DE202011110572U1 - Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antrieb - Google Patents

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Abstract

Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem mit: wenigstens einer Primär-Antriebsmaschine (1), die wenigstens eine Primär-Antriebswelle (1.1) zur Aufnahme oder Abgabe einer Leistung aufweist, wenigstens einer Sekundär-Antriebsmaschine (2), die wenigstens eine Sekundär-Antriebswelle (2.1) zur Abgabe einer Leistung aufweist, eine Sekundär-Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8) welche wenigstens eine Eingangsseite (8.1) aufweist, die mit dieser Sekundär-Antriebswelle (2.1) verbunden ist und wenigstens eine Ausgangsseite (8.2), wobei durch diese Sekundär-Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8) die Beeinflussung eines von der Eingangsseite (8.1) eingeleiteten und von der Ausgangsseite (8.2) ausgeleiteten Drehmoments ermöglicht ist, wenigstens eine Energiespeichereinrichtung (5) wenigstens eine Abtriebseinrichtung (3) welche die von der Primär-Antriebsmaschine (1) und/oder die von der Sekundär-Antriebsmaschine (2) abgegebene Leistung dem Fahrzeug als Antriebsleistung zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens eine Primär-Antriebsmaschine (1) wenigstens in einem ersten Betriebszustand betreibbar ist, in welchem von der Primär-Antriebswelle (1.1) Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs abgegeben wird, sowie wenigstens in einem zweiten Betriebszustand, in welchem über die Primär-Antriebswelle (1.1) von der Sekundär-Antriebswelle (2.1) aufgenommene Leistung, wenigstens teilweise als Energie in der Energiespeichereinrichtung (5) speicherbar ist und dass das Verhältnis zwischen der Nennleistung der Primär-Antriebsmaschine (1) (PPA) und der Nennleistung der Sekundär-Antriebsmaschine (2) (PSA) im Bereich 0,5 < PPA/PSA < 10, bevorzugt im Bereich 0,8 < PPA/PSA < 5 und besonders bevorzugt im Bereich 1 < PPA/PSA < 3 liegt und, dass zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine (2) und der Abtriebseinrichtung (3) wenigstens ein Drehschwingungsdämpfer (7) angeordnet ist, welcher dazu vorgesehen ist, Drehschwingungen zu verringern.

Description

  • Der Entwicklung von straßengebundenen Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb oder gemischten Antrieben mit Elektromotor und Verbrennungskraftmaschine wird derzeit weltweit große Aufmerksamkeit zuteil. Dies liegt an den Bemühungen, die Schadstoff-Emissionen, die vom derzeitigen Straßenverkehr ausgehen und insbesondere den Ausstoß von CO2, zu reduzieren. Dabei steht der Wunsch im Vordergrund, innerhalb der Städte vollständig emissionsfrei mit Elektroantrieb fahren zu können.
  • Ferner werden heute für den Antrieb von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor praktisch ausschließlich fossile flüssige Kraftstoffe eingesetzt, deren Verfügbarkeit begrenzt ist. Es ist somit zu erwarten, dass die Preise für derartige Kraftstoffe in der Zukunft stark ansteigen werden, was die Notwendigkeit für alternative Antriebe ebenfalls erhöhen wird.
  • Das Angebot von am Markt frei erhältlichen Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb ist derzeit sehr gering. Frei verkäuflich ist z. B. der Tesla Roadster in den USA, der von einem Elektromotor mit 186 KW angetrieben wird und eine Batteriekapazität von insgesamt 53 KWh aufweist.
  • Verschiedene Fahrzeughersteller führen Flottenversuche mit reinen Elektrofahrzeugen durch, so z. B. BMW mit dem Baumuster ”Mini E”, der Presseveröffentlichungen zufolge einen Antrieb von 150 KW aufweist und über eine Batteriekapazität von 35 KWh verfügt.
  • Das Problem aller reinen Elektrofahrzeuge ist derzeit die begrenzte Reichweite. Auch bei der Verwendung von Hochleistungsbatterien ist es aufwendig, eine Reichweite von über 100 km zu erzielen.
  • Der amerikanische Automobilhersteller General Motors hat angekündigt (vgl. z. B. die deutsche Ausgabe von Wikipedia), Ende 2010 ein Elektrofahrzeug mit der Bezeichnung Chevrolet Volt auf den Markt zu bringen, welches als Elektrofahrzeug ausgelegt ist, aber zusätzlichen einen kleinen Verbrennungsmotor aufweist, der einen Generator antreibt, mit dem die Batterien wieder aufgeladen werden können. Nach den veröffentlichten Angaben soll das Fahrzeug im Elektrobetrieb eine Reichweite von bis zu 64 km haben. Der Verbrennungsmotor dient hier also zur Erhöhung der Reichweite und wird deshalb als ”Range Extender” bezeichnet. Das Konzept wird auch „serieller Hybridantrieb” genannt.
  • Eine andere Bauart von Fahrzeugen mit kombiniertem Antrieb sind die sogenannten Voll-Hybrid-Fahrzeuge. Diese sind heute schon in größeren Stückzahlen am Markt erhältlich.
  • Es ist üblich, dass neue und aufwendige Technologien zunächst in teuren Fahrzeugen eingesetzt werden. Deshalb wird nachfolgend als Beispiel für ein solches Hybridfahrzeug das Baumuster Lexus RX 400h von Toyota beschrieben. Dieses Fahrzeug weist einen quer eingebauten V6-Otto-Motor mit einem Hubraum von 3311 cm3 auf, der bei 5600 U/min. eine Leistung von 155 KW und bei 4400 U/min. ein Drehmoment von 288 Nm abgibt.
  • Zum Antrieb der Vorderachse dient ferner ein vorn eingebauter Elektromotor, der bei 4500 U/min. eine Leistung von 123 KW abgibt. Ein für den Antrieb der Hinterachse hinten vorgesehener Elektromotor gibt bei einer Drehzahl von 4610–5120 U/min. eine Leistung von 50 KW ab. Ferner weist der Antriebsstrang einen elektrischen Generator mit einer Leistung von 109 KW und eine Traktionsbatterie mit einer Kapazität von 1,9 kWh auf. Zur Summierung und Verteilung der Leistungen im Antriebsstrang kommen ein Planetengetriebe mit elektrisch kontinuierlich verstellbarem Drehzahlverhältnis, ein sogenanntes E-CVT-Planetengetriebe und ein Planetengetriebe zur Drehzahlanpassung des vorderen Elektromotors, ein sogenanntes Anpassungs-Planetengetriebe, zum Einsatz.
  • Der Antriebsstrang ist wie folgt gestaltet:
    Die Ausgangswelle des V6-Otto-Motor ist über einen Torsionsschwingungsdämpfer mit dem Steg des E-CVT-Planetengetriebes und die Ausgangswelle des elektrischen Generators mit der Sonnenradverzahnung des E-CVT-Planetengetriebes verbunden. Die Ausgangswelle des vorderen Elektromotors ist mit der Sonnenradverzahnung des Anpassungs-Planetengetriebes verbunden, das ein gemeinsames Hohlrad mit dem E-CVT-Planetengetriebe aufweist, welches beide Planetengetriebe miteinander verbindet.
  • Die auf dem Steg des E-CVT-Planetengetriebes bzw. auf dem Steg des Anpassungs-Planetengetriebes gelagerten Planeten kämmen mit den jeweiligen Sonnenradverzahnungen und dem gemeinsamen Hohlrad. Der Steg des Anpassungs-Planetengetriebes ist drehfest gelagert und kann somit keine Drehbewegung um seine Mittelachse ausführen.
  • Das gemeinsame Hohlrad weist, in radialer Richtung außen, eine Außenverzahnung auf, die mit einem Zahnrad einer Vorgelegegetriebestufe kämmt, welches mit einer Ausgangswelle mit einem Vorderachsdifferential verbunden ist. Über dieses Vorderachsdifferential wird die Antriebsleistung des V6-Otto-Motors und des vorderen Elektromotors an die Vorderräder verteilt.
  • Die Antriebsleistung des hinteren Elektromotors wird an die Hinterachse geleitet. Zwischen der Hinterachse und der Vorderachse besteht keine drehmomentleitende Verbindung.
  • Das E-CVT-Planetengetriebe ist das zentrale Element zum Steuern des Antriebsstrangs beim RX400h. Es wird während der Fahrt im Hinblick auf einen günstigen Wirkungsgrad gesteuert.
  • Das Drehzahlverhältnis zwischen dem Steg und dem Hohlrad des E-CVT-Planetengetriebes ist durch die Drehzahl der Sonnenradverzahnung veränderbar. Die Hohlraddrehzahl des E-CVT-Planetengetriebes ist proportional zur Fahrtgeschwindigkeit. Der V6-Otto-Motor wird zur Verbrauchsoptimierung in einem Drehzahlbereich mit möglichst hohem Wirkungsgrad betrieben. Aus dieser Anforderung ergibt sich ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen Steg und Hohlrad. Dieses Drehzahlverhältnis wird durch die Drehzahl des elektrischen Generators, welcher mit der Sonnenradverzahnung gekoppelt ist, eingestellt.
  • Daraus folgt im Fall des RX400h, dass, zum Betrieb des V6-Otto-Motors in einem Betriebspunkt mit hohem Wirkungsgrad, ein Teil der durch den V6-Otto-Motor erzeugten Antriebsleistung im elektrischen Generator in elektrische Leistung umgewandelt wird. Soll die so erzeugte elektrische Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden, muss diese wieder in mechanische Leistung gewandelt werden.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einem verbesserten Antrieb zur Verfügung zu stellen. Dieser Antrieb soll mit den heute bzw. kurzfristig verfügbaren technischen Mitteln insbesondere geringeren Verbrauch, geringere Emissionen und erhöhte Reichweite bieten.
  • Diese Aufgabe wirderfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Zu bevorzugende Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erfindungsgemäßes kombiniertes Antriebssystem ist Gegenstand des Anspruchs 28.
  • Der Stand der Technik wurde detailliert anhand eines Fahrzeuges mit einem Leergewicht von über 2000 kg und einer Gesamtleistung von über 200 KW beschrieben. Fahrzeuge dieser Gewichts- und Leistungsklasse stellen nur einen geringen Teil der gesamten Fahrzeugflotte eines Landes dar.
  • Deshalb wird die Erfindung nachfolgend insbesondere anhand einer Fahrzeugkonstruktion beschrieben, deren prozentualer Anteil einer Fahrzeugflotte eines Landes in der Regel erheblich höher ist, nämlich eines Kraftfahrzeuges mit einem Leergewicht von etwa 800 kg bis zu 1200 kg. Vorliegend ist das Leergewicht als Gewicht ohne Batterien zu verstehen. Derartige Fahrzeuge haben in der Regel 4 bis 5 Sitze für Erwachsene und weisen auch einen einigermaßen akzeptablen Kofferraum auf. Sie sind deshalb besonders auch als Fahrzeuge für Städte geeignet. Diese Fahrzeuge werden allgemein und auch vorliegend der sogenannten Kompaktklasse zugerechnet.
  • Es wird aber darauf hingewiesen, dass dieser Hinweis die Anwendung der Erfindung nicht beschränkt. Die Erfindung ist auch bei Fahrzeugen anwendbar, die ein geringeres oder ein höheres Gewicht aufweisen.
  • Unter einem Kraftfahrzeug ist im Sinne der Erfindung ist demzufolge ein Fahrzeug zu verstehen, welches insbesondere zum Transport von Personen und/oder Lasten vorgesehen ist.
  • Dazu zählen einspurige und insbesondere zweispurige Fahrzeuge und Fahrzeuge mit zwei oder mehr Achsen. Insbesondere zählen dazu Personenkraftwagen vom ein- oder zweisitzigen Kleinwagen bis hin zu den schwereren Fahrzeugen der Oberklasse, kleine und große Busse, sowie leichte und schwere Lastkraftwagen. Gerade bei leichten Lastkraftwagen, die häufig zur Beförderung von Lasten in Städten eingesetzt werden, lässt sich die Erfindung sehr vorteilhaft anwenden.
  • Unter einem kombinierten Antriebssystem ist eine Vorrichtung zum Antreiben dieses Kraftfahrzeugs zu verstehen.
  • Unter einer Primär-Antriebsmaschine ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere Antriebsleistung für das kombinierte Antriebssystem zur Verfügung stellt. Vorzugsweise ist die Primär-Antriebsmaschine als elektrische Maschine ausgebildet.
  • Unter einer Sekundär-Antriebsmaschine ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere eine Antriebsleistung für das kombinierte Antriebssystem zur Verfügung stellt. Die Sekundär-Antriebsmaschine ist vorzugsweise eine Verbrennungskraftmaschine.
  • Unter einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung ist eine Einrichtung zum Übertragen eines Drehmoments zu verstehen, welche in der Regel eine Eingangs- und eine Ausgangsseite aufweist. Eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung weist vorzugsweise zwei oder drei Betriebszustände auf. In einem ersten Betriebszustand wird Drehmoment von der Eingangs- auf die Ausgangsseite übertragen. In einem zweiten Betriebszustand wird im Wesentlichen kein Drehmoment übertragen. Gegebenenfalls wird in einem dritten Betriebszustand ein Drehmoment von der Ausgangs- auf die Eingangsseite übertragen.
  • Vorzugsweise sind diese wenigstens zwei Betriebszustände durch interne oder externe Steuerbefehle beeinflussbar. Externe Steuerbefehle werden von außerhalb der Drehmoment-Übertragungseinrichtung auf diese übertragen, interne Steuerbefehle werden innerhalb der Drehmoment-Übertragungseinrichtung erzeugt. Vorzugsweise werden die internen Steuerbefehle durch die Auswertung der Drehzahlen der Eingangs- und/oder der Ausgangsseite erzeugt. Interne Steuerbefehle können durch externe Steuerbefehle überlagert werden und umgekehrt.
  • Unter einer Energiespeichereinrichtung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche dazu vorgesehen ist, über einen gewissen Zeitraum eine Leistung aufzunehmen und diese Leistung zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Diese Energiespeichereinrichtung weist vorzugsweise drei Betriebszustände auf. In einem ersten Betriebszustand wird Energie zu der Energiespeichereinrichtung übertragen. In einem zweiten Betriebszustand wird vorzugsweise ein in der Energiespeichereinrichtung enthaltener Energieinhalt im Wesentlichen erhalten. In einem dritten Betriebszustand wird Leistung von der Energiespeichereinrichtung direkt oder indirekt insbesondere zur Primär-Antriebsmaschine übertragen.
  • Die Energiespeichereinrichtung ist vorzugsweise eine Sekundär-Batterie z. B. eine Nickel-Metallhydrid oder eine Lithium-Ionen Batterie. Es kommen aber auch andere Energiespeicher, z. B. Kondensatoren oder z. B. nach dem Schwungradprinzip arbeitende kinetische Speicher oder dergleichen in Frage.
  • Bei der Energiezufuhr zur Energiespeichereinrichtung werden vorzugsweise drei Modi unterschieden. Im ersten Modus erfolgt die Energiezufuhr durch eine externe Quelle (Plug in) bevorzugt konduktiv und/oder induktiv. Im zweiten Modus wird bevorzugt die Energiespeichereinrichtung von der Primär-Antriebsmaschine geladen, wobei sie von der Sekundär-Antriebsmaschine angetrieben wird (aktives Laden). Im dritten Modus erfolgt die Ladung durch Rekuperation beim Bremsen und dergleichen (passives Laden).
  • Unter einer Abtriebseinrichtung ist eine Entrichtung zu verstehen, welche in einem Kraftfahrzeug die Antriebsleistung zu wenigstens einem Antriebselement des Fahrzeugs leitet. Eine Abtriebseinrichtung kann vorzugsweise eine oder mehrere Drehmoment-Übertragungseinrichtungen, eine Getriebeeinrichtung und/oder eine Differentialgetriebeeinrichtung aufweisen.
  • Unter einer Getriebeeinrichtung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche wenigstens ein Getriebeeingangselement, ein Getriebeausgangselement und vorzugsweise ein Getriebegehäuse aufweist und dazu dient eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment zu wandeln.
  • Unter einem Antriebselement eines Fahrzeugs ist ein Element zu verstehen, welches die Antriebsleistung eines Kraftfahrzeugs auf den Untergrund überträgt. Vorzugsweise ist ein Antriebselement eines Fahrzeugs als Rad-/Reifenkombination ausgebildet.
  • Unter einem ersten Betriebszustand der Primär-Antriebsmaschine ist ein Zustand zu verstehen, in welchem diese an ihrer Primär-Antriebswelle Leistung abgibt.
  • Unter einem zweiten Betriebszustand der Primär-Antriebsmaschine ist ein Zustand zu verstehen, in welchem diese eine Leistung an ihrer Primär-Antriebswelle aufnimmt. Zur Leistungsaufnahme wird die Primär-Antriebswelle vorzugsweise durch eine äußere Kraft in Drehbewegung versetzt. Diese äußere Kraft wird dabei vorzugsweise durch die Sekundär-Antriebsmaschine beziehungsweise durch die Abtriebseinrichtung auf die Primär-Antriebswelle aufgebracht.
  • Ein weiteres Anliegen der Erfindung ist es, neben Verbrauch und Emissionen auch das sogenannte NVH-Verhalten des Fahrzeugs zu verbessern. NVH steht für Noise, Vibration, Harshness oder auf deutsch Geräusch, Vibration, Rauigkeit und kennzeichnet das Fahrzeugverhalten u. a. in bezug auf Schwingungen aus dem Antriebsstrang und dem Geräuschverhalten des Antriebs.
  • Beschreibung des Grundkonzepts
  • Die vorliegende Erfindung geht von einem Grundkonzept aus, welches im Rahmen der Offenbarung dieser Anmeldung abgewandelt werden kann.
  • Das Grundkonzept geht zunächst von der Annahme aus, dass die Batteriekapazität auch in naher Zukunft relativ teuer sein wird. Firmen, wie z. B. die Robert Bosch GmbH, nennen derzeit (Anfang 2010) einen Batteriepreis für die Lithium-Ionen-Batterie von 1.500,- Euro/kWh. Es wird angenommen, dass dieser Preis bei Erhöhung der Fertigungskapazität auf 500,- Euro/kWh sinkt, optimistische Annahmen gehen von bis zu 250,- Euro/kWh aus. Bei einer 50 kWh Batterie ist also auch bei optimistischer Annahme derzeit mit einem Preis von 25.000 bis 50.000 € zu rechnen.
  • Der Energieinhalt eines Liter Diesel beträgt 10 kWh, das sind 500 kWh für eine übliche Tankfüllung von 50 Litern. Für die Speicherung sind ca. 50 € für 50 Liter, zu veranschlagen.
  • Neben den Kosten ist auch das Gewicht ein Problem der Lithium-Ionen-Batterien. Bei dem Anfang 2010 in Detroit vorgestellten Prototypen Audi e-tron wird eine 400 kg schwere Lithium-Ionen-Batterie verwendet, die eine Kapazität von 45 kWh aufweist.
  • Üblicherweise geht man heute davon aus, dass bei einem Fahrzeug der hier bevorzugt beschriebenen Kompaktklasse eine Batteriekapazität von etwa 20 kWh ungefähr eine Reichweite von 100 km ermöglicht. Dies wird auch durch das bereits erwähnte Baumuster BMW Mini E bestätigt, der bei einer Batteriekapazität von 35 kWh eine Reichweite von ca. 150 km aufweist, die allerdings bei zusätzlicher Inanspruchnahme der Batterie durch Heizung oder Kühlung und häufige Beschleunigungsvorgänge deutlich gemindert wird. Auf der anderen Seite ist bekannt, dass – je nach Land und Region – der ganz überwiegende Teil der Fahrzeuge im Durchschnitt deutlich weniger als 100 km pro Tag zurücklegt. Ein Fahrzeug mit einer Reichweite von z. B. 400 km elektrisch anzutreiben, würde deshalb eine sehr teure und sehr schwere Batterie erfordern, die auch das Fahrverhalten des Fahrzeuges deutlich verschlechtern würde, ohne dass dies während der durchschnittlichen täglichen Nutzung besondere Vorteile brächte.
  • Auf der anderen Seite ist es für den Fahrzeugnutzer problematisch, die Verfügbarkeit seines Fahrzeugs und auch Komponenten, wie z. B. der Heizung, durch die Kapazität der Batterie eingeschränkt zu sehen. Letzteres gilt insbesondere aber nicht nur dann, wenn der Benutzer nur über ein einziges Fahrzeug verfügt. Der Ausflug am Wochenende kann dann mit dem Fahrzeug mangels Reichweite nicht durchgeführt werden.
  • Das hier erörterte Grundkonzept sieht deshalb vor, zusätzlich zum Elektroantrieb einen Verbrennungsmotor vorzusehen, der die Reichweite als sogenannter ”Range Extender” erweitert.
  • Das Grundkonzept sieht ferner vor, diesen Verbrennungsmotor zur Erhöhung der Antriebsleistung gemeinsam mit dem Elektromotor einsetzen zu können. Dies hat erhebliche Vorteile für die Auswahl sowohl des Elektromotors als auch des Verbrennungsmotors. Da Elektromotor und Verbrennungsmotor bei Beschleunigungsvorgängen gemeinsam wirken können, kann sowohl der Elektromotor als auch der Verbrennungsmotor in der Leistung kleiner gehalten werden als dies bei einem nur elektrischen oder nur verbrennungsmotorischen Antrieb möglich wäre.
