DE202006011685U1 - Hybridfahrzeug mit vereinfachtem Antrieb - Google Patents

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Abstract

Hybridfahrzeug (1) mit vereinfachtem Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Rad (2) des Fahrzeugs mindestens jeweils ein direkt mit dem Rad (2) gekoppelter Elektromotor (3) angeordnet ist, dass jeder Elektromotor (3) separat mit Leistung beaufschlagbar und an einen Generator (4) angeschlossen ist, der mit einem stationär betreibbaren Verbrennungsmotor (5) verbunden ist, wobei Generator (4) und Verbrennungsmotor (5) mit einem Energiespeicher (6) verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug mit vereinfachtem Antrieb.
  • Hybridfahrzeuge sind Automobile, bei denen der Antrieb über einen meistens stationär betriebenen Ottomotor und über Elektromotore erfolgt. Die Einwirkung von Elektromotor und/oder Verbrennungsmotor auf angetriebene Achsen des Automobils erfordert eine exakt abgestimmte, präzise angesteuerte Mechanik, welche die Leistung kontrolliert im Wechselspiel mit Schaltung und Getriebe überträgt. Elektrische Ansteuerung und Antrieb sind dadurch komplex, erfordern regelmäßige Wartungsarbeiten und bedingen einen hohen Aufwand an Personal und Kosten. Es hat im Stand der Technik nicht an Vorschlägen gefehlt, Konzepte für Hybridfahrzeuge anzubieten, bei denen der Aufwand konstruktiv verringert wird.
  • Ein exemplarisches Konzept der vorgenannten Art wird in der EP 0 584 090 B1 beschrieben. Hierbei wird ein Elektromotor mit zwei Elektroantrieben vorgesehen, von denen der eine Elektroantrieb über die Kardanwelle mit den Vorderrädern und der andere Elektroantrieb über das Hinterraddifferenzial mit den Hinterrädern des Automobils verbunden ist. Dadurch wird über die längserstreckten Antriebsachsen des Fahrzeugs eine gleichzeitige Verbindung aller vier Räder mit dem Elektromotor erreicht, was auch zur verbesserten Energierückgewinnung eingesetzt werden soll. Als zusätzlicher Vorteil wird das Zusammenführen von Elektromotor und Differenzial in einer platzsparenden Baugruppe beschrieben.
  • Problematisch bei dem vorbeschriebenen Konzept ist die Anbindung der Elektroantriebe an die Transmissionsachsen. Übliche Transmissionsachsen verfügen über keinerlei Vorrichtungen, die eine Verbindung mit einem Elektromotor erlauben.
  • Wenn ein Elektroantrieb z.B. über aufgeklebte Magnetstreifen oder über mit Bandagen zusätzlich fixierte Permanentmagnete mit einer Achse in Eingriff gebracht werden soll, ist dies personal- und kostenintensiv. Die individuell angefertigten Bauteile können einer erhöhten Fehlerquote unterliegen, was mit weiteren Folgekosten einhergeht.
  • Weiterhin problematisch ist das Zusammenführen von Elektromotor und Differenzial in eine Baugruppe. Durch die platzsparende Kombination der verschiedenen Bauteile ergibt sich eine komplex strukturierte Bauteilgruppe, deren einzelne Bauteile schwer zugänglich sind und welche nur von elektrotechnisch und mechanisch qualifiziertem Personal gewartet werden kann.
  • Die Energierückgewinnung in einem Hybridfahrzeug gemäß der EP 0 584 090 B1 erfolgt während des Bremsens über alle vier Räder gleichzeitig. Zuvor ist eine Umpolung des Elektromotors notwendig, um diesen während des Bremsens als Generator betreiben zu können. Während des Vorgangs, der im Folgenden als Bremskraft-Rekuperation bezeichnet wird, steht der Elektromotor als Leistungsquelle nicht zur Verfügung.
