mechanische Bremse ge­ stattet ein Blockieren der Abtriebsseite des Planetengetriebes und dient somit als Wegfahrsperre beim Anlassen des Verbren­ nungsmotors.A generic hybrid drive is known from EP 0 769 403 A2 known. It has as a branching gear z. B. a planetary ge drives, the ring gear shaft of a first electrical machine carries and via a transmission gear with the drive train of the vehicle is connected. Furthermore, the internal combustion engine coupled to the planet carrier via a damper unit, and the sun gear shaft carries the rotor of a second electric one Machine. Both electrical machines can be used as genera Tor operated as a motor, being proposed is one of the electrical machines as a starter motor for the Internal combustion engine or for torque compensation in particular to be used when starting the internal combustion engine. One of the white mechanical brake which can be provided on the ring gear shaft allows blocking the output side of the planetary gear and thus serves as an immobilizer when starting the cremation motor.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hybridantrieb der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu seinem Betrieb derart bereit­ zustellen, daß sich ein günstiges Wirkungsgradverhalten und eine hohe Lebensdauer des Antriebs ergibt.The object of the invention is a hybrid drive of the beginning mentioned type and a method for its operation so ready  to deliver that a favorable efficiency behavior and a long life of the drive results.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hybridantrieb mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Hybridantriebs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.This object is achieved by a hybrid drive the characterizing features of claim 1 and by a method for Operation of such a hybrid drive with the features of Claim 6 solved.

Beim Hybridantrieb nach Anspruch 1 ermöglicht eine Rotations­ bremse eine Stillegung der zweiten elektrischen Maschine durch eine Arretierung der dieser elektrischen Maschine zugeordneten Antriebswelle, wobei dann die Antriebsleistung für das Kraft­ fahrzeug von dem Verbrennungsmotor und/oder der ersten elektri­ schen Maschine bereitgestellt wird. Eine Stillsetzung und Arre­ tierung dieser elektrischen Maschine bzw. der zugehörigen An­ triebswelle kann insbesondere dann erfolgen, wenn deren Drehzahl einen gewissen Grenzwert unterschreitet, d. h. wenn die zweite elektrische Maschine einen niedrigen Teillastwirkungsgrad auf­ weist. Dadurch wird auf einfache Weise eine Überhitzung der elektrischen Maschine vermieden, was der Lebensdauer des gesam­ ten Hybridantriebs zugutekommt, und der Gesamtwirkungsgrad des Hybridantriebs wird gesteigert.In the hybrid drive according to claim 1 allows rotation brake the shutdown of the second electrical machine a lock associated with this electrical machine Drive shaft, then the drive power for the force vehicle from the internal combustion engine and / or the first electri machine is provided. A shutdown and arrest tation of this electrical machine or the associated an drive shaft can take place especially when their speed falls below a certain limit, d. H. if the second electrical machine has a low partial load efficiency points. This will easily overheat the electrical machine avoided, which extends the life of the total th hybrid drive, and the overall efficiency of the Hybrid drive is increased.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotationsbremse eine Aus­ löseeinrichtung zugeordnet, die bei Überschreitung einer vorgeb­ baren Grenzdrehzahl der Welle selbsttätig einen Bremsvorgang einleitet. Die Rotationsbremse wird somit automatisch aktiviert, wenn die Welle eine kritische, obere Grenzdrehzahl erreicht. Da­ durch lassen sich zu hohe unerwünschte Drehzahlen dieser Welle verhindern. Es besteht hierbei die Möglichkeit, mit Hilfe der Rotationsbremse die Welle vorübergehend oder dauerhaft still zu­ setzen. In jedem Fall wird ein Überdrehen der elektrischen Ma­ schine verhindert, wenn die Grenzdrehzahl mit einem entsprechen­ den Abstand zur Zerstörungsdrehzahl der elektrischen Maschine vorgegeben wird. In one embodiment of the invention, the rotary brake is off assigned release device that when a specified baren limit speed of the shaft automatically a braking process initiates. The rotation brake is thus activated automatically, when the shaft reaches a critical upper limit speed. There can lead to excessive undesirable speeds of this shaft prevent. It is possible to use the Rotation brake temporarily or permanently shut the shaft put. In any case, overtightening the electrical Ma machine prevents if the limit speed correspond with a the distance to the destruction speed of the electrical machine is specified.  

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Auslöseein­ richtung einen Signalgeber, insbesondere einen Fliehkraftsensor, der in Abhängigkeit von der Wellendrehzahl ein Betätigungsele­ ment der Rotationsbremse ansteuert oder regelt. Signalgeber und Betätigungselement sind vorzugsweise als ein Bauteil ausführbar, wobei insbesondere die Nutzung von Fliehkräften eine zuverlässi­ ge Ansteuerung oder Regelung der Rotationsbremse ermöglicht.In a further embodiment of the invention, the trigger includes direction a signal transmitter, in particular a centrifugal force sensor, depending on the shaft speed an actuating element controls or regulates the rotation brake. Signalers and Actuating elements can preferably be implemented as one component, the use of centrifugal forces in particular being a reliable one Enables control or regulation of the rotary brake.

In Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Rotorelement der zweiten elektrischen Maschine als ein mit Hilfe von Flieh­ kräften radial bewegbares Bauteil ausgeführt, das bei Über­ schreiten einer vorgebbaren Grenzdrehzahl in Kontakt mit einer gehäusefesten Bremsfläche gelangt. Dies realisiert eine Über­ drehschutz-Rotationsbremse, wobei das Rotorelement auf einfache Weise mit Hilfe von Fliehkräften radial nach außen in Richtung auf eine vorzugsweise zylindrische Bremsfläche bewegbar ist. Da­ durch wird ein zuverlässiger automatischer Berstschutz für den Rotor der zweiten elektrischen Maschine geschaffen.At least one rotor element is in an embodiment of the invention the second electrical machine as one with the help of fleeing Forces radially movable component executed, the over exceed a specifiable limit speed in contact with a brake surface fixed to the housing. This realizes an over anti-rotation rotation brake, the rotor element on simple Way with the help of centrifugal forces radially outwards in the direction is movable on a preferably cylindrical braking surface. There is a reliable automatic burst protection for the Rotor of the second electrical machine created.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die erste elektri­ sche Maschine mit Hilfe einer Kupplung oder einer Kombination aus Kupplung und Freilauf von der Abtriebswelle abkoppelbar. Da­ durch lassen sich Schleppverluste insbesondere bei höheren Fahr­ geschwindigkeiten vermeiden, wenn die erste elektrische Maschine deaktiviert ist. Eine in jedem Fall für die Rückwärtsfahrt benö­ tigte Kupplung kann hierbei mit integriert sein, wodurch sich ein einfacher und kompakter Aufbau ergibt.In a further embodiment of the invention, the first is electri machine using a clutch or a combination Can be uncoupled from the output shaft from clutch and freewheel. There This means drag losses, especially when driving higher Avoid speeds when using the first electrical machine is deactivated. In any case, one is required for the reverse drive Actuated clutch can be integrated, which means that results in a simple and compact structure.

Gemäß dem Betriebsverfahren nach Anspruch 6 wird die zweite elektrische Maschine des Hybridantriebs in einem unteren Dreh­ zahlbereich, in dem der Teillastwirkungsgrad der elektrischen Maschine vergleichsweise niedrig ist, mechanisch stillgesetzt und arretiert. Damit wird zugleich eine Überhitzung bei elek­ trisch gebremster oder langsam drehender Maschine vermieden.According to the operating method according to claim 6, the second hybrid drive electric machine in a lower turn Number range in which the partial load efficiency of the electrical Machine is comparatively low, mechanically stopped and locked. At the same time, overheating at elek trically braked or slowly rotating machine avoided.

In weiterer Ausgestaltung dieses Verfahrens wird bei stillge­ setzter zweiter elektrischer Maschine der Verbrennungsmotor ak­ tiv leistungsgeregelt. Dies bedeutet, daß der Verbrennungsmotor wenigstens in begrenztem Umfang im Teillastbereich betrieben wird. Als verstellbare Parameter kommen dabei beispielsweise der Drosselklappenwinkel oder die Kraftstoffeinspritzmenge in Be­ tracht, wodurch der Verbrennungsmotor ein zusätzliches eigenes Beschleunigungsvermögen erhält.In a further embodiment of this method is stillge set second electrical machine the internal combustion engine ak  tiv performance-controlled. This means that the internal combustion engine operated at least to a limited extent in the partial load range becomes. The adjustable parameters include, for example, the Throttle valve angle or the fuel injection quantity in Be costume, which gives the internal combustion engine an additional own Accelerating ability.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbrennungsmotor oberhalb eines vorgebbaren Teillastgrenz­ wertes und/oder oberhalb eines vorgebbaren Wirkungsgradgrenzwer­ tes betrieben, wobei zur Vermeidung einer entsprechenden Grenz­ wertunterschreitung die zweite elektrische Maschine aktiviert wird. Dies ist z. B. dadurch realisierbar, daß eine Rechnerein­ heit die entsprechenden Grenzwerte anhand des Gesamtwirkungsgra­ des des Hybridantriebs bestimmt, insbesondere unter Einbeziehung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschinen, und selbsttätig über die Aktivierung der zweiten elektrischen Maschine entschei­ det. Dabei ist sowohl ein Generator- als auch ein Motorbetrieb der elektrischen Maschinen möglich.In a further embodiment of the method according to the invention the internal combustion engine above a predeterminable partial load limit value and / or above a predeterminable efficiency limit tes operated, whereby to avoid a corresponding limit the second electrical machine is activated becomes. This is e.g. B. can be realized in that a computer the corresponding limit values based on the overall efficiency of the hybrid drive, especially with inclusion the efficiency of electrical machines, and automatically decide on the activation of the second electrical machine det. Both generator and motor operation of electrical machines possible.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zweite elektrische Maschine vor oder bei einem Überschreiten einer vorgebbaren oberen Grenzdrehzahl mit Hilfe der zugehörigen Bremse abgebremst. In Abhängigkeit von der zur Verfügung stehen­ den Bremskraft ist die obere Grenzdrehzahl um einen mehr oder weniger großen Betrag kleiner als die Zerstörungsdrehzahl der elektrischen Maschine zu wählen, so daß in jedem Fall ein Errei­ chen der Zerstörungsdrehzahl ausgeschlossen ist.In a further embodiment of the method according to the invention the second electrical machine before or when it is exceeded a specifiable upper limit speed using the associated Brake braked. Depending on which are available The braking force is the upper limit of one or more less large amount less than the destruction speed of the electrical machine to choose, so that in any case a success destruction speed is excluded.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung beschrieben.Preferred embodiments of the invention are as follows described using a drawing.