  • Damit kann sowohl beim Elektromotor als auch beim Verbrennungsmotor deutlich Gewicht eingespart werden. Das Gewicht ist aber ein großes Problem bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen, da das Gewicht eines Elektromotors bei gleicher Leistung ca. doppelt so hoch ist wie das eines Verbrennungsmotors und das hohe Gewicht der Batterie zusätzlich zu berücksichtigen ist. Da das Gewicht eines Fahrzeugs aber eine entscheidende Größe für seinen Verbrauch ist, führt die dadurch erzielte Gewichtsreduzierung zu einem deutlich geringeren Verbrauch.
  • Die Verwendung eines kleineren Verbrennungsmotors erlaubt es ferner, dass der Verbrennungsmotor häufig in der Nähe seiner Leistungshöchstgrenze arbeitet. Da Verbrennungsmotoren im Teillastbereich vergleichsweise schlechte Verbrauchswerte haben, wird auch durch diese Maßnahme der Energieaufwand für die Fortbewegung weiter reduziert. Ein kleinerer Elektro- und ein kleinerer Verbrennungsmotor vermindern schließlich auch den Raumbedarf des Antriebs, was zumal bei Fahrzeugen in der Kompaktklasse von erheblicher Bedeutung für deren Brauchbarkeit ist.
  • Die Erfindung sieht insbesondere eine mechanische Kopplung von Primär-Antriebsmaschine und Sekundär-Antriebsmaschine, den sogenannten „mechanischen Durchtrieb” vor.
  • Das hier beschriebene Grundkonzept, bei welchem ein Elektromotor als Primär-Antriebsmaschine dient, aber ein Verbrennungsmotor als Sekundär-Antriebsmaschine mechanisch mit der Primär-Antriebsmaschine und der Abtriebseinrichtung zur Erzeugung eines mechanischen Durchtriebs verbunden ist, wird im Rahmen dieser Anmeldung als ”integrierter Range Extender” (IRE) bezeichnet. Der Begriff ”integriert” leitet sich daraus ab, dass der Verbrennungsmotor als Sekundär-Antriebsmaschine unmittelbar in den Fahrzeugantrieb integriert ist.
  • Bei dem im Hinblick auf den Stand der Technik beschriebenen seriellen Hybrid lädt die Verbrennungskraftmaschine nur die Batterie, ohne selbst an der Erzeugung des Antriebsmoments beteiligt zu sein. Dies hat zunächst den Vorteil, dass der Verbrennungsmotor beim Laden immer im Bereich seines besten Wirkungsgrades betrieben werden kann. Dem steht allerdings entgegen, dass der Bereich des besten Wirkungsgrades bei einem Verbrennungskraftmotor aus Effizienzgründen in den Bereich relativ hoher Drehzahlen gelegt wird. Bei einem solchen seriellen Hybrid läuft der Verbrennungsmotor somit auch dann mit hohen Drehzahlen, wenn sich das Fahrzeug im Ruhezustand befindet, z. B. beim Warten an einer Ampel. Dies könnte von den Benutzern unter dem zuvor erörterten Aspekt des NVH-Komforts als unangenehm empfunden werden.
  • Von Nachteil erscheint aber insbesondere, dass im Bereich der Reichweitenverlängerung die kinetische bzw. mechanische Energie des Verbrennungsmotors zunächst in elektrische Energie umgewandelt wird und dann darauffolgend im Elektromotor wieder in kinetische bzw. mechanische Energie zurückgewandelt wird. Diese doppelte Energieumwandlung bedeutet einen erheblichen Verlust an Wirkungsgrad und setzt die Effizienz eines solchen Systems herab.
  • Demgegenüber wird bei dem hier vorgestellten Grundkonzept des Fahrzeugs mit integriertem Range Extender (IRE) die im Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie unmittelbar über den mechanischen Durchtrieb zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet. Damit entfallen zwei Energieumwandlungsprozesse, wodurch sich der Wirkungsgrad erheblich erhöht.
  • Dem steht zwar entgegen, dass der Verbrennungsmotor in seiner Ausgangsdrehzahl unmittelbar bzw. über eine Getriebeeinrichtung mit der Abtriebseinrichtung des Fahrzeugs und damit letztendlich auch mit den Antriebselementen des Fahrzeugs, im Allgemeinen die Räder, gekoppelt ist. Deshalb muss der Verbrennungsmotor beim IRE in einem größeren Drehzahlbereich arbeiten als dies beim seriellen Hybrid der Fall ist. Dieser Nachteil wird aber zum einen durch den höheren Wirkungsgrad infolge des mechanischen Durchtriebs ausgeglichen. Zum anderen können heute bekannte Motoren, insbesondere bei entsprechender Variabilität von Kraftstoffeinspritzung, Zündzeitpunkt, Ventilsteuerzeiten und ggf. auch Hubraum so gesteuert werden, dass sie auch in einem weiten Drehzahlbereich mit hohem Wirkungsgrad arbeiten.
  • Falls beim IRE ein Betrieb gewünscht ist, bei dem, ähnlich wie beim seriellen Hybrid, ein Aufladen der Batterie auch im Stand möglich sein muss, kann dies auf einfache Weise erreicht werden, indem zwischen dem als Primär-Antriebsmaschine dienenden Elektromotor und der Abtriebseinrichtung bzw. an einer anderen Stelle des Antriebsstrangs eine schaltbare Kupplung eingebaut wird.
  • Der Nachteil einer möglicherweise geringeren Effizienz über den weiten Drehzahlbereich wird auch dadurch kompensiert, dass beim IRE der als Primär-Antriebsmaschine dienende Elektromotor auch als Generator zum Laden der Batterie herangezogen wird. Ein separater Generator, wie er beim seriellen Hybrid benötigt wird, entfällt damit.
  • Das Grundkonzept sieht ferner vorzugsweise vor, eine Getriebeeinrichtung mit wenigen Übersetzungsstufen, vorzugsweise zwei Übersetzungsstufen, zu verwenden und bevorzugt auch die Drehzahl des Elektromotors durch eine Getriebeeinrichtung zu verändern.
  • Durch diese Maßnahme werden gegenüber üblichen Hybridfahrzeugen, wie dem vorgenannten Baumuster Lexus RX 450h, die sehr aufwendigen Getriebe weitgehend eingespart. Dies führt zur Reduzierung des Gewichts, der Baukosten und des Raumbedarfs. Ferner kann durch diese Maßnahme ein Elektromotor verwendet werden, der ein geringeres Drehmoment bei höheren Drehzahlen aufweist, so dass auch hier eine weitere Reduzierung von Gewicht und Raumbedarf erzielt wird.
  • Das Grundkonzept sieht ferner vor, nur einen einzigen kombinierten Elektromotor/Generator zu verwenden. Auch durch diese Maßnahme kann Gewicht und Bauraum eingespart werden. Insbesondere bei Verwendung einer entsprechend gestalteten Getriebeeinrichtung ist es dadurch auch möglich, die als Motor und Generator dienende elektrische Maschine so auszulegen, dass sie jeweils im Bereich des günstigsten Wirkungsgrades arbeitet.
  • Die Auslegung des Elektromotors kann – muss aber nicht – weiter erleichtert werden, wenn in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Verbrennungsmotor mit einem separaten Anlasser, und besonders bevorzugt, auch mit einer separaten Lichtmaschine versehen ist. Dabei können Anlasser und Lichtmaschine auch kombiniert sein. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische Maschine, die im Rahmen des Grundkonzepts die Primär-Antriebsmaschine darstellt, hinsichtlich des Wirkungsgrades optimiert werden kann, ohne dass die Verwendung als Anlasser berücksichtigt werden muss. Das wiegt vorteilhaft den größeren Bau- und Gewichtsaufwand für den zusätzlich vorhandenen Anlasser und/oder die Lichtmaschine auf. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass im Rahmen des Grundkonzepts ein kleiner Verbrennungsmotor Verwendung findet, so dass ein kleinbauender Anlasser, und falls auch eine separate Lichtmaschine verwendet wird, auch diese kleinbauend ausgeführt werden kann, falls ihr nicht weitere Aufgaben, z. B. die Stromversorgung für den Antrieb von Nebenaggregaten zugewiesen werden.
  • Beim Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor spielen Schwingungen im Antriebsstrang eine erhebliche Rolle. Diese entstehen u. a. durch die Drehmomentspitzen, die durch die zeitlich aufeinanderfolgenden Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Zylindern entstehen. Ferner entstehen die Schwingungen bei Verwendung eines Hubkolbenmotors auch durch die Massenkräfte, die insbesondere durch die Geschwindigkeitswechsel der Kolben im oberen und unteren Totpunkt erzeugt werden. Diese Massenkräfte lassen sich bei 4-Zylinder-Motoren recht gut und bei 6-Zylinder-Reinmotoren und V-8-Motoren sehr gut beherrschen. Wenn aber zur Erhöhung der Effizienz ein kleinerer Verbrennungsmotor eingesetzt wird, dessen Hubraum vorzugsweise im Bereich von 1 Liter oder geringer liegt, wäre bei einer Ausbildung als 4-Zylinder-Motor das Zylindervolumen eines einzelnen Zylinders 250 ccm oder geringer. Dies würde die Effizienz der Verbrennung herabsetzen. In diesem Fall ist es deshalb zu bevorzugen, einen Motor mit geringerer Zylinderzahl, z. B. einen 3-Zylinder oder 2-Zylinder, zu verwenden. Wird ein solcher 2- oder 3-Zylinder-Motor oder gar ein 1-Zylinder-Motor verwendet, lassen sich die Massenkräfte nicht mehr so einfach ausgleichen wie bei 4- oder mehrzylindrigen Motoren. Ferner nehmen auch die Zündabstände ab, wenn man die Drehzahl des Motors nicht gegenüber heutigen üblichen Drehzahlen deutlich erhöhen wollte.
  • Das Grundkonzept schlägt deshalb ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des mechanischen Durchtriebs vor, den Verbrennungsmotor und Elektromotor auf der gleichen Welle anzuordnen und auf ein Anpassungsgetriebe, welches die Drehzahl des Elektromotors reduziert, zu verzichten. Bei dieser Ausgestaltung wird der Elektromotor vorzugsweise auch dazu verwendet, die Schwingungen im Antriebsstrang, die durch den Verbrennungsmotor entstehen, zu dämpfen. Dazu wird vorzugsweise eine Steuereinrichtung verwendet, die die durch die Verbrennung und durch die Massenkräfte entstehenden Drehmomentstöße des Verbrennungsmotors vorausberechnet, und im Elektromotor entsprechende Kompensations-Drehmomente oder Kompensations-Drehbewegungen oder Gegenschwingungen erzeugt. Kompensations-Drehmomente können auf einfache Weise elektrisch erzeugt werden, indem die Wicklung des Elektromotors mit einem entsprechenden Impuls beaufschlagt wird. Alternativ oder zusätzlich können Kompensations-Drehbewegungen am Gehäuse des Elektromotors erzeugt werden, indem dieses drehschwingungsfähig gelagert wird. Die Gegendrehbewegungen werden dann vorzugsweise auf elektrischem Weg erzeugt, insbesondere durch Induktionsgeber oder besonders bevorzugt durch piezoelektrische Geber. Bei beiden Bauarten kann durch einen elektrischen Impuls eine Längenveränderung erzeugt werden, die zu einer entsprechenden Drehbewegung des drehbeweglich angeordneten Gehäuses des Elektromotors führt.
  • Von besonderem Vorteil ist es bei beiden Varianten, wenn unmittelbar das Signal des Motorsteuergerätes für die Erzeugung der Gegenschwingung herangezogen werden kann. Im Motorsteuergerät wird zum einen der Zeitpunkt des nächsten Einspritzvorgangs festgelegt und zum anderen auch die Einspritzmenge. Aus diesen Daten lassen sich analytisch und/oder empirisch ermitteln, wie groß die mit der Verbrennung einhergehende Drehmomentstoßanregung ist und die entsprechende Gegenschwingung errechnen.
  • Die Daten der Motorsteuerung ergeben ein zuverlässiges Bild von den Drehschwingungen, die durch den Verbrennungsvorgang selbst entstehen. Drehschwingungen entstehen aber auch durch andere Erscheinungen im Antriebsstrang, insbesondere durch Resonanzen oder resonanzähnliche Erscheinungen. Diese können bei der Berechnung der Schwingungsanregung aus den Motorsteuerdaten mit berücksichtigt werden, indem sie z. B. empirisch zuvor erfasst werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, an einer oder mehreren Stellen des Antriebsstrangs Schwingungsgeber anzuordnen und deren Signale dazu heranzuziehen, die entsprechenden Kompensationsmaßnahmen zu berechnen. Die Daten dieses oder dieser Schwingungsgeber können gemeinsam mit den Daten der Motorsteuerung zur Berechnung der Schwingungskompensation herangezogen werden, es ist aber im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Daten dieser Schwingungsdämpfer allein heranzuziehen, ohne die Daten der Motorsteuerung zu berücksichtigen.
  • Neben separat angeordneten Schwingungsgebern ist es auch möglich, die Schwingungen unmittelbar aus Veränderungen im elektrischen Feld der Primär-Antriebsmaschine abzuleiten.
  • Weitere zu bevorzugende Ausgestaltungen
  • In einer bevorzugten Ausführungsform liegen vorzugsweise die Nennleistung der Primär-Antriebsmaschine, in der Regel der Elektromotor, und die Nennleistung der Sekundär-Antriebsmaschine, in der Regel der Verbrennungsmotor, in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Dabei kann eine Antriebsmaschine kurzfristig auch eine Leistung abgeben, die größer ist als die Nennleistung. Vorzugsweise liegt das Antriebsleistungsverhältnis der Primär-Antriebsmaschine zur Sekundär-Antriebsmaschine in einem Bereich von 0,5 bis 10 bevorzugt in einem Bereich von 0,8 bis 5 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 3. Besonders bevorzugt ist die Nennleistung der Primär-Antriebsmaschine größer als die Nennleistung der Sekundär-Antriebsmaschine.
  • Der Antrieb wird bei diesem Antriebsleistungsverhältnis vorzugsweise so gesteuert, dass zum Antrieb des Fahrzeugs im Wesentlichen die Primär-Antriebsmaschine verwendet wird. Dadurch wird die Sekundär-Antriebsmaschine häufig im Bereich ihrer Nennleistung oder besonders bevorzugt im Bereich eines hohen Wirkungsgrads betrieben.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das kombinierte Antriebssystem im Wesentlichen nur eine einzige Primär-Antriebsmaschine auf, welche vorzugsweise auch allein die aktiv erzeugte Energie zur Speicherung in der Energiespeichereinrichtung zur Verfügung stellt. Vorzugsweise wird Leistung der Primär-Antriebsmaschine, welche aus potentieller oder kinetischer Energie des Fahrzeugs stammt (passives Laden), in der Energiespeichereinrichtung gespeichert.
  • Dadurch, dass vorzugsweise nur eine einzige und nicht mehrere Primär-Antriebsmaschinen mit der Energiespeichereinrichtung verbunden sind, ergibt sich vorzugsweise ein wenig komplexes, einfacher zu steuerndes und effizientes kombiniertes Antriebssystem.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das kombinierte Antriebssystem vorzugsweise wenigstens eine Primär-Antriebsmaschine, eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung und eine Getriebeeinrichtung auf.
  • Eine Getriebeeinrichtung weist vorzugsweise ein und/oder zwei Getriebeeingangselemente und vorzugsweise ein und/oder zwei Getriebeausgangselemente auf. Vorzugsweise werden ein oder zwei Getriebeeingangselemente mit einer Leistungsquelle verbunden. Vorzugsweise wird ein Getriebeausgangselement mit einer Leistungssenke verbunden. Vorzugsweise unterscheidet sich die Drehzahl wenigstens eines Getriebeeingangselements von der Drehzahl wenigstens eines Getriebeausgangselements. Vorzugsweise wird die Primär-Antriebswelle und die Ausgangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung mit jeweils einem Getriebeeingangselement verbunden. Insbesondere Getriebeeinrichtungen stehen in vielen verschiedenen Bauformen zur Verfügung, so dass ein kombiniertes Antriebssystem mit einer Getriebeeinrichtung kostengünstig und/oder platzsparend aufgebaut werden kann.
  • In einer bevorzugt Ausführungsform ist das Drehzahlverhältnis zwischen der Drehzahl wenigstens eines Getriebeeingangselements und der Drehzahl wenigstens eines Getriebeausgangselements veränderbar. Vorzugsweise lässt sich dieses Drehzahlverhältnis wenigstens innerhalb eines bestimmten Bereichs kontinuierlich verändern. Vorzugsweise sind mehrere, bevorzugt ein bis vier und besonders bevorzugt zwei bis drei, diskrete Drehzahlverhältnisse einer Getriebeeinrichtung schaltbar. Vorzugsweise ist eine solche schaltbare Getriebeeinrichtung als ein Wechselgetriebe mit wenigstens zwei unterschiedlichen Zahnradpaaren, als eine Planetengetriebeeinrichtung oder als eine Doppelkupplungsgetriebeeinrichtung ausgebildet.
  • Durch die Verstellung des Drehzahlverhältnisses der Getriebeeinrichtung ist eine Anpassung der Drehzahlen der Antriebsmaschinen in einem Bereich mit hohem Wirkungsgrad und damit bevorzugt ein emissionsarmer und verbrauchseffizienter Betrieb (dieser) möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die drehmomentleitende Verbindung zwischen der Primär-Antriebswelle und der Getriebeeinrichtung unterbrechbar, so dass zwischen diesen kein Drehmoment übertragen wird. Vorzugsweise ist zwischen der Primär-Antriebsmaschine und der Getriebeeinrichtung eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung angeordnet, die bevorzugt als Kupplung und besonders bevorzugt als schaltbare Kupplung oder als automatisch schaltende Kupplung ausgeführt ist Schaltbare Kupplungen können durch einen Steuerbefehl von einem ersten Betriebszustand, in welchem ein Drehmoment übertragen wird, in einen zweiten Betriebszustand gebracht werden, in welchem kein Drehmoment übertragen wird, oder umgekehrt. Bei der schaltbaren Kupplung kann vorzugsweise ein externer Steuerbefehl vorgegeben und damit der Betriebszustand gewechselt werden. Bei der automatisch schaltenden Kupplung kann vorzugsweise ein interner Steuerbefehl generiert werden. Vorzugsweise wird dazu die Drehzahl der Eingangsseite und/oder die Drehzahl der Ausgangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung ausgewertet. Stehen diese Drehzahlen in einem bevorzugten Verhältnis und/oder über- und oder unterschreitet eine dieser Drehzahl eine vorbestimmte Drehzahl, wird vorzugsweise ein interner Steuerbefehl generiert und die automatisch schaltende Kupplung kann ihren Betriebszustand wechseln. Vorzugsweise ist eine automatisch schaltende Kupplung als eine Freilauf oder eine Fliehkraftkupplung ausgebildet. Statt einer Steuerung über die Drehzahl kann vorzugsweise auch eine Steuerung über das Drehmoment und/oder über Drehzahl und Drehmoment gemeinsam erfolgen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Primär-Antriebsmaschine ein elektromechanischer Energiewandler, in dem elektrische Energie in mechanische bzw. kinetische Energie umgewandelt wird und/oder mechanische bzw. kinetische Energie in elektrische Energie.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Primär-Antriebsmaschine ein elektromechanischer Energiewandler, welcher durch ein ständig um eine Rotationsachse rotierendes magnetisches Feld betrieben wird. Dieses magnetische Feld wird vorzugsweise durch wenigstens einen oder mehrere zueinander phasenversetzte Ströme und/oder durch mehrere zueinander versetzte elektromagnetische Spulen hervorgerufen, und bildet vorzugsweise ein magnetisches Drehfeld aus. Vorzugsweise fallen die Rotationsachse dieses Drehfeldes und die Primär-Antriebswelle im Wesentlichen zusammen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drehzahl der Primär-Antriebswelle gleich der Drehzahl des Drehfeldes. Vorzugsweise ist die Primär-Antriebsmaschine ein Synchronmotor/-generator. Ein Synchronmotor/-generator weist insbesondere einen größeren Wirkungsgrad auf, als andere Drehfeldmaschinen. Vorzugsweise wird durch diesen hohen Wirkungsgrad die Reichweite des Fahrzeugs positiv beeinflusst. Das Massenträgheitsmoment eines Synchronmotors/-generators ist im Vergleich zu anderen Drehfeldmaschinen gering. Durch dieses geringe Massenträgheitsmoment wird vorzugsweise ein günstiges instationäres Drehzahlverhalten des kombinierten Antriebsstrangs erreicht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Drehzahl der Primär-Antriebswelle geringer als die Drehzahl des Drehfeldes. Vorzugsweise ist die Primär-Antriebsmaschine als ein Asynchronmotor/-generator ausgebildet. Ein Asynchronmotor/-generator kann insbesondere einfacher als andere Drehfeldmaschinen im Vierquadrantenbetrieb betrieben werden. Durch den einfach realisierbaren Vierquadrantenbetrieb wird vorzugsweise die Energierückgewinnung beim Abbremsen des Fahrzeugs erleichtert und damit die Reichweite erhöht. Die Drehzahl-/Drehmomentregelung eines Asynchronmotors/-generators ist im Vergleich zu anderen Drehfeldmaschinen einfach. Durch die Einfachheit dieser Regelung kann vorzugsweise eine kleine und leichte Leistungselektronik für den Asynchronmotor/-generator eingesetzt und damit das Gesamtgewicht des Fahrzeugs niedrig gehalten werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Primär-Antriebsmaschine ein Transversalflussmotor/-generator. Ein Transversalflussmotor/-generator weist insbesondere unverkettete Drehstromwicklungen auf, welche ringförmig-konzentrisch zur Welle angeordnet sind. Vorzugsweise ergibt sich so eine transversale Magnetkreisanordnung in Einzelkreisen. Ein Transversalflussmotor/-generator weist eine hohe Leistungsdichte und einen guten Wirkungsgrad auf und ist damit besonders für mobile Anwendungen, bevorzugt für ein kombiniertes Antriebssystem, geeignet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Primär-Antriebmaschine ein Reluktanzmotor/-generator. Ein Reluktanzmotor/-generator weist insbesondere mehrere am Umfang verteilte elektromagnetische Spulen auf, welche mit ihrer Symmetrieachse im Wesentlichen sternförmig auf die Abtriebswelle des Reluktanzmotor/-generators ausgerichtet sind. Durch diesen einfachen Aufbau ist insbesondere die Ansteuerung eines Reluktanzmotor/-generators gegenüber Drehfeldmaschinen vereinfacht. Diese einfache Ansteuerbarkeit des Reluktanzmotor/-generators führt zu einem besseren instationären Drehzahlverhalten des kombinierten Antriebsstrangs als mit anderen elektromechanischen Energiewandlern möglich wäre.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Primär-Antriebsmaschine als Gleichstrommotor/-generator ausgebildet. Ein Gleichstrommotor/-generator weist insbesondere ein gut bekanntes und einfach beschreibbares Drehzahl-/Drehmomentverhalten auf. Der Gleichstrommotor/-generator ist einfacher regelbar als andere elektromechanische Energiewandler. Durch diese einfache Regelbarkeit ist ein kombiniertes Antriebssystem mit geringem Gewicht und großer Reichweite erreichbar.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Primär-Antriebsmaschine ein Wechselstrommotor/-generator, vorzugsweise ein Einphasen Synchronmotor/-generator. Ein Wechselstrommotor/-generator weist gegenüber anderen elektromechanischen Energiewandlern einen einfachen Aufbau auf. Durch diesen einfachen Aufbau wird ein geringes Gewicht des Fahrzeugs erreicht.