  • In einer Konstruktion gemäß der EP 0 584 090 B1 muss der Elektromotor mit einem Batteriesatz verbunden werden, welcher den Antrieb der Räder über die Kardanwelle bzw. das Differenzial ermöglicht. Das Eigengewicht des Batteriesatzes wird dabei das Gesamtgewicht des Fahrzeugs sowie seinen Energieverbrauch pro Kilometer auf nachteilige Weise erhöhen und die Energieeffizienz des Fahrzeugs verschlechtern.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zu überwinden und ein einfacheres, leichteres und kostengünstigeres Hybridfahrzeug bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug anzubieten, das eine schnellere und bessere Adaption des Antriebsystems an die Geländeeigenschaften erlaubt.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept anzubieten, welches ein Hybridfahrzeug mit geringerem Gesamtgewicht an ungefederten Massen zur Verfügung stellt.
  • Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept anzubieten, das eine verbesserte Bremskraft-Rekuperation bereit stellt.
  • Diese Aufgaben werden mit einem Hybridfahrzeug gemäß den unabhängigen Schutzansprüchen gelöst. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Wesentlich für die vorliegende Erfindung war die Entdeckung, dass durch radweise einzeln zugeordnete Elektromotoren, welche direkt an das jeweilige Rad gekoppelt sind, eine effektivere und schnellere Leistungsübertragung erreicht wird. Durch direktes Koppeln eines Elektromotors an ein Rad werden längserstreckte Transmissionsachsen und schaltbare Getriebe zur Leistungsübertragung nicht mehr benötigt. Die Übertragung der elektrisch erzeugten Kraft kann auf kürzestem Weg unmittelbar am Rad erfolgen.
  • Die Erfinder gehen davon aus, dass die Leistungsübertragung nach dem Stand der Technik mit Hilfe von längserstreckten Transmissionsachsen und schaltbaren Getrieben einen Leistungsverlust bedingt und konstruktiv die Geschwindigkeit der Leistungsübertragung und -änderung begrenzt.
  • Ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug weist pro Rad mindestens einen, direkt damit gekoppelten Elektromotor auf, welcher über eine Stromleitung mit einem Generator verbunden ist, welcher direkt an einen Motor gekoppelt ist.
  • Durch die räumliche Trennung von Elektromotor und Generator und die Anordnung der Elektromotoren direkt in der Nähe der jeweiligen Räder wird eine günstige Massenverteilung und ein einfacher zu wartendes Hybridfahrzeug bereitgestellt. Die Elektromotoren können z. B. zweimal jährlich während des Radwechsels ohne weiteres einer Standardinspektion unterzogen werden. Des Weiteren wird durch die straßennah und im äußeren Bereich des Fahrzeugs angeordneten Elektromotoren der Schwerpunkt des Fahrzeugs erniedrigt und seine Straßenlage zusätzlich stabilisiert.
  • In einem erfindungsgemäßen Hybridfahrzeug ist ein auf stationären Betrieb ausgelegter Motor vorgesehen. Hierbei bedeutet ,stationärer Betrieb' eine dauerhaft von dem Motor abrufbare Minimal-Leistung, welche gleich oder unwesentlich kleiner als die Summe der Leistungswerte der montierten Elektromotoren ist. Diese Minimalleistung steht in dem Erfindungsgemäßen Fahrzeug dauerhaft dem direkt angekoppelten Generator zur Verfügung.
  • Als Generator ist erfindungsgemäß ein Wechselstromgenerator vorgesehen.
  • Das erfindungsgemäße Hybridfahrzeug umfasst einer Starterbatterie, deren Leistung nur auf das zuverlässige Betreiben des Anlassers der Motor-Generator-Kombination ausgelegt ist. Die erfindungsgemäß ausgelegte Batterie wird daher im Folgenden auch als Starterbatterie bezeichnet. Eine so ausgelegte Batterie ist dadurch vergleichsweise klein und leicht. In Kombination mit einem für den stationären Motorbetrieb optimierten Generator wird eine höhere Energieausbeute bei deutlich niedrigerem Gewicht bereitgestellt.