Die einzige Figur zeigt schematisch in einem Längsschnitt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Hybridantriebs.The single figure shows schematically in a longitudinal section Structure of a hybrid drive according to the invention.

Der in der Figur dargestellte Hybridantrieb für ein Kraftfahr­ zeug weist einen Verbrennungsmotor 1 und zwei elektrische Ma­ schinen 9, 10 und 14, 15 auf, die über ein Verzweigungsgetriebe in Form eines Planetengetriebes mit einem Planetenträger 4, Pla­ netenträgern 5, einem Hohlrad 6 und einem Sonnenrad 7 miteinan­ der gekoppelt und in einem gemeinsamen Gehäuse 18 untergebracht sind. Der Hybridantrieb überträgt seine Leistung mittels einer Abtriebswelle 16 über einen Kardanflansch 17 auf das nicht dar­ gestellte Fahrwerk des Kraftfahrzeuges.The hybrid drive shown in the figure for a motor vehicle has an internal combustion engine 1 and two electric machines 9 , 10 and 14 , 15 which have a branching gear in the form of a planetary gear with a planet carrier 4 , planet carriers 5 , a ring gear 6 and one Sun gear 7 miteinan coupled and housed in a common housing 18 . The hybrid drive transmits its power by means of an output shaft 16 via a cardan flange 17 to the chassis of the motor vehicle, not shown.

Der als Hubkolbenmaschine aus gestaltete Verbrennungsmotor 1 weist in üblicher Weise eine nicht dargestellte Kurbelwelle, ein­ schließlich eines Schwungrades 2 auf, die drehfest mit einer Stegwelle 3 verbunden ist, auf der der Planetenträger 4 des Pla­ netengetriebes sitzt. Auf dem Planetenträger 4 sind in üblicher Weise die Planetenräder 5 gelagert, die in einem Hohlrad 6 ab­ rollen. Das Hohlrad 6 ist einstückig mit einer Hohlradwelle ver­ bunden, die zugleich die Abtriebswelle 16 des Hybridantriebs bildet. Auf der Abtriebswelle 16 ist der Rotor 14 einer ersten elektrischen Maschine 14, 15 gelagert. Der Rotor 9 der zweiten elektrischen Maschine 9, 10 ist auf einer als Hohlwelle ausge­ führten Sonnenradwelle 19 fixiert, die wiederum das Sonnenrad 7 des Planetengetriebes trägt. Die Ständer 15 und 10 der beiden elektrischen Maschinen sind fest in dem Gehäuse 18 angeordnet und über elektrische Anschlußklemmen mit einem Bordnetz verbun­ den, das wenigstens einen elektrischen Energiespeicher beinhal­ tet. Das Planetengetriebe ist nach außen mit einem fest an dem Hohlrad 6 angeordneten und mit diesem eine Kapsel bildenden Dec­ kel 8 abgedichtet. Somit ist eine Lebensdauerölfüllung für das Planetengetriebe vorsehbar, die in dem Planetengetriebe mitro­ tiert und daher weniger Panscharbeit als eine nicht mitrotieren­ de Schmierung verursacht.The designed as a reciprocating engine from internal combustion engine 1 has in the usual way a crankshaft, not shown, finally a flywheel 2 , which is rotatably connected to a land shaft 3 on which the planet carrier 4 of the planetary gear sits. On the planet carrier 4 , the planet gears 5 are mounted in a conventional manner, which roll in a ring gear 6 from. The ring gear 6 is integrally connected to a ring gear shaft, which also forms the output shaft 16 of the hybrid drive. The rotor 14 of a first electrical machine 14 , 15 is mounted on the output shaft 16 . The rotor 9 of the second electric machine 9 , 10 is fixed on a sun gear shaft 19 which is guided as a hollow shaft and which in turn carries the sun gear 7 of the planetary gear. The stands 15 and 10 of the two electrical machines are fixedly arranged in the housing 18 and connected via electrical connecting terminals to an electrical system which contains at least one electrical energy store. The planetary gear is sealed to the outside with a fixed to the ring gear 6 and with this a capsule forming Dec 8 . Thus, a life oil filling for the planetary gear can be provided, which rotates in the planetary gear and therefore causes less churning than non-rotating lubrication.