  • Dadurch, dass mit dem elektromechanischen Energiewandler eine Energiewandlung von elektrischer in kinetische Energie und zurück ermöglicht wird, kann vorzugsweise Antriebsleistung, welche dem Fahrzeug zunächst zugeführt wird und in diesem als kinetische und/oder potentielle Energie gespeichert ist, zu einem späteren Zeitpunkt wieder in elektrische Energie gewandelt und gespeichert werden. Somit wird der Verbrauch des Fahrzeugs gesenkt und die Reichweite erhöht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundär-Antriebsmaschine eine Verbrennungskraftmaschine. Unter einer Verbrennungskraftmaschine ist ein Energiewandler zu verstehen, in welchem chemisch gebundene Energie in kinetische Energie gewandelt wird. Diese Energiewandlung beruht vorzugsweise auf einer exothermen Verbrennung. Diese exotherme Verbrennung wird vorzugsweise als äußere oder innere Verbrennung ausgeführt.
  • Vorzugsweise liegt das maximale Volumen eines einzelnen Brennraums in einem Bereich zwischen 100 Kubikzentimeter (ccm) bis 2000 ccm, bevorzugt in einem Bereich von 300 ccm bis 800 ccm und besonders bevorzugt ist es im Wesentlichen 500 ccm. Dadurch ergibt sich bei bestimmten Motorbauformen ein besonders günstiges Verhältnis von Brennraumvolumen zu Brennraumoberfläche. Durch einen vorzugsweisen volumenveränderlichen Brennraum wird eine emissionsarme Verbrennung erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundär-Antriebsmaschine als Hubkolbenmotor ausgebildet. Der Hubkolbenmotor weist vorzugsweise eine Zylinderanzahl kleiner oder gleich vier, bevorzugt kleiner oder gleich drei oder besonderes bevorzugt zwei oder eins auf. Vier oder zwei Zylinder haben den Vorteil eines guten Massenausgleichs. Bei drei Zylindern ergibt sich ein günstiger Zündabstand. Vorzugsweise bewegen sich die Zylinder des Hubkolbenmotors in einer Ebene und/oder gegenläufig. Vorzugsweise wird durch diese gegenläufige Bewegung ein Ausgleich der im Wesentlichen durch die Kolbenbewegung entstehenden Massenkräfte ohne zusätzliche Massen erreicht.
  • Besonders bevorzugt ist ein solcher Hubkolbenmotor als Zwei-Zylinder-Boxermotor oder als V-Motor mit einem Zylinderbankwinkel von im Wesentlichen 180° ausgeführt.
  • Wird ein kleiner und damit leichter Hubkolbenmotor verwendet, bleibt das Gewicht des kombinierten Antriebssystems niedrig und es wird somit eine große Reichweite des Fahrzeugs begünstigt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundär-Antriebsmaschine eine Verbrennungskraftmaschine mit einem frei beweglichen Kolben, wobei sich dieser Kolben innerhalb eines Zylinders bewegt. Diese Bewegung des Kolbens wird vorzugsweise im Wesentlichen von außen nicht beeinflusst. Im Wesentlichen kann sich dieser Kolben damit ohne mechanische Zwangsführung von außen bewegen. Eine solche Verbrennungskraftmaschine mit frei beweglichem Kolben ist vorzugsweise ein Freikolbenmotor. Zum Ausgleich der auftretenden Massenkräfte eines Kolbens des Freikolbenmotors wird vorzugsweise ein zweiter, sich gegenläufig bewegender Kolben verwendet oder bevorzugt eine andere geeignete Einrichtung. Ein Freikolbenmotor stellt eine kompakte Antriebsmaschine mit hohem Wirkungsgrad und geringem Gewicht dar.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundär-Antriebsmaschine ein Kreiskolbenmotor, vorzugsweise ein Wankelmotor. Vorzugsweise weist der Kreiskolbenmotor einen oder zwei Kreiskolben auf. Durch einen Kreiskolbenmotor wird vorzugsweise ein ruhiger Lauf der Sekundär-Antriebsmaschine erreicht, so dass bevorzugt nur eine leichte zusätzliche Einrichtungen zur Dämpfung von Schwingungen und des Geräuschs der Sekundär-Antriebsmaschine vorgesehen sind. Dadurch wird vorzugsweise ein geringes Gewicht des kombinierten Antriebssystems erreicht und somit ein niedriger Verbrauch.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundär-Antriebsmaschine eine Strömungs- oder Turbomaschine mit innerer Verbrennung. Eine Strömungs- oder Turbomaschine mit innerer Verbrennung weist wenigstens einen Verdichter und eine Brennkammer auf. Vorzugsweise ist die Sekundär-Antriebsmaschine eine Gasturbine. Durch eine Gasturbine lässt sich vorzugsweise eine vibrationsarme Umwandlung der chemisch gebundenen Energie in mechanische Energie erreichen. Gegenüber anderen Verbrennungskraftmaschinen weist die Gasturbine insbesondere ein günstiges Emissionsverhalten und eine hohe Leistungsdichte auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundär-Antriebsmaschine eine Strömungsmaschine mit äußerer Verbrennung. Eine solche Strömungsmaschine weist wenigstens einen ersten Bereich auf, in welchem chemischgebundene Energie in thermische Energie umgewandelt und auf ein Arbeitsmedium übertragen wird und einen zweiten Bereich in welchem dem Arbeitsmedium seine Energie wenigstens teilweise wieder entzogen wird. Vorzugsweise ist die Sekundär-Antriebsmaschine mit äußerer Verbrennung eine Dampfturbine mit Dampferzeuger. Durch eine Dampfturbine lässt sich vorzugsweise eine vibrationsarme Umwandlung der chemischgebundenen Energie in mechanische Energie erreichen. Gegenüber anderen Verbrennungskraftmaschinen weist die Dampfturbine insbesondere ein günstiges Emissionsverhalten auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundär-Antriebsmaschine eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Anhand des Ladungswechselverhaltens lassen sich wenigstens zwei Arten von solchen Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung unterscheiden. Zum einen kann die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie durch einen Ladungswechsel erfolgen. Zum anderen kann die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie ohne einen Ladungswechsel erfolgen.
  • Wird die thermische Energie in mechanische Energie ohne einen Ladungswechsel umgewandelt, weist die Sekundär-Antriebsmaschine im Wesentlichen wenigstens einen Hohlraum mit wenigstens zwei Bereichen auf. In einem ersten Bereich dieses Hohlraums wird einem Arbeitsmedium thermische Energie zugeführt und in einem zweiten Bereich dieses Hohlraums wird diesem Arbeitsmedium thermische Energie entzogen. Vorzugsweise ist eine solche Wärmekraftmaschine ohne Ladungswechsel ein Heißgasmotor, insbesondere ein Stirling-Motor.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die thermische Energie in mechanische Energie in einer Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung und mit einem Ladungswechsel umgewandelt. Eine solche Wärmekraftmaschine weist vorzugsweise wenigstens einen Zylinder, wenigstens einen Kolben und ein Arbeitsmedium auf. Vorzugsweise wird dieser Kolben durch das Arbeitsmedium in dem Zylinder in Bewegung versetzt. Bei dieser Kolbenbewegung wird vorzugsweise das Arbeitsmedium regelmäßig aus dem Zylinder ausgestoßen. Vorzugsweise ist eine solche Wärmekraftmaschine eine Kolbendampfmaschine.
  • Die bei diskontinuierlichen Fahrsituationen, wie zum Beispiel bei Anfahr- oder Überholvorgängen, zusätzlich benötigte Antriebsleistung kann bei einem kombinierten Antriebssystem in vorteilhafterweise von der Primär-Antriebsmaschine bereitgestellt werden, während die Sekundär-Antriebsmaschine vorzugsweise in ihrem optimalen Betriebspunkt mit geringen Schadstoffemissionen betrieben wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sekundär-Antriebsmaschine, und insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine eine Starteinrichtung auf. Vorzugsweise ist eine Starteinrichtung ein elektromechanischer Energiewandler insbesondere ein Anlasser. Vorzugsweise ist die Starteinrichtung unabhängig von der Primär-Antriebsmaschine betreibbar. Vorzugsweise wird die Sekundär-Antriebsmaschine durch die Starteinrichtung auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erreicht ein Kraftfahrzeug mit einem kombiniertem Antriebssystem vorzugsweise in der Ebene eine Primär-Reichweite im Bereich von im Wesentlichen 10 km bis 400 km, bevorzugt von im Wesentlichen 20 bis 200 km und besonders bevorzugt von im Wesentlichen 40 bis 100 km und ganz besonders bevorzugt von im Wesentlichen 100 km.
  • Unter der Primär-Reichweite ist die Reichweite zu verstehen, welche das Kraftfahrzeug erreicht, wenn dem Kraftfahrzeug von außen keine Energie zugeführt wird und wenn die Sekundär-Antriebsmaschine nicht zur Energieerzeugung genutzt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird elektrische Energie vorzugsweise in chemisch gebundener Form in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert. Diese elektrische Energiespeichereinrichtung ist vorzugsweise als Sekundärbatterie (d. h. Akkumulator) ausgeführt. Die elektrische Energiespeichereinrichtung weist vorzugsweise eine Speicherkapazität von im Wesentlichen zwei bis 80 kWh, bevorzugt von im Wesentlichen drei bis 30 kWh und besonders bevorzugt von im Wesentlichen vier bis zehn kWh auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem von außerhalb des Fahrzeugs Energie zuführbar. Vorzugsweise ist diese zuführbare Energie elektrische Energie. Vorzugsweise weist das Kraftfahrzeug zum Zuführen der elektrischen Energie eine Schnittstelle auf. Die Energiezufuhr erfolgt bevorzugt konduktiv, insbesondere durch eine Steckverbindung oder, ebenfalls bevorzugt, induktiv, bevorzugt beim Stillstand des Fahrzeugs oder aber auch bei dessen Bewegung, insbesondere durch Induktionseinrichtungen, die in, neben oder über der Fahrbahn angeordnet sind. Diese Induktionseinrichtung weisen vorzugsweise elektrische Leiter auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Primär- und die Sekundär-Antriebsmaschine im Wesentlichen in einem Bereich mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben. Der Wirkungsgrad der Antriebsmaschinen hängt in der Regel von der Drehzahl ihrer Antriebswelle ab. Zum Anpassen der Drehzahlen der Antriebswellen an die Fahrtgeschwindigkeit und die Wirkungsgraderfordernisse weist das kombinierte Antriebssystem vorzugsweise eine Getriebeeinrichtung bevorzugt mit mehreren festen Übersetzungsstufen auf. Eine Übersetzungsstufe ist vorzugsweise durch das Verhältnis der Drehzahlen zwischen wenigstens einem Getriebeeingangselement und wenigstens einem Getriebeausgangselement gekennzeichnet. Vorzugsweise weist diese Getriebeeinrichtung vier, bevorzugt drei und besonders bevorzugt zwei Übersetzungsstufen auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Getriebeeinrichtung als Umlaufgetriebe ausgeführt. Ein Umlaufgetriebe ist vorzugsweise ein Planetengetriebe mit vorzugsweise drei Wellen, welches vorzugsweise ein Sonnenrad, ein Hohlrad, einen Planentenradträger und wenigstens einen Planeten aufweist. Als diese drei Wellen des Planetengetriebes sind vorzugsweise das Sonnenrad, das Hohlrad und der Planetenradträger aufzufassen.
  • Bei Verwendung eines Planetengetriebes ist die Primär-Antriebswelle wahlweise mit dem Sonnenrad und/oder mit dem Planetenradträger direkt oder indirekt verbindbar. Vorzugsweise treibt die Sekundär-Antriebswelle wahlweise den Planetenradträger und/oder das Sonnenrad an oder ist vom Planetengetriebe abgekoppelt. Die Verbindung der Primär-Antriebswelle mit dem Sonnrad und/oder dem Planetenradträger wird vorzugsweise mit wenigstens einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung beeinflusst. Der Leistungsfluss von der Sekundär-Antriebswelle zum Planetenradträger und/oder zum Sonnenrad wird vorzugsweise durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung beeinflusst.
  • Vorzugsweise dient das Hohlrad des Planetengetriebes als Getriebeausgangselement.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Getriebeeinrichtung ebenfalls als Planetengetriebe ausgeführt. Der Planetenradträger dient hier aber als Getriebeausgangselement. Vorzugsweise ist das Hohlrad drehfest gelagert und kann keine Drehbewegung um seine Mittelachse ausführen. Vorzugsweise ist die Primär-Antriebswelle wahlweise mit dem Sonnenrad und/oder mit dem Planetenradträger verbindbar. Vorzugsweise treibt die Sekundär-Antriebswelle wahlweise das Sonnenrad an oder leitet keine Leistung an das Planetengetriebe. Die Verbindung der Primär-Antriebswelle mit dem Sonnrad und/oder dem Planetenradträger wird vorzugsweise mit wenigstens einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung beeinflusst. Der Leistungsfluss von der Sekundär-Antriebswelle zum Planetenradträger wird vorzugsweise durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung beeinflusst.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist ein Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebsystem eine Getriebeeinrichtung mit wenigstens einer Übersetzungsstufe mit einem hohen Wirkungsgrad auf. Vorzugsweise ist diese Getriebeeinrichtung als Planetengetriebe ausgeführt. In einem Planetengetriebe können vorzugsweise wenigstens zwei Wellen miteinander verbunden werden. Als Wellen sind vorzugsweise das Sonnenrad oder die Sonnenradwelle, das Hohlrad oder die Hohlradwelle sowie der Planetenradträger aufzufassen. Vorzugsweise wird das Hohlrad mit dem Sonnenrad oder bevorzugt das Hohlrad mit dem Planetenradträger oder das Sonnenrad mit dem Planetenradträger verbunden. Das Planetengetriebe weist insbesondere einen hohen Wirkungsgrad auf, wenn sich zwei dieser Wellen mit gleicher Drehzahl bewegen und das Übersetzungsverhältnis zwischen einem Getriebeeingangselement und einem Getriebeausgangselement des Planetengetriebes 1:1 ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem eine Getriebeeinrichtung mit einem veränderbaren Drehzahlverhältnis auf. Die Getriebeeinrichtung weist vorzugsweise eine erste Getriebeeingangsdrehzahl, eine zweite Getriebeeingangsdrehzahl sowie eine Getriebeausgangsdrehzahl auf. Das Drehzahlverhältnis zwischen der zweiten Getriebeeingangsdrehzahl und der Getriebeausgangsdrehzahl wird vorzugsweise durch die erste Getriebeeingangsdrehzahl bestimmt. Vorzugsweise wird die zweite Getriebeeingangsdrehzahl mit der ersten Getriebeeingangsdrehzahl überlagert. Durch diese Drehzahlüberlagerung wird vorzugsweise eine kontinuierliche Verstellung des Drehzahlverhältnisses ermöglicht. Die Getriebeeinrichtung mit veränderbarem Drehzahlverhältnis weist wenigstens ein erstes Getriebeeingangselement, ein zweites Getriebeeingangselement sowie ein Getriebeausgangselement auf. Das erste Getriebeeingangselement ist vorzugsweise mit der Primär-Antriebswelle verbindbar. Das zweite Getriebeeingangselement ist vorzugsweise mit der Sekundär-Antriebswelle verbindbar. Durch das kontinuieriich anpassbare Drehzahlverhältnis kann vorzugsweise die Sekundär-Antriebsmaschine in einem Betriebsbereich mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Durch den Betrieb in einem wirkungsgradgünstigen Betriebsbereich wird vorzugsweise ein emissionsarmer Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Primär-Antriebswelle und die Sekundär-Antriebswelle koaxial und/oder fluchtend zueinander angeordnet. Durch diese Art der Wellenausrichtung wird vorzugsweise ein einfacher Aufbau des kombinierten Antriebssystem ermöglicht. Durch den einfachen und damit gewichtssparenden Aufbau des kombinierten Antriebssystems wird vorzugsweise ein effizienter Betrieb des Kraftfahrzeugs erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leistung von der Primär-Antriebswelle zu einem Antriebselement des Fahrzeugs oder umgekehrt umwandlungsfrei übertragen. Bevorzugt wird die Leistung von der Sekundär-Antriebswelle umwandlungsfrei zu wenigstens einem Antriebselement des Fahrzeugs übertragen.
  • Unter dem umwandlungsfreien Übertragen der Leistung ist zu verstehen, dass eine mechanische Leistung während ihrer Übertragung nicht in eine andere Form der Leistung, umgewandelt wird insbesondere nicht in elektrische Leistung. Die mechanische Leistung wird vorzugsweise dann umwandlungsfrei übertragen, wenn das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl während der Übertragung im Wesentlichen konstant bleibt. Vorzugsweise ist die Sekundär-Antriebswelle durch eine Getriebeeinrichtung und/oder durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung mit einem Antriebselement des Fahrzeugs verbindbar, dadurch wird vorzugsweise ein vollständiger mechanischer Durchtrieb hergestellt und ein hoher Wirkungsgrad für das kombinierte Antriebssystem erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform können die Drehmomentflüsse des kombinierten Antriebssystems durch Drehmoment-Übertragungseinrichtungen so beeinflusst werden, dass sich ein hoher Wirkungsgrad des Antriebssystems ergibt. Das kombinierte Antriebssystem weist dazu vorzugsweise eine, zwei, drei oder mehr Drehmoment-Übertragungseinrichtungen auf.
  • Bevorzugt sind die Drehmoment-Übertragungseinrichtungen aus einer Gruppe verschiedenartiger Drehmoment-Übertragungseinrichtungen ausgewählt. Diese Gruppe umfasst mechanische Kupplungen und Bremsen, welche wenigstens teilweise Kräfte aufgrund von Festkörperreibung oder aufgrund von hydrodynamischen oder hydrostatischen Effekten übertragen und/oder berührungslose Kupplungen und Bremsen, welche Kräfte aufgrund von magnetischen oder elektrischen Effekten übertragen.
  • Unter mechanischen Kupplungen und Bremsen sind vorzugsweise solche Kupplungen zu verstehen, welche nach dem Prinzip des Form- oder Reibschlusses arbeiten. Reibschlüssige Kupplungen lassen sich insbesondere nach der Ausbildung der Reibflächen einteilen. Vorzugsweise weist die Gruppe der mechanischen Kupplungen Backen-, Kegel-, Scheiben-(Einscheiben-, Mehrscheiben-, Lamellen-) und Schlingenbandkupplungen und sowohl nass- als auch trockenlaufende Drehmoment-Übertragungseinrichtungen auf.
  • Dabei können die Drehmoment-Übertragungseinrichtungen auch schlupfgesteuert sein. Unter dem Schlupf ist das Verdrehen der Eingangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung gegenüber der Ausgangsseite zu verstehen.