  • Die separate Verbindung der einzelnen Elektromotoren mit dem zentralen Generator erlaubt die individuelle Ansteuerung bzw. Schaltung. So kann bei extremen Gelände mit unterschiedlicher Bodenhaftung die Leistung der einzelnen Elektromotoren radweise angepasst werden. Ebenso kann die Rückgewinnung überschüssiger Energie durch Bremskraft-Rekuperation radweise erfolgen. Durch individuell umpolbare Elektromotoren können auch während eines Bremsvorgangs Räder gezielt mit zusätzlicher Leistung beaufschlagt werden.
  • Eine erhöhte Ansteuerungsgeschwindigkeit kann durch die Verwendung von Thyristoren-Schaltungen erreicht werden. Im Gegensatz zu üblichen mechanischen Schaltmechanismen zeigen Thyristoren höhere Schaltgeschwindigkeiten und eine längere Haltbarkeit. In einem erfindungsgemäß mit einer elektronischen Steuerung versehenen Hybridfahrzeug, angebracht z. B. zwischen Generator und Elektromotor, erlauben die Thyristoren auch eine schnellere Adaption des Systems an die Geländeeigenschaften.
  • Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Hybridfahrzeug kann weiterhin mit radweise montierten Drehmoment- und Masseträgheits-Sensoren versehen werden. Dies erlaubt insbesondere bei Fahrzeugen mit Allradantrieb eine individuell und momentan auf jedes Rad abgestimmte, zusätzliche Leistungsbeaufschlagung durch den Elektromotor in Abhängigkeit der Geländeeigenschaften. Unter Einbeziehung der Bremskraft-Rekuperation kann radweise mit erhöhter Effektivität Energie zurückgewonnen werden.
  • Die räumliche Trennung von Elektroantrieb und Generator erlaubt die Verbindung des einzelnen Elektroantriebs durch ein individuell verlegbares Steuerungskabel. Im Gegensatz zur mechanischen Kraftübertragung über Achsen oder Getriebe kann die Kabelführung an Automobile unterschiedlichsten Designs ohne weiteres angepasst werden. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung eines Hybridfahrzeugs kostengünstig und äußerst einfach auf Fahrzeuge unterschiedlichsten Typs mit verschiedenen Abmessungen anpassbar. Weiterhin ist das Nachrüsten eines Fahrzeugs kostengünstiger und einfacher durchzuführen.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird anhand der Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen:
  • 1 Eine schematische Darstellung der Anordnung von Motor, Generator und radweise zugeordneten Elektroantrieben in einem vierrädrigen Hybridfahrzeug.
  • 2 Eine schematische Wiedergabe des Schaft- und Steuerungsprinzips unter Verwendung einer Thyristoren-Schaltung in einem 50 Volt Wechselstarkstrom-Netz
  • In einem erfindungsgemäßen Hybridfahrzeug 1, wie in 1 veranschaulicht, ist ein Verbrennungsmotor 5, hier für die Verbrennung von Dieselkraftstoff ausgelegt, direkt mit einem Generator 4 mit einer Leistung von 45 KW gekoppelt. Durch die direkte Verbindung von Generator 4 und Motor 5 entfallen längserstreckte Transmissionsachsen oder Getriebe. Generator 4 und Verbrennungsmotor 5 sind im Motorraum an der Vorderseite des Hybridfahrzeugs 1 gut zugänglich nebeneinander angeordnet. Jedes Rad 2 des Hybridfahrzeugs weist einen jeweils direkt damit verbundenen Elektromotor 3 mit einer Leistung von 1 kW auf. Jeder Elektromotor 3 ist mit einem getrennt geführten Steuerungskabel über eine Thyristorenschaltung 7 mit dem Generator 4 bzw. dem Verbrennungsmotor 5 verbunden. Generator 4 bzw. Verbrennungsmotor 5 sind wiederum an eine Starterbatterie 6 angeschlossen. Dadurch sind Generator 4, Thyristorenschaltungen 7 und Elektromotoren 3 in ein 50 V Wechsel-Starkstrom-Netz eingebunden. Im Betrieb werden die Räder 2 über die jeweiligen Thyristorenschaltungen 7 individuell mit Leistung beaufschlagt werden, um unebenes oder sehr unterschiedliches Gelände sicher überqueren zu können. So könnte z. B. das linke, vordere Rad 2 mit zusätzlichem Drehmoment beaufschlagt werden, während die anderen 3 Räder gebremst werden. Auch die direkte Umverteilung von rekuperierter Bremskraft eines Rades auf die anderen Räder, um dort zusätzliches Drehmoment aufzubringen, ist möglich.