Erfindungsgemäß ist der Sonnenradwelle 19 eine Rotationsbremse 11, 12, 13 zugeordnet, die geeignet ist, die Sonnenradwelle bei Bedarf abzubremsen und stillzusetzen. Dazu ist gemäß der Figur auf der Sonnenradwelle 19 eine auf einem Schiebesitz 13 mit ei­ ner entsprechenden Verzahnung angeordnete Bremsscheibe 12 axial verschieblich gelagert, so daß diese, wobei sie vorzugsweise ferromagnetisch ausgeführt ist, von einem oder mehreren gehäuse­ fest angeordneten Elektromagneten 11 gegen eine Bremsfläche 20 gezogen werden kann. Für eine axiale Verstellung zurück in die Ausgangslage ist eine zwischen Sonnenradwelle 19 und Bremsschei­ be 12 angeordnete, nicht dargestellte Druckfeder vorgesehen.According to the invention, the sun gear shaft 19 is assigned a rotary brake 11 , 12 , 13 which is suitable for braking and stopping the sun gear shaft if necessary. For this purpose, according to the figure on the sun gear shaft 19, a brake disk 12 arranged on a sliding seat 13 with egg ner corresponding toothing is axially displaceably mounted, so that it, which is preferably ferromagnetic, of one or more housing-fixed electromagnets 11 against a braking surface 20 can be pulled. For an axial adjustment back to the starting position is arranged between the sun gear shaft 19 and brake disk 12 , not shown, compression spring is provided.

In einem nicht dargestellten, modifizierten Ausführungsbeispiel wird die Bremsscheibe 12 von einem oder mehreren am Gehäuse 18 gelagerten Bremsbacken umgriffen, die mit Hilfe von starken, vorgespannten Druckfedern gegen die Bremsscheibe gepreßt werden, wobei über einen Elektromagneten ein Lüften dieser Bremse be­ werkstelligt wird.In a modified embodiment, not shown, the brake disc 12 is encompassed by one or more brake shoes mounted on the housing 18, which are pressed against the brake disc with the aid of strong, prestressed compression springs, with a release of this brake being accomplished by means of an electromagnet.

In einem weiteren, modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Ro­ tor 14 der ersten elektrischen Maschine 14, 15 über eine vor­ zugsweise nach dem Verschiebeankerprinzip arbeitende Kupplung mit der Abtriebswelle 16 gekoppelt, so daß er bei Bedarf von der Abtriebswelle 16 getrennt werden kann, wodurch sich unnötige Schleppverluste bei deaktivierter erster elektrischer Maschine 14, 15 vermeiden lassen. Alternativ dazu ist eine entsprechende Kombination aus Kupplung und Freilauf vorsehbar.In a further, modified exemplary embodiment, the ro tor 14 of the first electrical machine 14 , 15 is coupled to the output shaft 16 via a coupling which preferably works according to the sliding anchor principle, so that it can be separated from the output shaft 16 if necessary, which results in unnecessary drag losses with the first electrical machine 14 , 15 deactivated. Alternatively, a corresponding combination of clutch and freewheel can be provided.

Der dargestellte Hybridantrieb läßt sich erfindungsgemäß wie folgt betreiben. Der Verbrennungsmotor 1, der vorzugsweise im Vollastbetrieb, insbesondere bei vollständig geöffneter Drossel­ klappe, betrieben wird, stellt einen Großteil der von dem Hy­ bridantrieb abzugebenden Leistung zur Verfügung. Er wird vor­ zugsweise mit reduzierten Leistungsschwankungen betrieben, wobei eine Feineinstellung von Drehzahl und Leistung des Hybridan­ triebs von einem elektronischen Motormanagement über die beiden elektrischen Maschinen 14, 15 und 9, 10 erfolgt. Da die elektri­ schen Maschinen sowohl als Motor wie auch als Generator betreib­ bar sind, ergibt sich eine hohe Flexibilität bei der Einstellung der variablen Übersetzung des Planetengetriebes.The hybrid drive shown can be operated according to the invention as follows. The internal combustion engine 1 , which is preferably operated in full load operation, in particular when the throttle is fully open, provides a large part of the power to be output by the hybrid drive. It is preferably operated with reduced power fluctuations, with a fine adjustment of the speed and power of the hybrid drive from an electronic motor management via the two electrical machines 14 , 15 and 9 , 10 . Since the electrical machines can be operated both as a motor and as a generator, there is a high degree of flexibility in setting the variable ratio of the planetary gear.

Vorzugsweise wird der Verbrennungsmotor verbrauchsgünstig bei mäßigen Drehzahlschwankungen unter Vollast betrieben, wobei die als Generator betriebene zweite elektrische Maschine 9, 10 zur Dreh­ zahleinstellung im Planetengetriebe (Drehzahlsubtraktion) sowie zur Rekuperation von Bremsenergie dient. Dabei stellt ferner die als Elektromotor betriebene erste elektrische Maschine 14, 15 eine Leistungs- und Beschleunigungsreserve dar. Die beiden elek­ trischen Maschinen wirken dahingehend zusammen, daß zurückgewon­ nene und vorübergehend in einer Fahrzeugbatterie gespeicherte Bremsenergie sehr schnell wieder aus der Batterie entnommen und für Beschleunigungen des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt wird. Vor allem aber dreht beim Beschleunigen der Generator hoch. Da­ durch kann die Fahrzeugbatterie relativ klein ausgeführt werden und die Energiewechselverluste in der Batterie bleiben gering.Preferably, the internal combustion engine is operated at moderate speed fluctuations under full load, the second electric machine 9 , 10 operated as a generator serving to set the speed in the planetary gear (speed subtraction) and to recuperate braking energy. Furthermore, the first electric machine 14 , 15 operated as an electric motor represents a power and acceleration reserve. The two electrical machines work together in such a way that the braking energy that is recovered and temporarily stored in a vehicle battery is very quickly removed from the battery and accelerated Vehicle is made available. But above all, the generator turns up when accelerating. As a result, the vehicle battery can be made relatively small and the energy exchange losses in the battery remain low.