  • Die Kupplungen und Bremsen können ferner aus einer Gruppe hydraulischer Kupplungen ausgewählt sein. Zu den hydraulischen Kupplungen zählen insbesondere hydrodynamische Drehmomentwandler mit und ohne Überbrückungskupplung. Unter hydraulischen Kupplungen sind vorzugsweise auch Kupplungen zu verstehen, welche Drehmomente wenigstens teilweise aufgrund der Scherreibung von Flüssigkeiten übertragen. Vorzugsweise können hydraulische Kupplungen eine Füllmengenregelung aufweisen.
  • Eine mechanische Kupplung oder Bremse kann eine Füllung mit einem ferromagnetischen Medium auf. Durch Fließen eines Stroms ergibt sich ein magnetischer Fluss, welcher die Eigenschaften des ferromagnetischen Mediums ändert. Vorzugsweise weist die Gruppe der magnetischen Drehmoment-Übertragungseinrichtungen auch Magnetpulverkupplungen und -bremsen aufweisen.
  • Vorzugsweise weist die Gruppe der berührungslosen Drehmoment-Übertragungseinrichtungen Kupplungen und Bremsen auf, bei welchen durch einen permanent- oder elektromagnetischen Bereich der Drehmoment-Übertragungseinrichtung ein elektrischer Strom und/oder einen magnetischen Fluss in einem anderen Bereich der Drehmoment-Übertragungseinrichtung induziert wird, insbesondere ein Wirbelstrom. Vorzugsweise durch diesen induzierten Strom üben diese beiden Bereiche Kräfte aufeinander aus. Vorzugsweise ist somit ein Drehmoment von der Eingangsseite auf die Ausgangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung übertragbar.
  • Vorzugsweise weist die Gruppe der berührungslosen Drehmoment-Übertragungseinrichtungen Kupplungen- und Bremsen auf, welche wenigstens teilweise mit einem Medium befüllt sind, welches durch das Anlegen einer Spannung das Drehmomentübertragungsverhalten der Drehmoment-Übertragungseinrichtung verändert. Vorzugsweise weist die Gruppe der berührungslosen Drehmoment-Übertragungseinrichtungen Kupplungen und Bremsen auf, welche elektrorheologische Flüssigkeiten enthalten.
  • Vorzugsweise kann eine Drehmoment-Übertragungseinrichtungen aus einer Gruppe von Überholkupplungen ausgewählt sein. Unter Überholkupplungen sind insbesondere Freiläufe zu verstehen. Unter einem Freilauf ist eine Einrichtung zu verstehen, welche die Drehung eines Elements des kombinierten Antriebssystems nur in eine Drehrichtung zulässt. Vorzugsweise kann es sich um schaltbare und nicht-schaltbare Freiläufe handeln. Ein schaltbarer Freilauf weist insbesondere zwei Betriebszustände auf. In einem ersten Betriebszustand lässt der Freilauf eine Drehbewegung eines Elements des kombinierten Antriebssystems vorzugsweise nur in wenigstens eine Drehrichtung zu. Der Freilauf entfaltet in diesem Betriebszustand eine Sperrwirkung. In einem zweiten Betriebszustand kann durch einen Steuerbefehl die Sperrwirkung des schaltbaren Freilaufs für wenigstens eine Drehrichtung aufgehoben werden.
  • Freiläufe lassen sich insbesondere durch die Art unterscheiden, wie sie ihre Sperrwirkung erreichen. Vorzugsweise lassen sich Freiläufe in Gruppen mit form- und reibschlüssiger Sperrfunktion einordnen.
  • Die Gruppe der formschlüssigen Freiläufe weist Klinkenfreiläufe mit Innen- oder Außenverzahnung und drehrichtungsabhängig betätigten Zahn- oder Klauenkupplungen auf.
  • In die Gruppe der reibschlüssigen Freiläufe lassen sich Freiläufe mit axialer und radialer Klemmfunktion einordnen. Die Gruppe der Freiläufe mit radialer Klemmfunktion weist Klemmrollenfreiläufe mit Innen- oder Außenstern, Klemmkörperfreiläufe, Federbandfreiläufe auf. Die Gruppe der Freiläufe mit axialer Klemmfunktion weist Axialfreiläufe, wie Schrauben-Reibkupplungen, und Axialfreiläufe mit Konus auf.
  • Freiläufe können auch aus einer Kombination der genannten Funktionsprinzipien aufgebaut werden. Die genannten Kupplungen sind heute wohlbekannte Drehmoment-Übertragungseinrichtungen. Durch die Verwendung dieser Drehmoment-Übertragungseinrichtungen, insbesondere aus wenigstens einer der genannten Gruppen, kann kurzfristig ein kombiniertes Antriebssystem aufgebaut werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drehmomentübertragung von der Sekundär-Antriebswelle zu einer Abtriebseinrichtung beeinflussbar, vorzugsweise unterbrechbar. Diese Unterbrechung der Drehmomentübertragung wird insbesondere durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung erreicht. Die drehmomentleitende Verbindung zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine und der Abtriebseinrichtung kann insbesondere zwei Zustände aufweisen.
  • In einem ersten Zustand wird vorzugsweise ein Drehmoment von der Sekundär-Antriebsmaschine auf die Abtriebseinrichtung übertragen. In einem zweiten Zustand wird vorzugsweise kein Drehmoment von der Sekundär-Antriebsmaschine auf die Abtriebseinrichtung übertragen.
  • In diesem zweiten Zustand kann vorzugsweise die gesamte oder wenigstens der überwiegende Teil der im Fahrzeug gespeicherten Energie zur Primär-Antriebsmaschine übertragen werden. Dadurch wird erreicht, dass die im Fahrzeug gespeicherte Energie, wenigstens teilweise, in die Energiespeichereinrichtung speicherbar ist. Somit wird insbesondere die Reichweite des Kraftfahrzeugs erhöht und die verursachten Emissionen verringert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Drehmoment-Übertragungseinrichtung zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine und der Abtriebseinrichtung als eine Überholkupplung ausgeführt. Vorzugsweise ist diese Drehmoment-Übertragungseinrichtung ein Freilauf und besonders bevorzugt ein schaltbarer Freilauf. Vorzugsweise wird durch einen Freilauf erreicht, dass die Sekundär-Antriebsmaschine nur in dem Fall eine Leistung auf die Abtriebseinrichtung überträgt, wenn die Drehzahl der Sekundär-Antriebswelle größer ist als die Drehzahl eines Eingangselements der Abtriebseinrichtung. Ein Leistungsfluss von der Abtriebseinrichtung zur Sekundär-Antriebsmaschine wird insbesondere durch einen Freilauf verhindert, bevorzugt durch einen schaltbaren Freilauf. Durch einen Freilauf zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine und der Abtriebseinrichtung werden vorzugsweise die Möglichkeiten zur Steuerung des kombinierten Antriebssystems verbessert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Getriebewelle einer Getriebeeinrichtung drehfest gehalten, d. h. dass sich diese Getriebewelle gegenüber einem anderen Element, insbesondere gegenüber dem Getriebegehäuse, nicht mehr drehen kann. Unter einer Getriebewelle ist insbesondere ein Sonnenrad oder eine Sonnenradwelle, ein Hohlrad oder eine Hohlradwelle, ein Planetenrad oder eine Planetenradwelle oder ein Planetenradträger zu verstehen. Diese Getriebewelle wird vorzugsweise durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung drehfest gehalten. Vorzugsweise ist diese Drehmoment-Übertragungseinrichtung eine Lamellenbremse. Durch das Drehfesthalten einer Getriebewelle kann insbesondere das Drehzahlverhältnis einer Getriebeeinrichtung beeinflusst werden. Durch das beeinflussbare Drehzahlverhältnis einer Getriebeeinrichtung wird ein Betrieb mit niedrigem Verbrauch und großer Reichweite des kombinierten Antriebssystems erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Getriebewelle einer Getriebeeinrichtung mit einer zweiten Getriebewelle verbunden, wodurch diese beiden Getriebewellen die gleiche Drehzahl aufweisen. Das Verbinden der beiden Getriebewellen wird vorzugsweise durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung erreicht. Durch das Verbinden von zwei Getriebewellen miteinander kann insbesondere das Drehzahlverhältnis einer Getriebeeinrichtung beeinflusst werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist insbesondere zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine und der Abtriebseinrichtung wenigstens ein Drehschwingungsdämpfer angeordnet, welcher dazu vorgesehen ist, Drehschwingungen zu verringern. Unter einer Drehschwingung ist insbesondere eine mechanische Schwingung zu verstehen, die um einen Freiheitsgrad eines rotatorischen Systems erfolgt. Durch die Dämpfung der Drehschwingungen werden dynamische Beanspruchungen der Einrichtungen eines kombinierten Antriebssystems verringert, das NVH-Verhalten verbessert und der Komfort für die Benutzer erhöht.
  • Der oder die Drehschwingungsdämpfer sind vorzugsweise aus einer Gruppe mechanischer und/oder elektrischer Drehschwingungsdämpfer ausgewählt, welche aufgrund unterschiedlicher physikalischer Effekte Schwingungen dämpfen. Insbesondere verringert ein Drehschwingungsdämpfer die Amplitude der Drehmomentschwingung, welche von der Sekundär-Antriebsmaschine auf die Abtriebseinrichtung aufgebracht wird. Vorzugsweise verringert der Drehschwingungsdämpfer die Amplitude dieser Drehmomentschwingung um mehr als 10%, vorzugsweise um mehr als 50% und besonders bevorzugt um mehr als 90%.
  • Zu der Gruppe der bevorzugten Drehschwingungsdämpfers gehören vorzugsweise Ein-, Zwei-, Drei- oder Mehrmassen-Schwungräder, bei denen vorzugsweise auch das Resonanzverhalten zur Dämpfung mit herangezogen wird. Ferner gehören zu der Gruppe Drehschwingungstilger, die eine Drehschwingung vorzugsweise dadurch dämpfen, dass sie eine mechanische Schwingung mit einer bestimmten Phasenbeziehung zu dieser Drehschwingung erzeugen. Vorzugsweise ist die mechanische Schwingung des Drehschwingungstilgers im Wesentlichen gegenphasig zu dieser Drehschwingung.
  • Zu der Gruppe der bevorzugten Drehschwingungsdämpfer gehören auch Drehschwingungsdämpfer, deren Eigenfrequenz veränderbar ist. Vorzugsweise ist die Eigenfrequenz eines Drehschwingungsdämpfers durch ein Fliehkraftpendel und/oder durch eine andere Einrichtung veränderbar, welche auf die Drehzahl des Drehschwingungsdämpfers anspricht.
  • Zu der Gruppe der bevorzugten Drehschwingungsdämpfer gehören auch Dämpfer, bei denen Drehschwingungen durch eine elektromechanischen Aktuatoreinrichtung gedämpft werden. Vorzugsweise wird durch eine elektromechanische Aktuatoreinrichtung und/oder durch die Primär-Antriebsmaschine eine mechanische Schwingung mit einer bestimmten Phasenbeziehung zu dieser Drehschwingung erzeugt.
  • Mit Hilfe dieser elektromechanischen Drehschwingungsdämpfern können vorzugsweise auch Kompensationsschwingungen erzeugt werden, wie dies vorstehend bereits in bezug auf die Primär-Antriebsmaschine erläutert wurde. Dazu können entweder die Daten der Motorsteuerung und/oder Daten herangezogen werden, die aus Schwingungsgebern erhalten werden, die an einer oder mehreren Stellen des Antriebsstrangs angeordnet sind, um Schwingungen aufzunehmen. Es, ist auch möglich, alternativ oder zusätzlich die Schwingungen im elektrischen Feld der Primär-Antriebsmaschine zu erfassen. Aus diesen erfassten Schwingungen können Kompensations-Schwingungsbewegungen berechnet werden, die dann durch Drehschwingungsdämpfer erzeugt werden.
  • Eine derartige aktive Drehschwingungsdämpfung ist besonders dann von Vorteil, wenn ein Verbrennungsmotor als Sekundär-Antriebsmaschine eingesetzt wird, der nur zwei oder gar nur ein Zylinder aufweist und als Hubkolbenmotor gestaltet ist.
  • Zu der Gruppe der bevorzugten Drehschwingungsdämpfer gehören auch Dämpfer die als physikalisches Funktionsprinzip die innere Reibung von elastischen Werkstoffen anwenden. Insbesondere Elastomerdämpfer dämpfen Schwingungen mit der inneren Reibung eines elastischen Werkstoffs.
  • Zu der Gruppe der bevorzugten Drehschwingungsdämpfer gehören ferner Dämpfer, bei denen als physikalisches Funktionsprinzip die Flüssigkeitsreibung beziehungsweise der Strömungswiderstand eines Fluids verwendet wird. Vorzugsweise Gasdruckdämpfer und Viskodämpfer dämpfen Schwingungen mit Flüssigkeitsreibung, insbesondere durch Strömungswiderstand.
  • Erfindungsgemäß weist ein Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem eine zweite Energiespeichereinrichtung auf, insbesondere zum Speichern von Energie für die Sekundär-Antriebsmaschine. In dieser zweiten Energiespeichereinrichtung ist Energie vorzugsweise in chemisch gebundener Form gespeichert.
  • Die chemisch gebundene Energie ist vorzugsweise in einem flüssigen, gasförmigen oder festen Kraftstoff gebunden. Der Kraftstoff ist vorzugsweise unter einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten oder bevorzugt unter einem im Wesentlichen dem Umgebungsdruck entsprechenden Speicherdruck gespeichert. Der Kraftstoff enthält vorzugsweise wenigstens anteilig Kohlenwasserstoff. Ein solcher Kraftstoff weist vorzugsweise wenigstens einen Anteil von Otto-, Diesel-, Turbinenkraftstoff (Petroleum), Pflanzenöl, verestertes Pflanzenöl (Bio-Diesel), Alkohol (Methanol, Ethanol, Butanol) und Benzol, Flüssiggas (Liquified Natural Gas, Liquified Petroleum Gas), Xtl-Kraftstoff (Coal, Gas-, Biomass to Liquid), Erdgas (Compressed Natural Gas), Methan, Ethan, Biogas (Synthetic Natural Gas), Dimethylether und Wasserstoff oder eine Mischung von mimdestens zweien dieser Kraftstoffe auf. Dieser Kraftstoff wird vorzugsweise in einem Behälter gespeichert und vorzugsweise in einer exotherme Reaktion in thermische Energie umgewandelt, wobei diese thermische Energie vorzugsweise indirekt zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und/oder zum Temperieren des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann.
  • Durch das Vorhandensein eines Vorrats eines Krafftstoffs wird vorzugsweise zur Erzeugung thermischer Energie keine Energie aus dem mit der Primär-Antriebsmaschine verbundenen Energiespeicher entzogen, dadurch wird die Primär-Reichweite vergrößert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weisen verschiedene Einrichtungen des kombinierten Antriebssystems eine gemeinsame temperaturleitende Verbindung auf. In einem kombinierten Antriebssystem entsteht an verschiedenen Einrichtungen thermische Energie. Diese thermische Energie entsteht insbesondere beim Betrieb einer Primär-Antriebsmaschine, einer Sekundär-Antriebsmaschine, einer Getriebeeinrichtung, einer Energiespeichereinrichtung und einer Steuereinrichtung zum Steuern des kombinierten Antriebssystems.
  • Die verschiedenen Einrichtungen eines kombinierten Antriebssystems weisen einen insbesondere von der Temperatur abhängigen Wirkungsgrad auf. Insbesondere der Wirkungsgrad einer Energiespeichereinrichtung ist niedrig, wenn diese bei einer tiefen Temperatur betrieben wird. Insbesondere an der Steuereinrichtung entsteht thermische Energie, aufgrund eines Wirkungsgrades kleiner als eins. Durch die temperaturleitende Verbindung kann vorzugsweise thermische Energie von der Steuereinrichtung zur Energiespeichereinrichtung übertragen werden. Die thermische Energie wird zur Temperaturleitung vorzugsweise auf ein Fluid übertragen. Dieses Fluid wird vorzugsweise durch eine offene oder geschlossenen Einrichtung geleitet. Die Leitung der thermischen Energie orientiert sich dabei vorzugsweise daran, dass die thermische Energie von einer Einrichtung abgeführt wird, an welcher diese entsteht und einer Einrichtung zugeführt wird, welche bei einer Temperatur, welche höher liegt als ihre augenblickliche, einen besseren Wirkungsgrad erzielt.
  • Insbesondere durch die Übertragung der thermischen Energie der Steuereinrichtung zur Energiespeichereinrichtung wird vorzugsweise der Wirkungsgrad derselben erhöht und damit der Wirkungsgrad des kombinierten Antriebssystems und somit die Reichweite des Kraftfahrzeugs erhöht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das kombinierte Antriebssystem wenigstens eine Primär-Antriebsmaschine, eine Sekundär-Antriebsmaschine und eine Getriebeeinrichtung auf. Vorzugsweise werden wenigsten zwei dieser Komponenten oder alle von einem gemeinsamen Fluidstrom an- bzw. durchströmt. Durch diesen gemeinsamen Fluidstrom wird vorzugsweise Wärmeenergie von wenigstens einer dieser Komponenten auf wenigstens eine andere übertragen. Das Fluid des gemeinsamen Fluidstroms ist vorzugsweise ein Schmieröl, vorzugsweise ein Mineral- oder ein Syntheseöl. Durch einen gemeinsamen Wärme- und/oder Schmiermittelkreislauf wird vorzugsweise ein Antriebssystem mit einem geringen Gewicht und hohem Wirkungsgrad verwirklicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Umkehr der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs durch das Umkehren der Drehrichtung der Primär-Antriebsmaschine erreicht. Durch den Entfall eines durch Getriebeübersetzungen verwirklichten Rückwärtsgangs wird Gewicht eingespart und damit vorzugsweise eine hohe Reichweite des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine mit der Abtriebseinrichtung, insbesondere direkt oder indirekt, verbundene Getriebewelle durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung drehfest gehalten. Vorzugsweise kann diese Getriebewelle durch die Drehmoment-Übertragungseinrichtung auch nicht drehfest gehalten werden. Diese Drehmoment-Übertragungseinrichtung ist vorzugsweise eine selbsthaltende Drehmoment-Übertragungseinrichtung oder eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung, bei der zum Aufrechterhalten wenigstens eines Betriebszustandes keine äußere Kraft zugeführt wird. Unter einer selbsthaltenden Drehmoment-Übertragungseinrichtung ist eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung zu verstehen, welche ohne Einwirkung einer äußeren Kraft ein Drehmoment überträgt. Diese Drehmoment-Übertragungseinrichtung ist vorzugsweise eine Rastverbindung oder eine Klauen-Kupplung. Durch eine selbsthaltende Drehmoment-Übertragungseinrichtung kann insbesondere eine Parkbremse auf einfache und energieeffiziente Weise verwirklicht und somit ein verbessertes Antriebssystem dargestellt werden.
  • Ein Verfahren zum Betrieb eines kombinierten Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug dient vorzugsweise zum Erreichen einer hohen Energieeffizienz bei gleichzeitig guten Fahrleistungen. Das kombinierte Antriebssystem weist wenigstens eine Primär-Antriebsmaschine, eine Sekundär-Antriebsmaschine, eine Energiespeichereinrichtung sowie eine Abtriebseinrichtung auf. Durch dieses Verfahren werden wenigstens folgende Betriebszustände des kombinierten Antriebssystems verwirklicht:
    • – die Leistungen der Sekundär-Antriebsmaschine und der Primär-Antriebsmaschine werden gemeinsam zum Antrieb des Fahrzeugs herangezogen, wobei die Sekundär-Antriebsmaschine mechanisch in den Antrieb eingekoppelt ist;
    • – die Sekundär-Antriebsmaschine treibt an und die Primär-Antriebsmaschine wird über die Primär-Antriebswelle angetrieben und die dabei erzeugte Energie wird wenigstens teilweise gespeichert;
    • – die Primär-Antriebsmaschine treibt an und die Sekundär-Antriebsmaschine ist dabei im Stillstand;
    • – die Primär-Antriebsmaschine wird über die Primär-Antriebswelle angetrieben und die Sekundär-Antriebsmaschine ist im Stillstand oder im Leerlauf;
  • Dieses Verfahren versetzt das kombinierte Antriebssystem vorzugsweise in Abhängigkeit verschiedener Randbedingungen in unterschiedliche Betriebszustände. Vorzugsweise werden zur Steuerung des kombinierten Antriebssystems durch eine Steuereinrichtung der Betriebszustand des kombinierten Antriebssystems und die Betriebsanforderungen durch den Benutzer herangezogen. Solche Randbedingungen sind insbesondere der Ladezustand des Energiespeichers, der Fahrwunsch des Benutzers, wie zum Beispiel Beschleunigung oder Fahrtgeschwindigkeit, Informationen über die Strecke die zurückgelegt werden soll, wie zum Beispiel Steigung, Gefälle und Entfernung und Informationen über andere Umweltweinflüsse, wie die Umgebungstemperatur.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieses Verfahren durch wenigstens eine Steuereinrichtung ausgeführt. Unter einer Steuereinrichtung ist vorzugsweise eine Einrichtung zu verstehen, welche wenigstens ein Rechenwerk zum Vergleichen von Daten aufweist. Vorzugsweise weist eine Steuereinrichtung wenigstens einen Datenspeicher zum Abspeichern von Daten und wenigstens eine Einrichtung zum Einlesen oder Eingeben von Daten auf. Diese Steuervorrichtung erfasst vorzugsweise wenigstens eine der folgenden Betriebsgrößen direkt oder indirekt:
    • – die Drehzahl und/oder Beschleunigung der Primär-Antriebswelle und/oder
    • – wenigstens eine Temperatur der Primär-Antriebsmaschine und/oder
    • – die Drehzahl und/oder Beschleunigung der Sekundär-Antriebswelle und/oder
    • – wenigstens eine Temperatur der Sekundär-Antriebsmaschine und/oder
    • – die Drehzahl und/oder Beschleunigung der Abtriebseinrichtung und/oder
    • – die Drehzahl und/oder Beschleunigung wenigstens einer Getriebeeingangswelle und/oder
    • – wenigstens eine Temperatur der Getriebeeinrichtung und/oder
    • – die Drehzahl und/oder Beschleunigung wenigstens eines Antriebselements des Fahrzeugs und/oder
    • – die Drehzahl und/oder Beschleunigung der Sekundär-Antriebsmaschine und/oder
    • – den Füllungsgrad wenigstens eines Energiespeichers und/oder
    • – wenigstens eine Temperatur wenigstens eines Energiespeichers und/oder
    • – wenigstens eine Stromstärke und/oder eine Spannung wenigstens eines Energiespeichers und/oder
    • – die Rate des Nickens und/oder
    • – die Rate des Wankens und/oder
    • – die Rate des Gierens und/oder
    • – wenigstens einen Abstand zu wenigstens einem anderen Verkehrsteilnehmer, und/oder
    • – wenigstens den Einfederungszustands einer Fahrwerkseinrichtung.