  • Die Elektromotoren 3 sind über individuell an die Fahrzeugform anpassbare Leitungen mit dem Generator 4 verbunden. In einer weiteren Ausführungsform kann ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug ohne Weiteres dadurch erhalten werden, dass ein Generator 4 mit passenden Elektromotoren 3 in ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor integriert wird. So ist das Umrüsten eines reinen Verbrennungs-Motor-Fahrzeugs zum erfindungsgemäßen Hybridfahrzeug möglich.
  • Die Leistungsbeaufschlagung der einzelnen Elektromotoren erfolgt vorteilhaft über eine Thyristor-Steuerung, wobei jeder Elektromotor 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 als Dreiphasen-Elektromotor ausgebildet ist. Jede Phase ist mit einem Thyristor, vorzugsweise einem Zweirichtungs-Thyristor, verbunden. Dieser sogenannte Triac verhält sich ähnlich wie antiparallel geschaltete Thyristoren. Die Zündung erfolgt mit positivem oder negativem Gate-Strom unabhängig von der Polung der Anoden. In 3 ist ein Blockschaltbild für einen Zweirichtungs-Thyristor dargestellt, wie er vorzugsweise für die Steuerung einer Phase des mit dem Rad 2.1 verbundenen Elektromotors 3.1 verwendet wird.
  • Für jede Phase eines Motors wird ein Triacs benötigt.
  • In 2 ist eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs dargestellt. Die beiden Räder 2.1, 2.2 sind mit je einem Elektromotor 3.1, 3.2 verbunden. Die drei Phasen des Elektromotors 3.1 sind auf die Eingänge 9.1, 9.2, 9.3 der Thyristoren 7.1, 7.2, 7.3 gelegt. Jeder Thyristor ist wiederum mit dem Generator 4 verbunden, im Beispiel des Thyristors 7.3 über die Eingänge 8.1, 8.2.
  • Analog zu dem Schaltplan für den Elektromotor 3.1 sind die Schaltpläne für den Elektromotor 3.2 mit den Thyristoren 7.4, 7.5 und 7.6 dargestellt. Für die nicht dargestellten Räder 2.3, 2.4 verlaufen die Leitungen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 zu den Thyristoren 7.7 und 7.8 in analoger Weise.
  • Das bereits kurz erwähnte Blockschaltbild nach 3 zeigt einen Zweirichtungs-Thyristor, der als Triac ausgebildet ist. Die Eingänge 8.1, 8.2 sind für die aus dem Generator 4 entnommene Wechselspannung vorbereitet. Ausgangsseitig befindet sich ein Anschluss für die dritte Phase des Elektromotors 3.1, die in 2 das Bezugszeichen 9.3 trägt.
    • 1
    Hybridfahrzeug
    2
    Rad
    3
    Elektromotor
    4
    Generator
    5
    Verbrennungsmotor
    6
    Starterbatterie
    7
    Thyristorenschaltung

Claims (4)

  1. Hybridfahrzeug (1) mit vereinfachtem Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Rad (2) des Fahrzeugs mindestens jeweils ein direkt mit dem Rad (2) gekoppelter Elektromotor (3) angeordnet ist, dass jeder Elektromotor (3) separat mit Leistung beaufschlagbar und an einen Generator (4) angeschlossen ist, der mit einem stationär betreibbaren Verbrennungsmotor (5) verbunden ist, wobei Generator (4) und Verbrennungsmotor (5) mit einem Energiespeicher (6) verbunden sind.
  2. Hybridfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Thyristorenschaltung (7) leistungsregulierend zwischen den Elektromotoren (3) und dem Generator (4) angeordnet ist.
  3. Hybridfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Thyristorenschaltung (7) radweise zugeordnete Drehmoment- und/oder Masseträgheitssensoren aufweist.
  4. Hybridfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (3) und der Generator (4) über ein 50V Wechsel--Netz verbunden sind.
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