Mit Hilfe des Planetengetriebes sind somit hohe Abtriebsleistun­ gen des Hybridantriebs bei geringer Abtriebsdrehzahl möglich, wenn die zweite elektrische Maschine 9, 10 als Generator arbei­ tet. Insbesondere sind Abtriebsdrehzahlen und Fahrgeschwindig­ keiten möglich, die niedriger liegen als diejenigen, die sich bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 bei Leerlaufdrehzahl und gleichzeitiger Stillsetzung der zweiten elektrischen Maschi­ ne 9, 10 ergeben. Ein derartiger Betriebszustand tritt außerdem an langen Steigungen auf, wenn ein elektromagnetischer Betrieb der ersten elektrischen Maschine 14, 15 ausschließlich aus der Fahrzeugbatterie nicht möglich ist. Ferner sind bei etwas ungün­ stigeren Wirkungsgraden des Hybridantriebs hohe Abtriebsdrehzah­ len bei gleichzeitig geringer Abtriebsleistung darstellbar, wenn die zweite elektrische Maschine 9, 10 als Elektromotor arbeitet und im Planetengetriebe eine Drehzahladdition erfolgt. In diesem Fall ist ein Betrieb der ersten elektrischen Maschine 14, 15 als Generator denkbar, falls die von der Fahrzeugbatterie für die zweite elektrische Maschine zur Verfügung gestellte Energie nicht für deren Betrieb ausreicht, jedoch ist diese Betriebswei­ se mit ungünstigeren Wirkungsgraden verbunden.With the help of the planetary gear, high Abtriebsleistun conditions of the hybrid drive at low output speed are possible if the second electrical machine 9 , 10 works as a generator. In particular, output speeds and driving speeds are possible which are lower than those which result from operation of the internal combustion engine 1 at idle speed and simultaneous shutdown of the second electric machine 9 , 10 . Such an operating state also occurs on long slopes when electromagnetic operation of the first electrical machine 14 , 15 is not possible exclusively from the vehicle battery. Furthermore, high Abtriebsdrehzah len with somewhat low output power can be represented if the second electrical machine 9 , 10 works as an electric motor and a speed addition takes place in the planetary gear. In this case, operation of the first electrical machine 14 , 15 as a generator is conceivable if the energy provided by the vehicle battery for the second electrical machine is not sufficient for its operation, but this mode of operation is associated with less favorable efficiencies.

In einem weiten Betriebsbereich, in dem die zweite elektrische Maschine 9, 10 generatorisch mit niedriger Drehzahl arbeitet, ergibt sich der Einsatzfall für die Rotationsbremse 11, 12, 13. The use of the rotary brake 11 , 12 , 13 results in a wide operating range in which the second electrical machine 9 , 10 operates as a generator at a low speed .

Die Rotationsbremse gestattet es, die Sonnenradwelle 19 und so­ mit die zweite elektrische Maschine 9, 10 dauerhaft stillzuset­ zen, d. h. nicht-rotierend festzustellen. Eine derartige Still­ setzung wird durch einen das Motormanagement betreibenden Rech­ ner beim Unterschreiten einer bestimmten, vorgebbaren unteren Grenzdrehzahl der zweiten elektrischen Maschine 9, 10 ausgelöst. Die genannte untere Grenzdrehzahl kann sich entweder ausschließ­ lich aus dem Wirkungsgradverhalten der zweiten elektrischen Ma­ schine 9, 10 oder aus dem Wirkungsgradverhalten der zweiten elektrischen Maschine in Kombination mit dem Verbrennungsmotor und/oder der ersten elektrischen Maschine sowie der Fahrzeugbat­ terie ergeben.The rotary brake allows the sun gear shaft 19 and so with the second electrical machine 9 , 10 to be permanently shut down, that is to say non-rotating. Such shutdown is triggered by a computer operating the engine management computer when the temperature falls below a specific, predeterminable lower limit speed of the second electrical machine 9 , 10 . The lower speed limit mentioned can either result exclusively from the efficiency behavior of the second electrical machine 9 , 10 or from the efficiency behavior of the second electrical machine in combination with the internal combustion engine and / or the first electrical machine and the vehicle battery.