  • In der Steuereinrichtung oder dem Datenspeicher sind insbesondere Informationen zu den einzelnen Komponenten des kombinierten Antriebssystems abgespeichert. Vorzugsweise beinhalten solche Informationen Angaben zu technischen Daten, vorzugsweise zu Wirkungsgraden der Komponenten des kombinierten Antriebssystems.
  • Ferner kann die Steuereinrichtung vorzugsweise auch Informationen verarbeiten, die extern per Funk durch externe Sender und insbesondere durch das Internet zugeführt werden. Diese Informationen beinhalten vorzugsweise Daten zur aktuellen und zur erwarteten Verkehrssituation insbesondere zu Verkehrsstaus, zum Wetter bzw. zur Wetterentwicklung und dergleichen.
  • Vorzugsweise wird das kombinierte Antriebssystem unter Berücksichtigung der erfassten Werte gesteuert. Vorzugsweise werden die Betriebsgrößen erfasst, mit gespeicherten Daten verglichen und ein Steuerungsbefehl erstellt.
  • Durch das Berücksichtigen, insbesondere mehrerer Betriebsgrößen bei der Steuerung des kombinierten Antriebssystems, wird ein Betrieb des Antriebssystems mit geringen Emissionen und mit geringem Verbrauch erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Differenz zwischen der Drehzahl der Sekundär-Antriebswelle und der Drehzahl einer Getriebeeingangswelle oder der Drehzahl der Primär-Antriebswelle erfasst. Insbesondere werden diese Drehzahlen verglichen. Wenn diese Differenz größer oder gleich Null ist, wird insbesondere die Leistung von der Sekundär-Antriebsmaschine auf die Abtriebseinrichtung übertragen. Diese Leistungsübertragung wird insbesondere durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung ermöglicht. Die Drehmoment-Übertragungseinrichtung wird insbesondere nach dem Vergleich der Drehzahlen und bei einer Drehzahldifferenz, die im Wesentlichen Null oder größer als Null ist, betätigt beziehungsweise eingerückt.
  • In einer bevorzugt Ausführungsform wird insbesondere der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung erfasst. Vorzugsweise wird ein Leistungsfluss von der Sekundär-Antriebsmaschine zur Primär-Antriebsmaschine nur zugelassen, wenn der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung einen in der Steuereinrichtung abgelegten Grenzwert unterschreitet. Vorzugsweise ist dieser Grenzwert wenigstens von einer der folgenden Größen abhängig:
    • – der Fahrstrecke, zum Beispiel Steigungs- und Gefällestrecken und Länge der noch zurückzulegenden Strecke,
    • – dem Ladezustand der Energiespeichereinrichtung, insbesondere die noch ausspeicherbare Energiemenge oder
    • – dem Betriebszustand wenigstens einer Antriebsmaschine, insbesondere wenigstens die Drehzahl oder das Drehmoment.
  • Vorzugsweise wird der Leistungsfluss von der Sekundär Antriebsmaschine zur Primär-Antriebsmaschine so gesteuert, dass die Sekundär-Antriebsmaschine durch die zusätzlich abgegebene Leistung in einen Bereich mit günstigerem Wirkungsgrad betrieben wird.
  • Durch das Verschieben des Betriebszustandes der Sekundär-Antriebsmaschine in Richtung eines günstigeren Wirkungsgrades wird vorzugsweise ein emissionsärmerer Betrieb des kombinierten Antriebssystems erreicht.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Figuren.
  • Dabei zeigen:
  • 1: eine Charakterisierung von Antriebssystemen anhand der installierten Leistung von Primär-Antriebsmaschine und Sekundär-Antriebsmaschine;
  • 2: den Energieinhalt der elektrischen Energiespeichereinrichtung für unterschiedliche kombinierte Antriebssysteme;
  • 3: die Anzahl der Übersetzungsstufen und die mit der Primär-Antriebsmaschine erreichbare Reichweite für kombinierte Antriebssysteme;
  • 4: eine Ausführungsform eines kombinierten Antriebssystems mit einer Primär-Antriebsmaschine und einer Sekundär-Antriebsmaschine;
  • 5: eine Ausführungsform eines kombinierten Antriebssystems mit einer gegenüber der Sekundär-Antriebsmaschine koaxial fluchtend ausgerichteten Primär-Antriebsmaschine;
  • 6: ein kombiniertes Antriebssystem mit einer Anpass-Getriebeeinrichtung zur Anpassung der Drehzahl der Primär-Antriebsmaschine an die Drehzahl der Sekundär-Antriebsmaschine;
  • 7: ein kombiniertes Antriebssystem mit einem Drehschwingungsdämpfer, einer Überholkupplung und einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung zwischen der Primär-Antriebsmaschine und der Sekundär-Antriebsmaschine;
  • 8: ein kombiniertes Antriebssystem mit einer schaltbaren Getriebeeinrichtung und einer Anpass-Getriebeeinrichtung;
  • 9: ein kombiniertes Antriebssystem mit einer Planetengetriebeeinrichtung als schaltbare Getriebeeinrichtung mit Abtrieb über den Planetenradträger;
  • 10: ein kombiniertes Antriebssystem mit einer Planetengetriebeeinrichtung als schaltbare Getriebeeinrichtung mit Abtrieb über das Hohlrad, wobei die Sekundär-Antriebsmaschine mit dem Planetenradträger verbindbar ist;
  • 11: ein kombiniertes Antriebssystem mit einer Planetengetriebeeinrichtung als schaltbare Getriebeeinrichtung mit Abtrieb über den Planetenradträger, wobei die Primär-Antriebsmaschine und die Sekundär-Antriebsmaschine koaxial fluchtend zueinander ausgerichtet sind;
  • 12: ein kombiniertes Antriebssystem mit einer Planetengetriebeeinrichtung, der Abtrieb erfolgt über das Hohlrad, der Planetenradträger ist durch eine Überholkupplung und/oder eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung am Gehäuse der Planetengetriebeeinrichtung abstützbar;
  • 13: ein kombiniertes Antriebssystem, wie es dem heutigen Stand der Technik entspricht (Mild-Hybrid);
  • 14: einige mögliche Anordnungen und Kombinationen von Sekundär-Antriebsmaschine, Schwingungsdämpfer, Drehmoment-Übertragungseinrichtung und Überholkupplung;
  • 15: die Zusammenhänge zur Drehzahlanpassung zwischen der Primär-Antriebsmaschine und der Sekundär-Antriebsmaschine;
  • 16: den Bezug zwischen Gewicht, Bauraum und Kosten und der Drehzahlanpassung der Drehzahlen der Primär-Antriebsmaschine und der Sekundär-Antriebsmaschine;
  • 17: die Dringlichkeit der Aufladung der elektrischen Energiespeichereinrichtung in Abhängigkeit zum Wirkungsgrad eines kombinierten Antriebssystems;
  • 18: die Drehzahlbeziehungen für ein kombiniertes Antriebssystem mit Planetengetriebeeinrichtung zwischen der Drehzahl des Planetenradträgers und der Drehzahl des Hohlrads;
  • 19: den Leistungsbedarf und die Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs mit kombiniertem Antriebsystem, mit einer kleinen Sekundär-Antriebsmaschine, im Extra-Urban-Driving-Cycle (EUDC);
  • 20: den Leistungsbedarf und die Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs mit kombiniertem Antriebsystem, mit einer gegenüber 18 vergrößerten Sekundär-Antriebsmaschine, im Extra-Urban-Driving-Cycle (EUDC);
  • 21: Energiebedarfe in Abhängigkeit der Leistung der Sekundär-Antriebsmaschine für eine Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem während des Extra-Urban-Driving-Cycle (EUDC);
  • 22: einen Vergleich der abgebbaren Leistung eines kombinierten Antriebssystem ohne schaltbare Getriebeeinrichtung für den elektrischen Pfad (serieller Hybrid) mit dem mechanischen Pfad (mechanischer Durchtrieb);
  • 23: einen Vergleich der abgebbaren Leistung eines kombinierten Antriebssystem mit schaltbare Getriebeeinrichtung (iI, iII) für den elektrischen Pfad (serieller Hybrid) mit dem mechanischen Pfad (mechanischer Durchtrieb);
  • 24: einen Vergleich der Wirkungsgrade des elektrischen Antriebspfades (serieller Hybrid) und des mechanischen Antriebspfads (mechanischer Durchtrieb), mit schaltbarer Getriebeeinrichtung, für kombinierte Antriebssysteme;
  • 25: den Verlauf der elektrischen Reichweite über der nominellen Batteriekapazität unter Berücksichtigung des Batteriegewichts für ein Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem;
  • 26: ein kombiniertes Antriebssystem mit einer Planetengetriebeeinrichtung als schaltbare Getriebeeinrichtung mit Abtrieb über den Planetenradträger, wobei die Primär-Antriebsmaschine und die Sekundär-Antriebsmaschine koaxial fluchtend zueinander ausgerichtet sind.
  • 1 zeigt die Charakterisierung von kombinierten Antriebssystemen, wobei sich diese Charakterisierung anhand der Aufteilung der Gesamtantriebsleistung zwischen der Primär-Antriebsmaschine und der Sekundär-Antriebsmaschine orientiert. Anhand dieser Klassifizierung lassen sich heute vier Antriebssysteme charakterisieren.
  • Im Bereich A sind dies heute übliche Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor im Wesentlichen ohne elektrische Antriebsmaschine eingeordnet. Bei diesen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird die gesamte, zum Antrieb notwendige, Leistung durch eine Verbrennungskraftmaschine, welche hier als Sekundär-Antriebsmaschine bezeichnet wird, bereitgestellt. Auch bei solchen Fahrzeugen ist heute schon ein geringer Elektrifizierungsgrad vorhanden, so zum Beispiel. durch die Lichtmaschine und den elektrischen Anlasser. Im rechten Teil der 1, in dem mit E gekennzeichneten Bereich, sind Kraftfahrzeuge mit reinem Elektroantrieb dargestellt. Bei diesen Kraftfahrzeugen wird die gesamte, zum Antrieb notwendige, Leistung durch einen elektromechanischen Energiewandler, welcher hier als Primär-Antriebsmaschine bezeichnet wird, zur Verfügung gestellt.
  • In den mit B gekennzeichneten Bereich in 1, sind heute übliche Hybridantriebe einzuordnen. Bei diesen Hybridantrieben kommen, bezogen auf die Leistung, kleinere Elektromotoren in Verbindung mit größeren Verbrennungskraftmotoren zum Einsatz. Typischerweise hat der Elektromotor eines solchen Hybridantriebs eine Leistung von 15 kW–30 kW. Solche Fahrzeugkonzepte werden heute als Mikro- oder Mild-Hybrid bezeichnet.
  • Im Bereich C von 1 sind sogenannte Voll-Hybrid-Antriebskonzepte dargestellt, bei diesen ist die elektrische Antriebsmaschine und die Verbrennungskraftmaschine bezogen auf ihre Leistung in etwa gleich groß. Diese Antriebskonzepte bedingen ein relativ kompliziertes Antriebssystem, da zwei in etwa gleich große Antriebsmaschinen kombiniert werden.
  • Der Bereich DII in 1 kennzeichnet den Bereich, in welchem ein erfindungsgemäßes kombiniertes Antriebssystem eingeordnet werden kann. Vorzugsweise ist die Primär-Antriebsmaschine des erfindungsgemäßen Antriebskonzepts, bezogen auf ihre Leistung, größer als die Sekundär-Antriebsmaschine. Diese Charakterisierung ist in dem gegenüber DII eingeschränkten Bereich DI dargestellt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem eine Leistungsaufteilung zwischen Sekundär-Antriebsmaschine und Primär-Antriebsmaschine auf, welche durch den Bereich DI charakterisiert wird. Hier ist die Primär-Antriebsmaschine größer als die Sekundär-Antriebsmaschine. Durch diese Leistungsaufteilung lässt sich ein kompaktes, leichtes und hoch effizientes Antriebssystem darstellen.
  • In 2 ist die bevorzugte Speicherkapazität, auch als Batteriegröße bezeichnet, der elektrischen Energiespeichereinrichtung für ein kombiniertes Antriebssystem , aufgetragen über der Leistungsaufteilung zwischen Sekundär-Antriebsmaschine und Primär-Antriebsmaschine, dargestellt. Es ist bevorzugt davon auszugehen, dass die Batteriegröße zwischen 2 kWh und 50 kWh liegt. Dabei zeigt 2, dass es für die Batteriegröße entscheidend ist, wie die Antriebsleistung zwischen Sekundär-Antriebsmaschine und Primär-Antriebsmaschine verteilt ist. Je größer die Primär-Antriebsmaschine und je kleiner die Sekundär-Antriebsmaschine ist, desto größer wird die Batteriekapazität.
  • Die elektrische Energiespeichereinrichtung ist eine Einrichtung, welche systembedingt ein hohes spezifisches Gewicht aufweist. Daraus folgt, dass das Fahrzeuggewicht mit größer werdender elektrischer Energiespeichereinrichtung stark zunimmt. 2 zeigt, dass die Batteriekapazität eines erfindungsgemäßen Antriebssystems zwischen 4 kWh und 20 kWh liegt. 2 ist zu entnehmen, dass die Batteriekapazität heute üblicher Elektrofahrzeuge, also 100% Primär-Antriebsmaschine, bei etwa 20 kWh–60 kWh liegt, diese Kraftfahrzeuge weisen damit systembedingt ein höheres Gewicht auf, als ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug. Bezüglich des Fahrzeuggewichts stellt ein kombiniertes Antriebssystem somit eine effiziente Lösung zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs dar, insbesondere dann, wenn dieses Kraftfahrzeug auch über längere Strecken emissionsfrei betreibbar sein soll.
  • In 3 ist sowohl die heute übliche Anzahl an Schaltstufen einer Getriebeeinrichtung dargestellt, wie auch die Primär-Reichweite, jeweils über der Leistungsaufteilung zwischen der Sekundär- und der Primär-Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem. 3 ist zu entnehmen, dass heute übliche Kraftfahrzeuge mit reinem verbrennungsmotorischen Antrieb (100% Sekundär-Antriebsmaschine) zwischen 6 und 8 Schaltstufen aufweisen. Heute übliche Kraftfahrzeuge mit reinem Elektroantrieb (100% Primär-Antriebsmaschinen) hingegen, weisen meistens Getriebeeinrichtungen ohne Schaltstufen auf. 3 zeigt, dass das erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem vorteilhafterweise mit zwei bis vier Getriebeschaltstufen ausgeführt wird. Dadurch kann eine Primär-Antriebsmaschine verwendet, welche ihre Antriebsleistung bei kontinuierlicher Fahrt des Fahrzeugs mit hoher Drehzahl und kleinem Drehmoment abgibt. Durch diese Leistungsentfaltung kann eine kleine und leichte Primär-Antriebsmaschine verwendet werden.
  • Zum Anfahren aus dem Stillstand oder zum Überwinden großer Anfahrwiderständen, wie zum Beispiel beim Überfahren eines Bordsteins, steht wenigstens eine zweite Schaltstufe zur Verfügung, so dass ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystem auch in diesen Fahrsituationen betrieben werden kann. Unter der Primär-Reichweite ist die Reichweite zu verstehen, welche ein Kraftfahrzeug mit kombinierten Antriebssystem erreichen kann, wenn dieses ausschließlich von der Primär-Antriebsmaschine angetrieben wird. Ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystem kann mit seiner kleinen und leichten Energiespeichereinrichtung eine Primär-Reichweite von im Wesentlichen 100 km erreichen.
  • In 4 ist das Grundkonzept eines erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystems dargestellt. Das erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem in 4 weist dabei eine Primär-Antriebsmaschine 1 mit einer Primär-Antriebswelle 1.1 auf, eine Sekundär-Antriebsmaschine 2 mit einer Sekundär-Antriebswelle 2.1, eine Abtriebseinheit 3, wobei diese Abtriebseinheit 3 eine schaltbare Getriebeeinrichtung aufweisen kann, ein Antriebselement des Fahrzeugs 4, eine Energiespeichereinrichtung 5 und eine Leistungselektronik 6.
  • Die Energiespeichereinrichtung 5 versorgt dabei über die Leistungselektronik 6 die Primär-Antriebsmaschine 1 mit elektrischer Energie. In der Primär-Antriebsmaschine 1 wird die elektrische Energie in Antriebsleistung umgewandelt und an die Primär-Antriebswelle 1.1 abgegeben. Durch die Abtriebseinheit 3 wird die Antriebsleistung der Primär-Antriebsmaschine 1 zum Antriebselement des Fahrzeugs 4 geleitet. Die Sekundär-Antriebsmaschine 2 ist über eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, mit der Abtriebseinheit 3 und dem Antriebselement des Fahrzeugs 4 verbindbar. In der Sekundär-Antriebsmaschine 2 wird chemisch gebundene Energie in mechanische Antriebsleistung umgewandelt und an die Sekundär-Antriebswelle 2.1 abgegeben.
  • Von der Sekundär-Antriebsmaschine 2 und von der Primär-Antriebsmaschine 1 ist jeweils der mechanische Durchtrieb zum Antriebselement des Fahrzeugs 4 möglich. Durch diesen mechanischen Durchtrieb wird ein hoher Wirkungsgrad des kombinierten Antriebssystems gewährleistet.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystems dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung und die Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Dieses erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem weist eine Sekundär-Antriebsmaschine 2 auf, einen Drehschwingungsdämpfer 7, eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, eine Primär-Antriebsmaschine 1, welche mit ihrer Primär-Antriebswelle 1.1 mit der Abtriebseinheit 3 verbunden ist und ein Antriebselement des Fahrzeugs 4.
  • Die Sekundär-Antriebsmaschine 2 und die Primär-Antriebsmaschine 1 sind dabei fluchtend koaxial zueinander ausgerichtet. An der Sekundär-Antriebswelle 2.1 ist ein Drehschwingungsdämpfer 7 angebracht. Der Drehschwingungsdämpfer 7 ist mit der Eingangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8.1 verbunden. Die Ausgangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8.2 ist mit der Primär-Antriebswelle verbunden. Mit diesem Drehschwingungsdämpfer 7 werden mechanische Drehschwingungen gedämpft. Damit werden die mechanischen Bauteile zwischen diesem Drehschwingungsdämpfer 7 und dem Antriebselement des Fahrzeugs 4 weniger stark belastet. Durch die geringere Belastung können die mechanischen Bauteile kleiner und leichter ausgebildet werden.
  • Mit der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 kann der Leistungsfluss von der Sekundär-Antriebsmaschine 2 zur Primär-Antriebsmaschine 1, und umgekehrt, unterbrochen werden. Der Leistungsfluss zur Sekundär-Antriebsmaschine 2 wird insbesondere im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs unterbrochen. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass nicht die Antriebsleistung der Antriebsmaschine zum Überwinden der Fahrtwiderstände aufgewendet wird (Fahrbetrieb), sondern dass die im Kraftfahrzeug gespeicherte potentielle und/oder kinetische Energie zu wenigstens einer der Antriebsmaschinen (1, 2) geleitet wird, vorzugsweise zur Primär-Antriebsmaschine. In der Primär-Antriebsmaschine 1 kann die potentielle und/oder kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in zum Antrieb des Fahrzeugs wiederverwendbare Energie gewandelt und in der Energiespeichereinrichtung (nicht dargestellt) einspeichert werden. Durch die Unterbrechung des Leistungsflusses zur Sekundär-Antriebsmaschine wird vorzugsweise der Anteil der in der Energiespeichereinrichtung rückspeicherbaren Energie vergrößert und damit die Effizienz des Kraftfahrzeugs mit erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystem gesteigert.
  • In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung und die Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Dieses erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem weist eine Sekundär-Antriebsmaschine 2 auf, einen Drehschwingungsdämpfer 7, eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, eine Anpass-Getriebeeinrichtung 10a, eine Primär-Antriebsmaschine 1, eine Abtriebseinheit 3 sowie ein Antriebselement des Fahrzeugs 4. Die Primär-Antriebsmaschine 1 ist bei diesem kombinierten Antriebssystem, abweichend von dem in 5 dargestellten kombinierten Antriebssystem, über die Anpass-Getriebeeinrichtung 10a mit der Sekundar-Antriebsmaschine 2 verbunden.
  • Die Sekundär-Antriebswelle 2.1 ist über den Drehschwingungsdämpfer 7 mit der Eingansseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8.1 verbunden. Die Ausgangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8.2 ist mit der Anpassgetriebeeinrichtung verbunden. Systembedingt sind die Drehzahlen unterschiedlich, bei denen die Primär-Antriebsmaschine 1 bzw. die Sekundär-Antriebsmaschine 2 ihre Antriebsleistung mit einem hohen Wirkungsgrade abgeben.
  • Durch die in 6 dargestellte Konfiguration des kombinierten Antriebssystems ist es möglich, die Drehzahl der Primär-Antriebswelle 1.1 an die Drehzahl der Sekundär-Antriebswelle 2.1 anzupassen. Dabei ist unter Anpassen der Drehzahlen zu verstehen, dass die Primär-Antriebsmaschine 1 und die Sekundär-Antriebsmaschine 2 ihre Antriebsleistung zum Antreiben des Kraftfahrzeugs in weiten Betriebsbereichen nahe ihres optimalen Wirkungsgrades abgeben können. Aus dieser Drehzahlanpassung ergibt sich somit ein leichtes und effizientes, kombiniertes Antriebssystem.
  • In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung und die Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Das in 7 dargestellte kombinierte Antriebssystem entspricht dabei weitgehend dem in 5 dargestellten kombinierten Antriebssystem. Die Sekundär-Antriebswelle 2.1 wird über einen Drehschwingungsdämpfer 7, eine Überholkupplung 9 eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, mit einer Eingangsseite 8.1 und einer Ausgangsseite 8.2 mit der Primär-Antriebswelle 1.1 gekoppelt. Durch eine Überholkupplung 9 kann in einfacher Weise der Leistungsfluss von der Primär-Antriebsmaschine 1 und/oder dem Antriebselement des Fahrzeugs 4 zur Sekundär-Antriebsmaschine 2 oder umgekehrt verhindert werden.
  • Dieses kombinierte Antriebssystem weist eine schaltbare Getriebeeinrichtung 10c mit zwei Übersetzungsstufen, einem Getriebeeinganselement 10.1 und einem Getriebeausgangselement 10.2 auf. Die Primär-Antriebsmaschine 1 ist über die schaltbare Getriebeeinrichtung 10c mit dem Antriebselement des Fahrzeugs 4 verbunden. Durch die schaltbare Getriebeeinrichtung 10c ergibt sich zum einen der Vorteil, die Leistungsentfaltung der Primär-Antriebsmaschine 1 und/oder der Sekundär-Antriebsmaschine 2 an die Lastanforderungen des Kraftfahrzeugs anzupassen. Zum anderen ergibt sich der Vorteil, in einer zweiten Schaltstufe das kombinierte Antriebssystem mit einem besonders hohen Wirkungsgrad zu betreiben.
  • Durch die Kombination einer Überholkupplung 9 mit einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine 2 und der Primär-Antriebsmaschine 1 ergibt sich der Vorteil, dass es im Schubbetrieb möglich ist, die Leistung ausschließlich in der Primär-Antriebsmaschine 1 zuwandeln und in der Energiespeichereinrichtung (nicht dargestellt) einzuspeichern.
  • In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung und die Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Dieses erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem weist eine Sekundär-Antriebsmaschine 2, einen Drehschwingungsdämpfer 7, eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, eine Anpass-Getriebeeinrichtung 10a, eine Primär-Antriebsmaschine 1, eine schaltbare Getriebeeinrichtung 10c, eine Abtriebseinheit 3 sowie ein Antriebselement des Fahrzeugs 4 auf. Gegenüber 6 weist dieses kombinierte Antriebssystem eine schaltbare Getriebeeinrichtung 10c auf, um vorzugsweise das Antriebsdrehmoment in mehreren Stufen an die Fahrtwiderstände anpassen zu können.
  • Die Sekundär-Antriebswelle 2.1 ist über den Drehschwingungsdämpfer 7 mit der Eingangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8.1 verbunden. Die Ausgangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8.2 ist mit der Anpassgetriebeeinrichtung verbunden. Die Anpass-Getriebeeinrichtung 10a ermöglicht eine Anpassung der Drehzahlen der Primär-Antriebswelle 1.1 und der Sekundär-Antriebswelle 2.1 aneinander. Systembedingt sind die Drehzahlen unterschiedlich, bei denen die Primär-Antriebsmaschine 1 bzw. die Sekundär-Antriebsmaschine 2 ihre Antriebsleistung mit einem hohen Wirkungsgrade abgeben.
  • Durch die in 8 dargestellte Konfiguration des kombinierten Antriebssystems ist es möglich, das Drehmoment der Antriebsmaschinen (2, 1) durch die schaltbare Getriebeeinrichtung besser an die Lastanforderungen aus den Fahrtwiderständen anzupassen. Aus dieser Anpassung ergibt sich somit ein leichtes und effizientes kombiniertes Antriebssystem.
  • In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung und die Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Das in 9 dargestellte kombinierte Antriebssystem entspricht im Wesentlichen dem in 8 dargestellten kombinierten Antriebssystem. Dabei ist die schaltbare Getriebeeinrichtung als eine Planetengetriebeeinrichtung 10b ausgeführt. Diese weist ein Getriebegehäuse 10.3, ein Hohlrad 10b.3, ein Sonnenrad 10b.1, einen Planetenradträger 10b.2 und Planetenräder 10b.4 auf. Das Sonnenrad 10b.1 ist über eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, mit dem Planetenradträger 10b.2 verbindbar. Durch das Verbinden des Sonnenrads 10b.1 mit dem Planetenradträger 10b.2, dies wird durch die Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 erreicht, stellt sich ein Drehzahlverhältnis zwischen dem Getriebeeingangselement 10.1 und dem Getriebeausgangselement 10.2 von 1:1 ein. Das Hohlrad 10b.3 wird durch eine Überholkupplung 9 in eine Drehrichtung am Getriebegehäuse 10.3 der Planetengetriebeeinrichtung 10b abgestützt. Das Getriebeeingangselement 10.1 ist mit dem Sonnenrad 10b.1 verbunden. Das Getriebeausgangselement 10.2 ist mit dem Planetenradträger 10b.2 verbunden. Das Hohlrad 10b.3 ist über eine weitere Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8a, hier vorzugsweise als Bremseinrichtung ausgeführt, mit dem Getriebegehäuse 10.3 verbindbar. Durch die in 9 dargestellte Planetengetriebeeinrichtung 10b lässt sich in einfacher Weise eine schaltbare Getriebeeinrichtung darstellen, hier ein Zwei-Gang-Schaltgetriebe. Dabei ist die erste Schaltstufe dafür vorgesehen, beim Anfahren des Kraftfahrzeugs große Fahrwiderstände zu überwinden. In dieser ersten Schaltstufe ist die Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 zwischen dem Planetenradträger 10b.2 und dem Sonnenrad 10b.1 geöffnet.
  • Die zweite Schaltstufe weist eine Übersetzung von 1:1 auf. Durch dieses Übersetzungsverhältnis wird ein besonders hoher Wirkungsgrad bei der Leistungsübertragung erreicht. Bei der Übersetzung von 1:1 der Planetengetriebeeinrichtung 10b ist die Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 zwischen Planetenradträger 10b.2 und Sonnenrad 10b.1 geschlossen, d. h. der Planetenradträger 10b.2 und das Sonnenrad 10b.1 können sich relativ zueinander nicht verdrehen. Die Sekundär-Antriebswelle 2.1 ist über einen Drehschwingungsdämpfer 7 mit der Eingangsseite 8b.1 einer weiteren Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8b, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, verbunden. Die Ausgangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8b.2 ist mit der Anpass-Getriebeeinrichtung 10a verbunden.
  • In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung und die Leistungselektronik sind nicht dargestellt.
  • Bei dem in 10 dargestellten kombinierten Antriebssystem ist die Sekundär-Antriebswelle 2.1 mit dem Planetenradträger 10b.2 der Planetengetriebeeinrichtung 10b durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, und eine Drehschwingungsdämpfer 7 verbindbar. Die Eingangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8.1 ist mit dem Drehschwingungsdämpfer 7 verbunden. Die Ausgangsseite der Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8.2 ist mit einem zweiten Getriebeeingangselement 10.4 und somit mit dem Planetenradträger 10b.2 verbunden. Der Planetenradträger 10b.2 wird durch eine Überholkupplung 9 in eine Drehrichtung am Getriebegehäuse 10.3 der Planetengetriebeeinrichtung 10b abgestützt. Der Planetenradträger 10b.2 ist über eine weitere Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8a, hier vorzugsweise als Bremseinrichtung ausgeführt, mit dem Getriebegehäuse 10.3 verbindbar. Der Planetenradträger 10b.2 ist mit der Primär-Antriebswelle 1.1 über eine weitere Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8b, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, verbunden.
  • Durch diese Konfiguration des erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystems ist in einem bestimmten Bereich eine kontinuierliche Verstellung des Drehzahlverhältnisses der Planetengetriebeeinrichtung 10b möglich. Die Primär-Antriebswelle 1.1 ist mit einem Getriebeeingangselement 10.1 und somit mit dem Sonnenrad 10b.1 verbunden. Das Antriebselement des Fahrzeugs 4 ist mit einem Getriebeausgangselement 10.2 und somit mit dem Hohlrad 10b.3 verbunden. Durch die Möglichkeit der kontinuierlichen Anpassung des Drehzahlverhältnisses durch Drehzahlüberlagerung kann das kombinierte Antriebssystem flexibel gesteuert werden. In 16 sind die entsprechenden Drehzahlverhältnisse für das kombinierte Antriebssystem in 10 dargestellt. Durch die variable Einstellung des Drehzahlverhältnisses der Planetengetriebeeinrichtung 10b kann die Sekundär-Antriebsmaschine 2 durch eine Lastpunktverschiebung in einen jeweils günstigen Betriebspunkt betrieben werden und damit eine Effizienzsteigerung des kombinierten Antriebssystems erreicht werden. Zudem kann im Stillstand des Fahrzeugs die Energiespeichereinrichtung (nicht dargestellt) über die Primär-Antriebsmaschine mit Energie befüllt werden.
  • In 11 ist ein weiteres kombiniertes Antriebssystem dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung und die Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Bei diesem kombinierten Antriebssystem ist die Sekundär-Antriebswelle 2 über einen Drehschwingungsdämpfer 7 und eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, mit einem zweiten Getriebeeingangselement, hier dem Sonnenrad 10b.1, der Planetengetriebeeinrichtung 10b verbindbar. Der Leistungsfluss zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine 2 und einem zweiten Getriebeeingangselement 10b.1 der Planetengetriebeeinrichtung 10b ist durch die Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 mit einer Eingangsseite 8.1 und einer Ausgangsseite 8.2 unterbrechbar. Die Primär-Antriebswelle 1.1 ist mit einem Getriebeeingangselement 10.2 und somit mit dem Sonnenrad 10b.1 der Planetengetriebeeinrichtung 10b verbunden.
  • Das Antriebselement des Fahrzeugs 4 ist mit dem Getriebeausgangselement 10.2 und somit mit dem Planetenradträger 10b.2 verbunden. Das Hohlrad 10b.3 der Planetengetriebeeinrichtung 10b stützt sich über eine Überholkupplung 9 bzw. über eine weitere Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8a, hier vorzugsweise als Bremseinrichtung ausgeführt, am Getriebegehäuse 10.3 des Planetengetriebes 10b ab. Die Primär-Antriebswelle 1.1 ist über eine weitere Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8b, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, mit dem Planetenradträger 10b.2 verbindbar. Durch die Verbindung des Sonnenrades 10b.1 mit dem Planetenradträger 10b.2 kann die Planetengetriebeeinrichtung 10b mit einem besonders hohen Wirkungsgrad und einem Drehzahlverhältnis von 1:1 betrieben und damit eine hohe Effizienz des kombinierten Antriebssystems erreicht werden.
  • In 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung und die Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Das in 12 dargestellte kombinierte Antriebssystem weist im Wesentlichen die gleichen Elemente auf, wie das in 11 dargestellte kombinierte Antriebssystem. Bei dem in 12 dargestellten kombinierten Antriebssystem sind die Sekundär-Antriebsmaschine 2 und die Primär-Antriebsmaschine 1 koaxial fluchtend zueinander ausgerichtet. Die Sekundär-Antriebsmaschine 2 und die Primär-Antriebsmaschine 1 sind durch eine Planetengetriebeeinrichtung 10b mit dem Antriebselement des Fahrzeugs 4 verbindbar.
  • Die Sekundär-Antriebswelle 2.1 ist mit einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, wobei diese eine Eingangsseite 8.1 und eine Ausgangsseite 8.2 aufweist, mit der Primär-Antriebswelle 1.1 verbindbar. Die Primär-Antriebswelle 1.1 ist durch das Getriebeeingangselement 10.1 mit dem Sonnenrad 10b.1 verbunden. Der Planetenradträger 10b.2 ist mit einer weiteren Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8a, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, mit dem Sonnenrad 10b.1 verbindbar. Das Hohlrad 10b.3 bildet das Getriebeausgangselement 10.2 und ist über die Abtriebseinrichtung 3 mit dem Antriebselement des Fahrzeugs 4 verbunden. Der Planetenradträger 10b.2 ist über eine Überholkupplung 9 und eine weitere Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8b, hier vorzugsweise als Bremseinrichtung ausgeführt, mit dem Getriebegehäuse 10.3 der Planetengetriebeeinrichtung 10b verbindbar.
  • Wird die Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8a zwischen dem Sonnenrad 10b.1 und dem Planetenradträger 10b.2 geschlossen, weist die Planetengetriebeeinrichtung 10b ein Drehzahlverhältnis von 1:1 auf.
  • Im Gegensatz zu dem in 9 dargestellten kombinierten Antriebssystem weist das in 12 dargestellte kombinierte Antriebssystem keine Anpass-Getriebeeinrichtung 10a auf. Durch den Entfall der Anpass-Getriebeeinrichtung 10a ist anzunehmen, dass der Wirkungsgrad bei der Leistungsübertragung steigt und dass zugleich das Massenträgheitsmoment der Primär-Antriebsmaschine vorteilhaft für die Schwingungsdämpfung der Sekundär-Antriebsmaschine eingesetzt werden kann. Es ist jedoch zu beachten, dass durch die Anbindung der Sekundär-Antriebsmaschine 2 und der Primär-Antriebsmaschine 1 an eine gemeinsame Planetengetriebeeinrichtung 10b die Möglichkeiten zur Drehzahlanpassung zwischen Sekundär-Antriebswelle 2.1 und Primär-Antriebswelle 1.1 schlechter sind und sich daraus Nachteile bezüglich der Effizienz des gesamten kombinierten Antriebssystem ergeben können.
  • In 13 ist als Stand der Technik ein heute üblicher Full-Hybrid-Antrieb systematisch dargestellt. Dieses kombinierte Antriebssystem weist eine Energiespeichereinrichtung 5 auf, zwei Leistungselektronikeinheiten 6, eine Primär-Antriebsmaschine 1, einen Generator 11, eine Sekundär-Antriebsmaschine 2, eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, eine Abtriebseinheit 3 sowie ein Antriebselement des Fahrzeugs 4. Bei einem Full-Hybrid-Antriebssystem ergibt sich zum einen der Vorteil, dass zwei vollständige Antriebssysteme kombiniert werden und damit besonders hohe Fahrleistungen realisiert werden können.
  • Auf der anderen Seite ergibt sich der Nachteil, dass durch diese beiden vollständigen Antriebssysteme das Fahrzeuggewicht und die Kosten erhöht werden. Im Vergleich zum erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystem stellt das Full-Hybrid-Antriebssystem damit eine relativ schwere und somit weniger effiziente Lösungsvariante dar. Zu beachten ist, dass zwar theoretisch die gesamte im Fahrzeug gespeicherte Leistung im Schubbetrieb zurückgewonnen werden kann (rekuperieren), dass in der Praxis dieser Anteil aber geringer ausfällt, da zum Rekuperieren eine mehrfach Energiewandlung nötig ist. Daraus folgt, dass eine leichtes Kraftfahrzeug, trotz der Möglichkeit zur Rekuperation, effizienter betrieben werden kann, als ein schweres Kraftfahrzeug.
  • In 14 sind verschiedene Möglichkeiten dargestellt, wie die Sekundär-Antriebsmaschine 2 mit Drehmoment-Übertragungseinrichtungen 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, beziehungsweise mit Drehschwingungsdämpfern 7 kombiniert werden kann. Wird die Sekundär-Antriebsmaschine 2 als eine Antriebsmaschine mit einem mit Drehschwingungen behafteten Abtriebsdrehmoment ausgeführt, wie dies z. B. bei heute üblichen Hubkolbenmotoren der Fall ist, so ist es sinnvoll, die Sekundär-Antriebsmaschine 2 mit einem Drehschwingungsdämpfer 7 zu kombinieren. Es wird darauf hingewiesen, dass das Massenträgheitsmoment der Primär-Antriebsmaschine vorteilhaft zur Schwingungsdämpfung genutzt werden kann. Vorzugsweise wird die Primär-Antriebsmaschine als eine Masse eines Zwei-Massen-Schwungrades verwendet.
  • Die Sekundär-Antriebsmaschine 2 ist zur Drehschwingungsdämpfung in 14a, 14b und 14d mit einem Drehschwingungsdämpfer 7 kombiniert. Soll ein möglichst großer Teil der im Kraftfahrzeug gespeicherten potentiellen und/oder kinetischen Energie zurückgewonnen und in der Energiespeichereinrichtung (nicht dargestellt) eingespeichert werden, so ist es sinnvoll, den Leistungsfluss zur Sekundär-Antriebsmaschine 2 durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 unterbrechen zu können. Dieses Unterbrechen der Leistungsübertragung zur Sekundär-Antriebsmaschine 2 kann durch eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 erreicht werden.
  • Die Sekundär-Antriebsmaschine 2 ist in 14a, 14b und 14c mit einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 kombiniert. Durch die Kombination der Sekundär-Antriebsmaschine 2 mit einer Überholkupplung 9 und einer weiteren Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 lassen sich zusätzliche Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung beziehungsweise zur Komfortsteigerung des kombinierten Antriebssystems erreichen.
  • Die in 14a–14d dargestellten Kombinationsmöglichkeiten der Sekundär-Antriebsmaschine 2 mit weiteren Einrichtungen (7, 8, 9), ist prinzipiell mit jedem erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystem kombinierbar. In Abhängigkeit des restlichen kombinierten Antriebssystems ergeben sich jedoch zu bevorzugende Ausführungen der Sekundär-Antriebsmaschine 2 mit den weiteren Einrichtungen (7, 8, 9). Eine gewisse Auswahl dieser zu bevorzugenden Kombinationsmöglichkeiten ist in den 5–12 dargestellt.
  • In 15 ist der Zusammenhang der Drehzahl der Primär- und der Sekundär-Antriebsmaschine von der Fahrzuggeschwindigkeit für ein erfindungsgemäßes kombiniertes Antriebssystem dargestellt. Dabei liegt der Darstellung in 15 die Annahme zugrunde, dass das kombinierte Antriebssystem keine schaltbare Getriebeeinrichtung aufweist. Jedoch gelten die grundsätzlichen Überlegungen aus 15 auch für kombinierte Antriebssysteme mit einer schaltbaren Getriebeeinrichtung. Vorzugsweise wird die Primär-Antriebsmaschine so ausgewählt, dass ihre Maximaldrehzahl npri_max höher ist, als die Maximaldrehzahl der Sekundär-Antriebsmaschine nsek_max.
  • Für die Drehzahl beider Antriebsmaschinen gilt nach 15, dass diese proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit sind. In 15 wird davon ausgegangen, dass die Sekundär-Antriebsmaschine eine Antriebsmaschine ist, welche nicht ab Drehzahl nsek_var = 0 ein Drehmoment abgegeben kann. Dies trifft zum Beispiel auf heute übliche Hubkolbenmotoren zu. Dieser Bereich ist mit n0 gekennzeichnet. Durch den proportionalen Zusammenhang der beiden Drehzahlen npri_var und nsek_var jeweils mit der Fahrzeuggeschwindigkeit, lässt sich die Drehzahl der Sekundär-Antriebsmaschine nsek_var durch eine Getriebeeinrichtung mit nur einer diskreten Übersetzungsstufe auf die Drehzahl der Primärantriebsmaschine npri_var anpassen, oder umgekehrt.