Bei stillgesetzter zweiter elektrischer Maschine 9, 10 wird der Verbrennungsmotor 1 nicht mehr nur im Vollastbetrieb betrieben, sondern aktiv durch motorinterne Maßnahmen, insbesondere durch eine Drosselklappenverstellung, leistungs- und drehzahlgeregelt, da das Planetengetriebe nunmehr eine feste, lange Übersetzung darstellt. Durch ein Stillsetzen der zweiten elektrischen Ma­ schine kann nicht nur der Wirkungsgrad des Hybridantriebs ver­ bessert werden, sondern es wird auch ein bei niedriger Drehzahl und insbesondere beim Stillstand auftretendes Überhitzen dieser elektrischen Maschine verhindert. Diese Betriebsart entsprecht dem langen Gang eines herkömmlichen Schaltgetriebes, bei dem al­ lerdings stets zusätzlich eine Beschleunigungshilfe über die Elektromaschine und die Batterie möglich ist.When the second electrical machine 9 , 10 is shut down, the internal combustion engine 1 is no longer operated only at full load, but is actively controlled by engine-internal measures, in particular by adjusting the throttle valve, in terms of power and speed, since the planetary gear now represents a fixed, long gear ratio. By stopping the second electric machine, not only can the efficiency of the hybrid drive be improved, but it also prevents overheating of this electric machine, which occurs at low speed and especially when the machine is at a standstill. This operating mode corresponds to the long gear of a conventional manual transmission, in which, however, an acceleration aid is always possible via the electric machine and the battery.

Der Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors erfolgt wiederum bis zu einem bestimmten, vorgebbaren Teillastgrenzwert, bei dem ein Zuschalten der zweiten elektrischen Maschine 9, 10 im Generator­ betrieb bei gleichzeitiger Erhöhung der Verbrennungsmotorlast eine Wirkungsgradsteigerung des Hybridantriebs bewirkt. Wenn dem Rechner für das Motormanagement ein Wirkungsgradkennfeld für den Verbrennungsmotor 1 zur Verfügung steht, kann der Verbrennungs­ motor oberhalb eines bestimmten Wirkungsgradgrenzwertes betrie­ ben werden, unterhalb dessen der Gesamtwirkungsgrad des Hybrid­ antriebes durch die Aktivierung der zweiten elektrischen Maschi­ ne verbessert werden kann. Der für das Motormanagement zuständi­ ge Rechner kann somit frei entscheiden, in welchem Betriebs zu­ stand des Hybridantriebs die zweite elektrische Maschine still­ gesetzt sein soll. Ferner steuert der Rechner die erste elektri­ sche Maschine samt zugehöriger Kupplung ebenso wie den Betrieb des Verbrennungsmotors. Dabei gehen in die Wirkungsgradkalkula­ tion des Hybridantriebs nicht nur die momentanen Einzelwirkungs­ grade der elektrischen Maschinen und des Verbrennungsmotors ein, sondern auch der Batterieladezustand, die Schaltverluste der Fahrzeugbatterie, der Getriebewirkungsgrad und gegebenenfalls weitere Parameter, die insbesondere durch Nebenaggregate des Hy­ bridantriebs vorgegeben sein können.The part-load operation of the internal combustion engine in turn takes place up to a certain, predeterminable partial-load limit value, at which switching on the second electrical machine 9 , 10 in generator operation while increasing the load on the internal combustion engine causes an increase in the efficiency of the hybrid drive. If the computer for engine management has an efficiency map for the internal combustion engine 1 , the internal combustion engine can be operated above a certain efficiency limit, below which the overall efficiency of the hybrid drive can be improved by activating the second electrical machine. The computer responsible for engine management can thus freely decide in which operating state of the hybrid drive the second electric machine should be stopped. Furthermore, the computer controls the first electrical machine including the associated clutch as well as the operation of the internal combustion engine. The efficiency calculation of the hybrid drive not only includes the current individual efficiency of the electrical machines and the internal combustion engine, but also the battery charge level, the switching losses of the vehicle battery, the transmission efficiency and, if necessary, other parameters that can be specified in particular by auxiliary units of the hybrid drive.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hybridantriebs ist der Sonnenradwelle 19 ein fliehkraftbetätigter Signalgeber zugeordnet, der mechanisch, elektrisch oder auf andere Weise mit einem Betätigungselement der Rotationsbremse 11, 12, 13 gekoppelt ist. Der Signalgeber ist Bestandteil einer Auslöseeinrichtung für die Rotationsbremse und dient zur Ansteuerung des Betätigungselementes dahingehend, daß die Bremse aktiviert wird, sobald die Sonnenradwelle 19 eine bestimmte Grenzdrehzahl überschreitet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Rotationsbremse eigensicher auszugestalten, in­ dem der Bremse mechanische, hydraulische oder pneumatische Feder­ elemente zugeordnet sind, die bei einem Ausfall der Energiever­ sorgung des Hybridantriebs die Bremse selbsttätig aktivieren. In diesem Fall kann der Signalgeber bei einem Überschreiten der Grenzdrehzahl der Sonnenradwelle und damit des Rotors der zweiten elektrischen Maschine 9, 10 die für das Lüften der Rotationsbremse nötige Energiezufuhr vorübergehend unterbrechen und somit auf einfache Weise zuverlässig einen Bremsvorgang einleiten. In ei­ ner besonderen Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels ist dem Signalgeber ein Rückstellelement, z. B. in Form einer Rückstell­ feder, zugeordnet, das dafür sorgt, daß bei einer entsprechenden Reduzierung der Drehzahl der Sonnenradwelle der Signalgeber in seinen Ausgangszustand zurückkehrt und somit das Betätigungsele­ ment der Rotationsbremse dahingehend ansteuert, daß die Bremse erneut gelüftet wird. Eine derartige, sich selbst aktivierende und deaktivierende Auslöseeinrichtung für die Rotationsbremse 11, 12, 13 dient als Schutz gegen ein Drehzahlbersten der zwei­ ten elektrischen Maschine 9, 10. Ein solcher Fall des Drehzahl­ berstens kann eintreten, wenn bei hoher Geschwindigkeit des Fahrzeuges die Zündung des als Ottomotor ausgeführten Verbren­ nungsmotors 1 abgeschaltet wird. In diesem Fall sinkt die Dreh­ zahl des Verbrennungsmotors rasch, während bei gleichbleibender Abtriebsdrehzahl diejenige der zweiten elektrischen Maschine 9, 10 extrem ansteigt. Ein derartiger Fall ist auch denkbar, wenn der Verbrennungsmotor infolge Kraftstoffmangel stehen bleibt.In a further exemplary embodiment of the hybrid drive according to the invention, not shown, the sun gear shaft 19 is assigned a centrifugal signal transmitter which is coupled mechanically, electrically or in another way to an actuating element of the rotary brake 11 , 12 , 13 . The signal transmitter is part of a triggering device for the rotary brake and is used to control the actuating element in such a way that the brake is activated as soon as the sun gear shaft 19 exceeds a certain limit speed. It is particularly advantageous to design the rotary brake intrinsically safe, in which mechanical, hydraulic or pneumatic spring elements are assigned to the brake, which automatically activate the brake in the event of a power failure of the hybrid drive. In this case, if the limit speed of the sun gear shaft and thus the rotor of the second electrical machine 9 , 10 is exceeded, the signal transmitter can temporarily interrupt the energy supply required for releasing the rotary brake and thus reliably initiate a braking process in a simple manner. In egg ner special embodiment of this embodiment, the signal generator is a reset element, for. B. in the form of a return spring, which ensures that the signal generator returns to its initial state with a corresponding reduction in the speed of the sun gear shaft and thus controls the actuating element of the rotary brake in such a way that the brake is released again. Such a self-activating and deactivating triggering device for the rotary brake 11 , 12 , 13 serves as protection against a bursting of the speed of the two-th electrical machine 9 , 10. Such a case of bursting speed can occur if the ignition of the vehicle at high speed as a petrol engine combustion engine 1 is switched off. In this case, the speed of the internal combustion engine drops rapidly, while that of the second electrical machine 9 , 10 increases extremely with the output speed remaining the same. Such a case is also conceivable if the internal combustion engine stops due to a lack of fuel.

In einem weiteren, nicht dargestellten modifizierten Ausfüh­ rungsbeispiel sind Teile des Rotors 9 der zweiten elektrischen Maschine als Bremselemente ausgelegt, die mit Hilfe von Flieh­ kräften radial bewegbar sind und bei einer bestimmten Bremsdreh­ zahl gegen die Innenseite eines feststehenden Hohlzylinders zur Anlage kommen. Alternativ dazu ist der gesamte Rotor 9 elastisch und/oder plastisch verformbar gestaltet, so daß er vor einem Bersten an der Innenfläche des Stators 10 anstößt und eine wei­ tere Erhöhung der Drehzahl verhindert. Bei einer elektrischen Maschine mit einem außenliegenden Rotor ist zu diesem Zweck im Außengehäuse eine separate Bremstrommel vorgesehen, die in einem engen radialen Abstand zum Rotor angeordnet ist.In a further, not shown, modified embodiment, parts of the rotor 9 of the second electrical machine are designed as braking elements which can be moved radially with the aid of centrifugal forces and come into contact with the inside of a fixed hollow cylinder at a certain braking speed. Alternatively, the entire rotor 9 is designed to be elastically and / or plastically deformable, so that it abuts the inner surface of the stator 10 before bursting and prevents a further increase in the speed. In an electrical machine with an external rotor, a separate brake drum is provided for this purpose in the outer housing, which is arranged at a close radial distance from the rotor.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann somit eine Wirkungs­ gradsteigerung des Hybridantriebs in einem weiten Betriebsbe­ reich realisiert werden, die zudem mit einem schonenden und so­ mit lebensdauersteigernden Einsatzverhalten der elektrischen Ma­ schinen verknüpft ist. Es lassen sich ferner auch zusätzliche Sicherungswirkungen gegen eine Zerstörung der elektrischen Ma­ schinen erzielen, die darin bestehen, daß zum einen zu niedrige und zum anderen zu hohe Drehzahlen der elektrischen Maschinen durch vorherige Stillsetzung derselben vermieden werden. Weiterhin wäre es denkbar dem Hohlrad 16 bzw. der Welle 6 eine Parksperre zuzuordnen, die mit diesen wegen des hohen Träg­ heitsmomentes der elektrischen Maschine über ein verdrehelasti­ sches Glied und/oder über eine Überlastkupplung verbindbar wäre.With the help of the present invention, an increase in efficiency of the hybrid drive can thus be realized in a wide operating range, which is also linked to a gentle and thus life-increasing application behavior of the electrical machines. It can also achieve additional security effects against destruction of the electrical machines, which consist in that, on the one hand, too low and, on the other hand, too high speeds of the electrical machines are avoided by shutting them down beforehand. Furthermore, it would be conceivable to assign the ring gear 16 or the shaft 6 to a parking lock, which would be connectable to the latter due to the high moment of inertia of the electrical machine via a torsionally elastic member and / or via an overload clutch.