  • Kombinierte Antriebssysteme, in welchen eine solche Drehzahlanpassungen durch eine Anpass-Getriebeeinrichtung durchgeführt werden, sind beispielsweise in 6 und 8 dargestellt. Durch die Eigenschaft der Sekundär-Antriebsmaschine im Bereich n0 ist eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung zum Trennen der Leistungsübertragung der Sekundär-Antriebsmaschine auf das kombinierte Antriebssystem notwendig. Kombinierte Antriebssystem mit einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung zum Trennen der Leistungsübertragung sind beispielsweise in 5 bis 12 dargestellt.
  • In 16 ist der Zusammenhang zwischen der Drehzahldifferenz zwischen der Primär-npri_max und der Sekundär-Antriebsmaschine nsek_max mit dem Gewicht, dem Bauraum und den Kosten, welchen eine zum Anpassen dieser Drehzahlen aneinander notwendige Anpass-Getriebeeinrichtung verursacht, dargestellt. Dieser Bereich ist mit IG gekennzeichnet. Dabei ist in 16 erkennbar, dass eine niedrige Drehzahl der Primär-npri_max und der Sekundär-Antriebsmaschine nsek_max tendenziell zu hohem Gewicht, Bauraumbedarf und Kosten der Getriebeeinrichtung führt, da bei einer Getriebeeinrichtung, welche eine gleichbleibende Leistung (PC) überträgt, mit sinkender Drehzahl das Drehmoment ansteigt.
  • Im Allgemeinen werden die leistungsübertragenden Bauteile in Getriebeeinrichtung bezüglich des zu übertragenden Drehmoments dimensioniert. Daher führen hohe Drehzahlen tendenziell zu leichteren Bauteilen. Wie dargelegt, kann ein leichtes Kraftfahrzeug mit kombinierten Antriebssystem effizienter betrieben werden als ein schweres. Es ist jedoch zu beachten, dass mit steigenden Drehzahlen die systembedingten Verlustleistungen steigen. Diese verschlechtern den Wirkungsgrad eines kombinierten Antriebssystems wiederum.
  • In 17 ist der Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad ηges des kombinierten Antriebsystems und der Dringlichkeit Q zur aktiven Erzeugung von elektrischer Energie dargestellt. Unter der aktiven Erzeugung von elektrischer Energie ist dabei zu verstehen, dass die Sekundär-Antriebsmaschine sowohl Leistung zum Überwinden der Fahrtwiderstände abgibt, als auch die Primär-Antriebsmaschine zum Erzeugen elektrischer Energie antreibt. Bei der aktiven Erzeugung von elektrischer Energie wird die in der Primär-Antriebsmaschine erzeugte Energie in der Energiespeichereinrichtung gespeichert.
  • Die Dringlichkeit Q ist dabei von verschiedenen Parametern abhängig. Solche Parameter sind vorzugsweise der aktuelle Ladestand der Energiespeichereinrichtung, Fahrstreckeninformationen und Umgebungsparameter sowie Eingabemöglichkeiten von Fahrzeuginsassen. Vorzugsweise steigt die Dinglichkeit Q, wenn der Energieinhalt der Energiespeichereinrichtung gering ist und umgekehrt. Bei einer niedrigen Dringlichkeit Q – die Energieinhalt der Energiespeichereinrichtung ist hoch – wird vorzugsweise elektrische Energie nur dann aktiv erzeugt, wenn diese Erzeugung bei einem hohen Wirkungsgrad ηges des kombinierten Antriebssystems erfolgen kann. Ist die Dringlichkeit Q hoch, wird das kombinierte Antriebssystem so gesteuert, dass die Energie aktiv erzeugt wird, obwohl dies bei einem schlechten Wirkungsgrad ηges geschieht.
  • Diese grundsätzlichen Zusammenhänge werden durch die η-Schwelle erfasst. In der η-Schwelle sind die zuvor genannten Bedingungen zu einer Ladestrategie mit der Möglichkeit zur aktiven Energieerzeugung verknüpft. Die η-Schwelle wird vorzugsweise durch einen unteren Wert η2 und/oder einen oberen Wert η1 begrenzt. Durch den oberen η1-Wert und den unteren η2-Wert wird verhindert, dass ständig zwischen einem Betriebszustand mit aktiver Energieerzeugung und einem Betriebszustand ohne eine aktive Energieerzeugung hin- und hergewechselt wird.
  • In 18 sind qualitativ Drehzahlverhältnisse einer Planetengetriebeeinrichtung dargelegt, so wie sie beispielhaft in 10 dargestellt sind. Die mit a gekennzeichnete Linie in 18 repräsentiert die Drehzahl für das Hohlrad. Die mit b gekennzeichnet Linie repräsentiert die Drehzahl des Planetenradträgers. Das Hohlrad ist mit dem Antriebselement des Fahrzeugs verbunden. Der Planetenradträger ist wahlweise mit der Sekundär-Antriebsmaschine verbindbar und/oder mit der Abtriebswelle der Primär-Antriebsmaschine.
  • Durch die Überlagerung der Drehzahl der Sekundär-Antriebsmaschine mit der Drehzahl der Primär-Antriebsmaschine kann die Planetengetriebeeinrichtung in dem mit c gekennzeichneten Drehzahlbereich mit kontinuierlich verstellbarem Drehzahlverhältnis betrieben werden. Wahlweise kann die Planetengetriebeeinrichtung auch mit einem diskreten Drehzahlverhältnis von 1:1 betrieben werden. Der Drehzahlbereich c wird nach oben durch die maximal möglichen Drehzahlen der Antriebsmaschinen nsek_max und npri_max begrenzt und nach unten durch die variabel einstellbare Drehzahl der Sekundär-Antriebsmaschine nsek_var und die niedrigste mit der Sekundär-Antriebsmaschine darstellbare Drehzahl nsek_min. Die Drehzahl nsek_min ist zum Beispiel die Leerlaufdrehzahl eines Hubkolbenmotors. Dabei wird die Drehzahl nsek_var der Sekundär-Antriebsmaschine vorzugsweise so eingestellt, dass sich ein hoher Wirkungsgrad für das kombinierte Antriebssystem einstellt. Durch diese Überlagerung der Drehzahlen der Primär-Antriebsmaschine und der Sekundär-Antriebsmaschine ist es möglich, insbesondere die Sekundär-Antriebsmaschine in einem günstigen Wirkungsgradbereich zu betreiben.
  • Mit einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung lässt sich das Sonnenrad der Planetengetriebeeinrichtung mit dem Planetenradträger verbinden. Dadurch wird ein Drehzahlverhältnis von 1:1 für die Planetengetriebeeinrichtung erreicht. In 18 sind beispielhaft die Umschaltpunkte dI und dII für die Planetengetriebeeinrichtung vom variablen Drehzahlverhältnis auf die 1:1 Übersetzung dargestellt. Dabei werden der Hochschaltpunkt dII und der Zurückschaltpunkt dI unterschiedlich gewählt, um häufige Schaltvorgänge zu vermeiden und einen energieeffizienten Betrieb zu ermöglichen.
  • Die Umschaltpunkte dI und dII sind so zu wählen, dass mit dem ersten Übersetzungsbereich insbesondere große Fahrtwiderstände, wie das Anfahren an einer Steigungsstrecke oder das Überfahren eines Bordsteins, überwunden werden. Die Umschaltung in den Bereich der Übersetzung 1:1 wird insbesondere dann durchgeführt, wenn konstante Fahrtwiderstände überwunden werden, wie zum Beispiel bei einer Überlandfahrt mit konstanter Geschwindigkeit. Die Überlagerung der beiden Drehzahlen der Antriebsmaschinen und die Möglichkeit zur 1:1 Übersetzung der Planetengetriebeeinrichtung ermöglicht somit einen energieeffizienten Betrieb des kombinierten Antriebssystems.
  • In 19 sind die Leistungsanforderung P und die Geschwindigkeit V eines Kraftfahrzeugs mit einem Fahrzeuggewicht von ca. 1000 kg für einen vorbestimmten Fahrzyklus (Extra-Urban-Driving-Cycle, EUDC) über der Zeit aufgetragen. Dieser Fahrzyklus umfasst dabei insbesondere den außerstädtischen Fahrbetrieb mit Beschleunigungs-, Konstantfahrt- und Entschleunigungsphasen. Zusätzlich ist in 19 die Sekundär-Leistung PS, welche von der Sekundär-Antriebsmaschine in diesem Fahrzyklus erzeugt wird, dargestellt.
  • In 19 ist erkennbar, dass die Sekundär-Leistung PS während der Beschleunigungs- und Konstantfahrtphasen unterhalb des Leistungs-Anforderung P des Kraftfahrzeugs liegt. Ein Kraftfahrzeug mit einem kombinierten Antriebssystem, welches eine Sekundär-Antriebsmaschine mit der in 19 dargestellten nominellen Sekundär-Leistung aufweist, kann während des dargestellten Fahrzyklusses keine elektrische Energie aktiv erzeugen. Unter der nominellen Sekundär-Leistung ist dabei die Leistung zu verstehen, welche eine Sekundär-Antriebsmaschine dauerhaft abgeben kann. Dadurch, dass sich durch die geringe nominelle Sekundär-Leistung während des normalen Fahrbetriebs keine Ladepotentiale ergeben, ist die erreichbare Fahrstrecke stark von der Größe der Energiespeichereinrichtung abhängig. Unter dem Ladepotential ist dabei zu verstehen, dass mit der Sekundär-Antriebsmaschine, nicht nur die für die Fahrt des Kraftfahrzeugs notwendige Leistung abgegeben wird, sondern dass gleichzeitig elektrische Energie aktiv erzeugt werden kann. Durch die aktive Energieerzeugung kann also der Energiespeicher während der Fahrt wieder befüllt und damit die Reichweite des Fahrzeugs verlängert werden.
  • In 20 ist der gleiche Fahrzyklus wie in 19 dargestellt. In 20 durchläuft ein Kraftfahrzeug mit 1000 kg Fahrzeuggewicht und mit einem kombinierten Antriebssystem diesen Fahrzyklus, wobei die Sekundär-Antriebsmaschine gegenüber dem in 19 dargestellten Kraftfahrzeug eine höhere nominelle Sekundär-Leistung aufweist. Durch die größere nominelle Sekundär-Leistung ergeben sich während des Fahrzyklusses in 20 Ladepotentiale R. Diese Ladepotentiale R ergeben sich vorzugsweise während der Konstantfahrtphasen, insbesondere wenn die Geschwindigkeit V nicht hoch ist. Hier ist vorzugsweise die Sekundär-Leistung PS größer als die Leistungsanforderung P. Mit einem kombinierten Antriebssystem, welches nach der Lehre der 20 konfiguriert ist, kann während der Fahrt aktiv elektrische Energie erzeugt werden.
  • In 21 sind die Energiebedarfsanforderungen EN und die Energiegewinnungspotentiale (ES, MED, EED, EM) über der Leistung der Sekundär-Antriebsmaschine für den EUDC aufgetragen. Dabei ist erkennbar, dass mit zunehmender Sekundär-Leistung die Möglichkeit, elektrische Energie (EED) während der Fahrt aktiv zu erzeugen, zunimmt. Wenn die gesamte elektrische Energie, welche für die Fahranforderung benötigt wird (EN), gleich groß ist, wie die bereits zu Fahrtbeginn in der Energiespeichereinrichtung gespeicherte Energie (ES), muss von der Sekundär-Antriebsmaschine keine elektrische Leistung zur aktiven Energieerzeugung abgegeben werden. Dies wäre zum Beispiel der Fall bei reinen Elektrofahrzeugen. Es ist einzusehen, dass für ein solches Kraftfahrzeug die Reichweite durch die Größe des elektrischen Energiespeichers limitiert ist.
  • Ist im Wesentlichen keine elektrische Energie (ES) zu Beginn der Fahrt in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert, und besteht keine Möglichkeit elektrische Energie zu erzeugen, so muss der gesamte Energiebedarf (EN) von der Sekundär-Antriebsmaschine gedeckt werden. Dies wäre der Fall für ein rein verbrennungsmotorisch betriebenes Fahrzeug. Die Sekundär-Antriebsmaschine gibt die Energie (MED) direkt zum Antrieb des Kraftfahrzeugs ab. Zwar ist für ein ausschließlich verbrennungsmotorisch betriebenes Kraftfahrzeug die Reichweite nur vom Tankinhalt abhängig. Jedoch ist ein emissionsfreier Betrieb, wie er zunehmend in den Fokus rückt, nicht möglich.
  • Das erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem weist deshalb zum einen eine elektrische Energiespeichereinrichtung auf, welche bereits zu Fahrtbeginn des Fahrzeugs mit elektrischer Energie (ES) befüllt sein kann. Zudem weist ein solches kombiniertes Antriebssystem eine Sekundär-Antriebsmaschine auf, welche zum Antrieb des Fahrzeugs direkt Energie bereitstellt (MED) und während der Fahrt Leistung zur aktiven elektrischen Energieerzeugung abgeben kann. Maximal kann mit einem solchen System die elektrisch Energie (EM) erzeugt werden. Durch die richtige Wahl der Sekundär-Antriebsmaschine und der elektrischen Energiespeichereinrichtung wird die Effizienz eines erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystems entscheidend beeinflusst.
  • In 22 ist die Antriebsleistung, welche von unterschiedlichen kombinierten Antriebssystem für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden kann, über der Geschwindigkeit, welche ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Antriebssystem erreicht, dargestellt. Hierbei sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Betriebszustände von kombinierten Antriebssysteme gegenübergestellt.
  • Zum einen ist dies ein Betriebszustand eines kombinierten Antriebssystems, bei welchem alle Antriebselemente des Fahrzeugs ausschließlich von der Primär-Antriebsmaschine mit Antriebsleistung versorgt werden, wobei diese Antriebsleistung in der Sekundär-Antriebsmaschine erzeugt wird und in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie wird entweder zur Primär-Antriebsmaschine geleitet und/oder in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert. Dieser Betriebszustand eines kombinierten Antriebssystems wird als serieller Hybridantriebsmodus bezeichnet. Ein serieller Hybridantriebsmodus bietet den Vorteil, dass die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in weiten Bereichen unabhängig von der Drehzahl der Sekundär-Antriebsmaschine ist. Somit kann die Sekundärantriebsmaschine in einem wirkungsgradgünstigen Bereich betrieben werden. Für niedrige Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs ergeben sich zusätzliche Anforderungen an die Geräuschemission und die Schwingungsdämpfung des kombinierten Antriebssystems, so dass für diesen Geschwindigkeitsbereich nicht die volle Leistung der Sekundär-Antriebsmaschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Die theoretisch mit einem solchen Antriebssystem nutzbare Leistung zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs ist in 22 mit a gekennzeichnet.
  • Die beschriebene mehrfache Energiewandlung von der Sekundär-Antriebsmaschine bis zum Antriebselement des Fahrzeugs ist mit einem Wirkungsgrad η behaftet. Dieser Wirkungsgrad η führt dazu, dass weniger als die theoretisch mögliche Leistung a zum Antrieb des Fahrzeugs zu Verfügung steht, so dass sich der mit b gekennzeichnete tatsächliche Verlauf der Leistung zum Antrieb des Kraftfahrzeugs ergibt.
  • Zum anderen ist die Leistung zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, welche vorzugsweise mit einem erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystem bereitgestellt werden kann in 22 dargestellt und mit c gekennzeichnet. Bei einem erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystem besteht die Möglichkeit, die in der Sekundär-Antriebmaschine erzeugt Leistung direkt, d. h. ohne weiter Umwandlung der Energieform, an das Antriebselement des Fahrzeugs zu leiten. Dieser besonders vorteilhafte Modus wird als mechanischer Durchtrieb bezeichnet.
  • Dabei zeigt der mit c gekennzeichnete Verlauf die Leistung zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystem mit nur einer festen Übersetzungsstufe der Getriebenrichtung, welches in diesem Durchtriebsmodus betrieben wird. Daraus folgt, dass die Drehzahl der Sekundär-Antriebsmaschine in weiten Bereichen stark von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängt, in erster Näherung proportional zu dieser ist.
  • Vergleicht man die Leistungen der beiden kombinierten Antriebssysteme (Verlauf c und b) so ist erkennbar, dass im Bereich niedriger Geschwindigkeiten mehr Leistung durch ein kombiniertes Antriebssystem im seriellen Hybridantriebsmodus als durch ein erfindungsgemäßes Antriebssystem im Durchtriebsmodus zum Antrieb des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden kann. Bereiche, auf welche diese Leistungsbeziehung zutrifft, sind mit d gekennzeichnet. Im Bereich mittlerer und hoher Geschwindigkeiten besitzt das erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem im Durchtriebsmodus Wirkungsgradvorteile gegenüber dem kombinierten Antriebssystem im seriellen Hybridantriebsmodus. Die Leistung, welche durch das erfindungsgemäße Antriebssystem zum Antrieb des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden kann, ist in den mit e gekennzeichneten Bereichen größer, als beim kombinierten Antriebssystem im seriellen Hybridantriebsmodus.
  • In 23 sind die weitgehend gleichen kombinierten Antriebssysteme gegenübergestellt, wie in 22. Der Unterschied zwischen 22 und 23 besteht darin, dass das erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem in 23 eine schaltbare Getriebeeinrichtung mit zwei Schaltstufen iI und iII aufweist.
  • Durch zwei Schaltstufen der schaltbaren Getriebeeinrichtung ergibt sich die Möglichkeit, die Abtriebsdrehzahl der Sekundär-Antriebsmaschine in zwei Stufen an die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs anzupassen. Diese beiden Bereiche sind durch iI und iII gekennzeichnet. Durch die schaltbare Getriebeeinrichtung ergeben sich die Leistungsverläufe cI und cII. Diese repräsentieren die von der Sekundär-Antriebsmaschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs abgebbare Leistung.
  • Durch die schaltbare Getriebeeinrichtung werden die zu bevorzugenden Bereiche e vergrößert und die Bereiche d verkleinert. Tendenziell führen mehr Getriebestufen einer schaltbaren Getriebeeinrichtung zu einem schlechteren Wirkungsgrad und zu einem höheren Gewicht des kombinierten Antriebssystems, so dass, wie auch in 3 dargestellt, die Anzahl der Übersetzungsstufen der Getriebeeinrichtung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems zwischen eins und vier liegt.
  • In 24 ist ein Vergleich der Wirkungsgrade ηmech_Durchtrieb und ηelekt._seriell der beiden in 23 beschriebenen kombinierten Antriebssysteme jeweils über der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs aufgetragen dargestellt. Dabei ist der Wirkungsgrad eines kombinierten Antriebssystems, welches sich in einem seriellen Hybridantriebsmodus befindet, mit ηelekt._seriell gekennzeichnet. Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystems mit einer schaltbaren Getriebeeinrichtung mit zwei Übersetzungsstufen ist mit ηmech_Durchtrieb bezeichnet. Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen kombinierten Antriebssystems ηmech_Durchtrieb ist durchweg höher, als der Wirkungsgrad ηelekt._seriell eines kombinierten Antriebssystems, welches sich im seriellen Hybridantriebsmodus befindet. Das erfindungsgemäße kombinierte Antriebssystem stellt damit eine effiziente Möglichkeit dar, ein Kraftfahrzeug anzutreiben.
  • In 25 ist der Verlauf der elektrische Reichweite a eines Kraftfahrzeugs mit kombinierten Antriebssystem aufgetragen über der nominellen Batteriegröße dargestellt. Die tatsächlich zum Antrieb des Kraftfahrzeugs zur Verfügung stehende Energiemenge der elektrischen Energiespeichereinrichtung ist geringer, als diese nominelle Batteriegröße, da eine elektrische Energiespeichereinrichtung nach heutigem Stand der Technik nicht vollständig entladen werden soll.
  • Grundsätzlich gilt der Zusammenhang, dass eine elektrische Energiespeichereinrichtung mit größerer nomineller Batteriekapazität zu einer größeren erreichbaren elektrischen Reichweite des Kraftfahrzeugs führt. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass eine größere nominelle Batteriekapazität zur Zunahme des Fahrzeugsgewichts führt.
  • Bezüglich des Fahrzeuggewichts gilt der grundsätzliche Zusammenhang, dass bei größerem Fahrzeuggewicht die erreichbare Reichweite des Kraftfahrzeugs geringer ist, bei ansonsten gleichbleibenden Randbedingungen. 25 zeigt dementsprechend, dass die elektrischen Reichweite a eines Kraftfahrzeugs zunächst mit der nominellen Batteriekapazität progressiv wächst. Bei ständig weiter steigender nomineller Größe der Batteriekapazität, verläuft die elektrische Reichweite aber ab einem bestimmten Punkt degressiv.
  • Vorzugsweise wird die nominelle Batteriegröße der elektrischen Energiespeichereinrichtung so gewählt, dass sie im Wesentlichen in den Bereich der maximalen Steigung b der dargestellten Funktion a, also im Bereich c, liegt. Für ein Kraftfahrzeug mit einem Gesamtgewicht von ca. 1000 kg ergibt sich mit heute üblichen elektrischen Energiespeichereinrichtungen eine nominelle Batteriegröße für ein erfindungsgemäßes kombiniertes Antriebssystem in einem Bereich von 5 bis 15 kWh.