Claims (9)

1. Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmo­ tor (1) sowie einer ersten, auf einer Abtriebswelle (16) des Hy­ bridantriebs angeordneten elektrischen Maschine (14, 15) und ei­ ner zweiten elektrischen Maschine (9, 10), die beide jeweils als Generator und als Elektromotor betreibbar und untereinander so­ wie mit dem Verbrennungsmotor über ein Verzweigungsgetriebe (4 bis 7) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Maschine (9, 10) auf einer Welle (19) po­ sitioniert ist, der eine vom Fahrbetriebszustand des Kraftfahr­ zeuges abhängig steuerbare Rotationsbremse (11, 12, 13) zugeord­ net ist, durch die die zugehörige Welle (19) feststellbar ist.1. Hybrid drive for a motor vehicle with a combustion engine ( 1 ) and a first, on an output shaft ( 16 ) of the hybrid drive arranged electrical machine ( 14 , 15 ) and egg ner second electrical machine ( 9 , 10 ), both as Generator and can be operated as an electric motor and are coupled to one another as well as to the internal combustion engine via a branching gear ( 4 to 7 ), characterized in that the second electrical machine ( 9 , 10 ) is positioned on a shaft ( 19 ), one of which is in the driving operating state of the motor vehicle dependent controllable rotary brake ( 11 , 12 , 13 ) is assigned by which the associated shaft ( 19 ) can be determined. 2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationsbremse (11, 12, 13) eine Auslöseeinrichtung zuge­ ordnet ist, die bei Überschreitung einer vorgebbaren Grenzdreh­ zahl der Welle (19) selbsttätig einen Bremsvorgang einleitet.2. Hybrid drive according to claim 1, further characterized in that the rotary brake ( 11 , 12 , 13 ) is assigned a triggering device which automatically initiates a braking operation when a predetermined limit speed of the shaft ( 19 ) is exceeded. 3. Hybridantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung einen Signalgeber, insbesondere einen Fliehkraftsensor, umfaßt, der in Abhängigkeit von der Wellen­ drehzahl ein Betätigungselement der Rotationsbremse (11, 12, 13) ansteuert oder regelt.3. Hybrid drive according to claim 2, characterized in that the triggering device comprises a signal transmitter, in particular a centrifugal force sensor, which controls or controls an actuating element of the rotary brake ( 11 , 12 , 13 ) as a function of the shaft. 4. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Rotorelement (9) der zweiten elektrischen Maschi­ ne (9, 10) als ein mit Hilfe von Fliehkräften radial bewegbares Bauteil ausgeführt ist, das bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenzdrehzahl in Kontakt mit einer gehäusefesten Bremsfläche ge­ langt.4. Hybrid drive according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one rotor element ( 9 ) of the second electrical Maschi ne ( 9 , 10 ) is designed as a component which can be moved radially with the aid of centrifugal forces, which when a predetermined limit speed is exceeded in Contact with a brake surface fixed to the housing. 5. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Maschine (14, 15) mit Hilfe einer Kupplung oder einer Kombination aus Kupplung und Freilauf von der Ab­ triebswelle (16) abkoppelbar ist.5. Hybrid drive according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first electrical machine ( 14 , 15 ) with the aid of a clutch or a combination of clutch and freewheel from the drive shaft ( 16 ) can be uncoupled. 6. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebs nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Maschine (9, 10) bei einem Unterschreiten einer vorgebbaren unteren Grenzdrehzahl mit Hilfe der zugehöri­ gen Rotationsbremse (11, 12, 13) stillgesetzt wird.6. A method for operating a hybrid drive according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second electrical machine ( 9 , 10 ) is stopped when the speed falls below a predeterminable lower limit speed with the aid of the associated rotary brake ( 11 , 12 , 13 ) becomes. 7. Verfahren nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß bei stillgesetzter zweiter elektrischer Maschine (9, 10) der Verbrennungsmotor (1) aktiv leistungsgeregelt wird.7. The method according to claim 6, further characterized in that when the second electrical machine ( 9 , 10 ) is stopped, the internal combustion engine ( 1 ) is actively power-controlled. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) oberhalb eines vorgebbaren Teil­ lastgrenzwertes und/oder oberhalb eines vorgebbaren Wirkungs­ gradgrenzwertes betrieben wird, wobei zur Vermeidung einer ent­ sprechenden Grenzwertunterschreitung die zweite elektrische Ma­ schine (9, 10) aktiviert wird.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the internal combustion engine ( 1 ) is operated above a predeterminable partial load limit value and / or above a predeterminable efficiency limit value, the second electrical machine ( 9 , 10 ) is activated. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Maschine (9, 10) vor oder bei einem Über­ schreiten einer vorgebbaren oberen Grenzdrehzahl mit Hilfe der zugehörigen Bremse (11, 12, 13) abgebremst wird.9. The method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the second electrical machine ( 9 , 10 ) is braked before or when exceeding a predetermined upper limit speed with the aid of the associated brake ( 11 , 12 , 13 ).
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