  • In 26 ist ein kombiniertes Antriebssystem dargestellt, wie dieses im Wesentlichen auch in der 11 gezeigt ist. Die Energiespeichereinrichtung und die Leistungselektronik sind nicht dargestellt.
  • Bei diesem kombinierten Antriebssystem ist die Sekundär-Antriebswelle 2.1 über einen Drehschwingungsdämpfer 7, hier vorzugsweise als Schwungrad ausgeführt, und eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, mit einem Getriebeeingangselement 10.1 und somit mit dem Sonnenrad 10b.1 verbindbar. Der Leistungsfluss zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine 2 und diesem Getriebeeingangselement 10.1 der Planetengetriebeeinrichtung 10b ist somit durch die Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8 mit einer Eingangsseite 8.1 und einer Ausgangsseite 8.2 beeinflussbar.
  • Die Primär-Antriebswelle 1.1 ist mit einem Getriebeeingangselement 10.1 und somit mit dem Sonnenrad 10b.1 der Planetengetriebeeinrichtung 10b verbunden. Die Primär-Antriebsmaschine 1 und die Sekundär-Antriebsmaschine 2 sind demnach koaxial fluchtend zueinander angeordnet. Das Antriebselement des Fahrzeugs 4 ist mit dem Getriebeausgangselement 10.2 und somit mit dem Planetenradträger 10b.2 mittels einer Abtriebseinheit 3, vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine Differentialgetriebeeinrichtung, verbunden.
  • Das Hohlrad 10b.3 kann mittels einer weiteren Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8a, hier vorzugsweise als Bremseinrichtung ausgeführt, gegenüber dem Getriebegehäuse 10.3 still gesetzt werden. In diesem stillgesetzten Zustand führt das Hohlrad 10b.3 keine Drehbewegung gegenüber dem Getriebegehäuse 10.3 aus. Die Planetengetriebeeinrichtung 10b weist bei still gesetztem Hohlrad 10b.3 und geöffneter weiterer Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8b, hier vorzugsweise als Kupplung ausgeführt, welche zwischen dem Planetenradträger 10b.2 und Hohlrad 10b.3 angeordnet ist, ein erstes Übersetzungsverhältnis auf.
  • Der Planetenradträger 10b.2 und das Hohlrad 10b.3 können über eine zwischen diesen angeordnete Drehmoment-Übertragungseinrichtung 8b drehfest miteinander verbunden werden, alternativ ist es auch möglich, wie in 11 gezeigt, dass der Planetenradträger 10b.2 und das Sonnenrad 10b.1 in gleicher Weise mittels einer Drehmoment-Übertragungseinrichtung miteinander verbindbar sind. Werden der Planetenradträger 10b.2 und das Hohlrad 10b.3 miteinander verbunden und das Hohlrad 10b.3 ist nicht weiter still gesetzt, so weist die Planetengetriebeeinrichtung ein zweites Übersetzungsverhältnis von 1:1 auf. Bezugszeichen:
    1 Primär-Antriebsmaschine
    1.1 Primär-Antriebswelle
    2 Sekundär-Antriebsmaschine
    2.1 Sekundär-Antriebswelle
    3 Abtriebseinheit
    4 Antriebselement des Fahrzeugs
    5 Energiespeichereinrichtung
    6 Leistungselektronik
    7 Drehschwingungsdämpfer
    8 Drehmoment-Übertragungseinrichtung
    8.1 Eingangsseite (der Drehmoment-Übertragungseinrichtung)
    8.2 Ausgangsseite (der Drehmoment-Übertragungseinrichtung)
    9 Überholkupplung
    10 Getriebeeinrichtung
    10.1 Getriebeeingangselement
    10.2 Getriebeausgangselement
    10.3 Getriebegehäuse
    10.4 zweites Getriebeeingangselement
    10a Anpass-Getriebeeinrichtung
    10b Planeten-Getriebeeinrichtung
    10b.1 Sonne
    10b.2 Planetenradträger
    10b.3 Hohlrad
    10b.4 Planetenräder
    10c schaltbare Getriebeeinrichtung
    11 Generator
    Abkürzungen:
    P Leistungsanforderung im EUDC (power)
    V Geschwindigkeit im EUDC (velocity)
    PS Leistung der Sekundärantriebsmaschine (power Sekundär)
    R Ladepotentiale im EUDC (recharge)
    ES Zu Fahrtantritt gespeicherte Energie (energie stored)
    EN Für den EUDC benötigte Energiemenge bei 1000 Kg Fahrzeuggewicht (energie need)
    EM Maximal erzeugbare Energie (energie maximum)
    MED Direkte mechanisch aufgewendete Energie während der Fahrt (mechanical energie drive)
    EED Elektrisch erzeugte Energie während der Fahrt (electrical energie drive)
    PPA Leistung der Primär-Antriebsmaschine
    PSA Leistung der Sekundär-Antriebsmaschine

Claims (32)

  1. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem mit: wenigstens einer Primär-Antriebsmaschine (1), die wenigstens eine Primär-Antriebswelle (1.1) zur Aufnahme oder Abgabe einer Leistung aufweist, wenigstens einer Sekundär-Antriebsmaschine (2), die wenigstens eine Sekundär-Antriebswelle (2.1) zur Abgabe einer Leistung aufweist, eine Sekundär-Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8) welche wenigstens eine Eingangsseite (8.1) aufweist, die mit dieser Sekundär-Antriebswelle (2.1) verbunden ist und wenigstens eine Ausgangsseite (8.2), wobei durch diese Sekundär-Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8) die Beeinflussung eines von der Eingangsseite (8.1) eingeleiteten und von der Ausgangsseite (8.2) ausgeleiteten Drehmoments ermöglicht ist, wenigstens eine Energiespeichereinrichtung (5) wenigstens eine Abtriebseinrichtung (3) welche die von der Primär-Antriebsmaschine (1) und/oder die von der Sekundär-Antriebsmaschine (2) abgegebene Leistung dem Fahrzeug als Antriebsleistung zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens eine Primär-Antriebsmaschine (1) wenigstens in einem ersten Betriebszustand betreibbar ist, in welchem von der Primär-Antriebswelle (1.1) Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs abgegeben wird, sowie wenigstens in einem zweiten Betriebszustand, in welchem über die Primär-Antriebswelle (1.1) von der Sekundär-Antriebswelle (2.1) aufgenommene Leistung, wenigstens teilweise als Energie in der Energiespeichereinrichtung (5) speicherbar ist und dass das Verhältnis zwischen der Nennleistung der Primär-Antriebsmaschine (1) (PPA) und der Nennleistung der Sekundär-Antriebsmaschine (2) (PSA) im Bereich 0,5 < PPA/PSA < 10, bevorzugt im Bereich 0,8 < PPA/PSA < 5 und besonders bevorzugt im Bereich 1 < PPA/PSA < 3 liegt und, dass zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine (2) und der Abtriebseinrichtung (3) wenigstens ein Drehschwingungsdämpfer (7) angeordnet ist, welcher dazu vorgesehen ist, Drehschwingungen zu verringern.
  2. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen nur eine einzige Primär-Antriebsmaschine (1) vorgesehen ist, um das Fahrzeug anzutreiben und um Energie in der Energiespeichereinrichtung (5) zu speichern.
  3. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Antriebsmaschine (1) und die Ausgangsseite der Sekundär-Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8.2) jeweils mit wenigstens einem Getriebeeingangselement (10.1) wenigstens einer Getriebeeinrichtung (10) verbunden sind, wobei diese Getriebeeinrichtung (10) weiterhin wenigstens ein Getriebeausgangselement (10.2) aufweist.
  4. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Antriebsmaschine (1) und die Ausgangsseite der Sekundär-Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8.2) jeweils mit wenigstens einem Getriebeeingangselement (10.1) wenigstens einer Getriebeeinrichtung (10) mit veränderbarer Übersetzung verbunden sind, wobei diese Getriebeeinrichtung (10) mit veränderbarer Übersetzung so gestaltet ist, dass wenigstens zwei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zwischen wenigstens einem Getriebeeingangselement (10.1) und wenigstens einem Getriebeausgangselement (10.2) einstellbar sind.
  5. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen dieser Sekundär-Antriebswelle (1.1) und dieser Getriebeeinrichtung (10) angeordnete Sekundär-Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8) als Kupplung, bevorzugt als schaltbare oder bevorzugt als automatisch schaltende Kupplung ausgebildet ist.
  6. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Antriebsmaschine (1) ein Energiewandler ist, in welchem elektrische Energie in kinetische beziehungsweise mechanische Energie oder kinetische beziehungsweise mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
  7. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Antriebsmaschine (2) eine Verbrennungskraftmaschine ist, in welcher chemisch gebundene Energie durch innere oder äußere Verbrennung in kinetische beziehungsweise mechanische Energie umgewandelt wird.
  8. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine ein Hubkolbenmotor ist, insbesondere mit einer Zylinderanzahl kleiner oder gleich vier, vorzugsweise mit einer Zylinderanzahl kleiner oder gleich drei oder besonders bevorzugt mit einer Zylinderanzahl von zwei oder eins.
  9. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Antriebsmaschine (2) ein Kreiskolbenmotor ist, insbesondere ein Kreiskolbenmotor mit einem einzelnen Kreiskolben.
  10. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine eine Starteinrichtung aufweist, die vorzugsweise einen von der Primär-Antriebsmaschine getrennten und von dieser im Wesentlichen unabhängig betreibbaren elektrischen Anlasser aufweist, und welche dazu vorgesehen ist, die Verbrennungskraftmaschine zum Anlassen zu beschleunigen.
  11. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung (5) eine Speicherkapazität aufweist, welche in der Ebene eine Fahrzeugreichweite unter Einsatz der Primär-Antriebsmaschine (1) und ohne Einsatz der Sekundär-Antriebsmaschine (2), von ca. 10 bis 400 km, vorzugsweise von ca. 20 bis 200 km und besonders bevorzugt von ca. 40 bis 100 km und ganz besonders bevorzugt von ca. 100 km ermöglicht.
  12. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung (5) elektrische Energie als Speicherbatterie oder Akkumulator in chemisch gebundener Form speichert und vorzugsweise eine Speicherkapazität von 2 bis 40 kWh, vorzugsweise von 3 bis 30 kWh und besonders bevorzugt von 4 bis 20 kWh aufweist.
  13. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung (5) mit einer Energie-Zuführeinrichtung verbindbar ist, durch welche der Energiespeichereinrichtung (5) Energie von außerhalb des Kraftfahrzeugs zugeführt werden kann.
  14. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (10) mehrere feste Übersetzungsstufen aufweist, nämlich vorzugsweise vier, besonders bevorzugt drei und ganz besonders bevorzugt zwei.
  15. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach Anspruch 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (10) ein Umlaufgetriebe ist, insbesondere ein Planetengetriebe (10b), vorzugsweise mit wenigstens einem Sonnenrad (10b.1), wenigstens einem Hohlrad (10b.3), wenigstens einem Planetenradträger (10b.2) und wenigstens einem Planetenrad (10b.4).
  16. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Antriebswelle (1.1) und die Sekundär-Antriebswelle (1.1) koaxial und/oder fluchtend zueinander angeordnet sind.
  17. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentfluss durch eine oder zwei oder drei oder mehr Drehmoment-Übertragungseinrichtungen (8) beeinflussbar ist und dass die Drehmoment-Übertragungseinrichtungen (8) aus einer Gruppe ausgewählt sind, welche mechanische Kupplungen und Bremsen mit Form- oder Reibschluss, welche insbesondere schlupfgesteuert sind, insbesondere nass- oder trockenlaufende Lammellen- und Backenkupplungen und -bremsen oder Klauenkupplungen und Rastverbindungen, hydraulische Kupplungen, insbesondere hydrodynamische Drehmomentwandler mit und ohne Überbrückungskupplung, Kupplungen die Drehmoment wenigstens teilweise aufgrund der Scherreibung von Flüssigkeiten übertragen und Kupplungen mit Füllmengenregelung und Überhohlkupplungen, insbesondere nicht-schaltbare und schaltbare Freiläufe beinhaltet.
  18. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Sekundär-Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8) eine Überhohlkupplung (9) ist, vorzugsweise ein Freilauf und besonders bevorzugt ein schaltbarer Freilauf.
  19. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens zwischen der Sekundär-Antriebsmaschine (2) und der Abtriebseinrichtung (3) angeordnete wenigstens eine Drehschwingungsdämpfer (7) aus einer Gruppe mechanischer Schwingungsdämpfer ausgewählt ist, wobei diese Gruppe insbesondere Schwingungsdämpfer, welche aufgrund eines Feder-Masse-Systems Schwingungen dämpfen, Schwingungsdämpfer, welche aufgrund von innerer Reibung Schwingungen dämpfen, und Schwingungsdämpfer, welche aufgrund von Flüssigkeitsreibung oder Strömungswiderständen Schwingungen dämpfen, aktive Schwingungsdämpfer, welche aufgrund von zuvor gemessenen und/oder berechneten Daten Kompensationsschwingungen hervorrufen und dadurch Schwingungen dämpfen, Schwingungsdämpfer welche mittels eines mit der Drehzahl veränderliche Eigenfrequenzverhaltens Schwingungen dämpfen aufweist.
  20. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Primär-Antriebsmaschine (1) und/oder der Sekundär-Antriebsmaschine (2) und/oder der Getriebeeinrichtung (10) und/oder der Energiespeichereinrichtung (5) und/oder wenigstens einer Steuereinrichtung zum Steuern dieses kombinierten Antriebssystems vorhandene thermische Energie einem zur Wärmeübertragung geeignetem Fluid zugeführt wird und dass dieses direkt oder indirekt zum Temperieren einer Fahrgastzelle und/oder zum Temperieren wenigstens der Sekundär-Antriebsmaschine (2) und/oder der Getriebeeinrichtung (10) und/oder der Energiespeichereinrichtung (5) und/oder der Leistungselektronik verwendet wird.
  21. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärts- und Rückwärtsfahren durch das Umkehren der Drehrichtung der Primär-Antriebsmaschine (1) bewirkbar ist.
  22. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach mindestens einem der nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Nennleistung der Primär-Antriebsmaschine (1) und der Nennleistung der Sekundär-Antriebsmaschine (2) größer ist als die Leistungsanforderung (EN) des Kraftfahrzeuges in einem vorgegebenen Fahrzyklus, und insbesondere größer ist als die Leistungsanforderungen nach dem Fahrzyklus NEFZ und/oder EUDC und/oder IUDC und/oder dem realen Fahrbetrieb.
  23. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennleistung von Primär-Antriebsmaschine (1) und Sekundär-Antriebsmaschine (2) so gewählt sind, dass während des Durchfahrens eines Fahrzyklusses, insbesondere eines Fahrzyklusses NEFZ und/oder EUDC, das Verhältnis der Ladezeit, in der die Leistung der Sekundär-Antriebsmaschine (2) durch die Primär-Antriebsmaschine (1) in der Energiespeichereinrichtung (5) gespeichert werden kann, zwischen 20% und 80%, vorzugsweise zwischen 30% und 70% und besonders bevorzugt zwischen 40% und 60% der Gesamtzykluszeit liegt.
  24. Kraftfahrzeug nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (10) zwei oder drei Schaltstufen aufweist und dass die Getriebeübersetzungen so bemessen sind, dass beim Durchfahren eines Fahrzyklusses, und insbesondere beim Durchfahren des NEFZ-Fahrzyklusses und/oder des EUDC-Fahrzyklusses, eine möglichst hohe Energiemenge von der Sekundär-Antriebsmaschine (2) auf die Primär-Antriebsmaschine (1) übertragen und in der Energiespeichereinrichtung (5) abgespeichert wird.
  25. Kraftfahrzeug mit kombiniertem Antriebssystem gemäß mindestens einem der nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Aufladung der Energiespeichereinrichtung (5) durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird, welche aufgrund einer Gruppe von Parametern, welche wenigstens den Energieinhalt der Energiespeichereinrichtung (5) enthält, einen Kennwert für die Dringlichkeit (Q) ermittelt, mit der die Energiespeichereinrichtung (5) aufgeladen werden muss und dass die Steuereinrichtung weiterhin aufgrund von Parametern, zu welchen wenigstens eine Kenngröße gehört, die für den Betrieb der Sekundär-Antriebsmaschine (2) kennzeichnend ist, den Wirkungsgrad eines möglichen Ladevorgangs berechnet und den Ladevorgang einer vorgegebenen Funktion so steuert, dass bei hoher Dringlichkeit (Q) unabhängig vom Wirkungsgrad geladen wird und dass bei geringer Dringlichkeit (Q) die Aufladung in Abhängigkeit vom jeweiligen Wirkungsgrad erfolgt.
  26. Kraftfahrzeug gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingabevorrichtung vorgesehen ist, in welcher der Benutzer eine Wegstrecke vorgeben kann, während derer keine Ladung der Energiespeichereinrichtung (5) durch externe Energiezufuhr erfolgen kann, und dass diese Wegstreckeninformation bei der Berechnung der Dringlichkeit (Q) der Aufladung der Energiespeichereinrichtung (5) berücksichtigt wird.
  27. Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung für die Wegstreckeninformation mit einem Navigationssystem zusammenwirkt.
  28. Kombiniertes Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, insbesondere nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Erreichen einer hohen Energieeffizienz, wobei dieses kombinierte Antriebssystem wenigstens eine Primär-Antriebsmaschine (1), eine Sekundär-Antriebsmaschine (2), eine Energiespeichereinrichtung (5) sowie eine Abtriebseinrichtung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei der folgenden Betriebszustände verwirklicht sind: – die Leistungen der Sekundär-Antriebsmaschine (2) und der Primär-Antriebsmaschine (1) werden gemeinsam zum Antrieb des Kraftfahrzeugs herangezogen; wobei die Sekundär-Antriebsmaschine (2) mechanisch in den Antrieb eingekoppelt ist, – die Sekundär-Antriebsmaschine (2) treibt an und die Primär-Antriebsmaschine (1) wird über die Primär-Antriebswelle (1.1) angetrieben und die dabei von der Primär-Antriebsmaschine (1) erzeugte Energie wird wenigstens teilweise gespeichert; – die Primär-Antriebsmaschine (1) treibt an und die Sekundär-Antriebsmaschine (2) ist dabei im Stillstand; – die Primär-Antriebsmaschine (1) wird über die Primär-Antriebswelle (1.1) angetrieben und die Sekundär-Antriebsmaschine (2) ist im Stillstand oder im Leerlauf, wobei dieses kombinierte Antriebssystem in Abhängigkeit verschiedener Randbedingungen in unterschiedliche Betriebszustände versetztbar ist, wobei das Antriebssystem unter Berücksichtigung des Betriebszustands und der Betriebsanforderungen durch den Benutzer steuerbar ist..
  29. Kombiniertes Antriebssystem gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche direkt oder indirekt wenigstens eine der folgende Betriebsgrößen erfaßt: die Drehzahl und/oder Beschleunigung der Primär-Antriebswelle (1.1) und/oder wenigstens eine Temperatur der Primär-Antriebsmaschine (1) und/oder die Drehzahl und/oder Beschleunigung der Sekundär-Antriebswelle (2.1) und/oder wenigstens eine Temperatur der Sekundär-Antriebsmaschine (2) und/oder die Drehzahl und/oder Beschleunigung der Abtriebseinrichtung (3) und/oder die Drehzahl und/oder Beschleunigung wenigstens eines Getriebeeingangselements (10.1) und/oder wenigstens eine Temperatur der Getriebeeinrichtung (10) und/oder die Drehzahl und/oder Beschleunigung wenigstens eines Antriebselements des Fahrzeugs (4) und/oder die Drehzahl und/oder Beschleunigung der Sekundär-Antriebsmaschine (2) den Füllungsgrad wenigstens einer Energiespeichereinrichtung (5) und/oder wenigstens eine Temperatur wenigstens einer Energiespeichereinrichtung (5) und/oder wenigstens eine Stromstärke und/oder eine Spannung wenigstens eines Energiespeichereinrichtung (5) und/oder die Rate des Nickens und/oder die Rate des Wankens und/oder die Rate des Gierens und/oder wenigstens einen Abstand zu wenigstens einem anderen Verkehrsteilnehmer, und/oder wenigstens den Einfederungszustands einer Fahrwerkseinrichtung, und wobei in dieser Steuereinrichtung Informationen abgespeichert sind und wobei diese Informationen und diese erfassten Daten so verknüpft werden, dass das kombinierte Antriebssystem unter Berücksichtigung der erfassten Werte gesteuert wird.
  30. Kombiniertes Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der Drehzahl der Sekundär-Antriebswelle (2.1) und der Drehzahl eines Getriebeeingangselements (10.1) oder der Drehzahl der Primär-Antriebswelle (1.1) bestimmt wird, und wenn diese Differenz größer oder gleich der Null ist, eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8) betätigt wird oder einrückt ein, so dass Leistung von der Sekundär-Antriebsmaschine (2) zur Abtriebseinrichtung (3) fließt.
  31. Kombiniertes Antriebssystem nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung (5) erfasst wird, und dass ein Leistungsfluss von der Sekundär-Antriebsmaschine (2) zur Primär-Antriebsmaschine (1) nur zugelassen wird, wenn der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung (5) einen in der Steuereinrichtung abgelegten Grenzwert unterschreitet, wobei dieser Grenzwert wenigstens von der Fahrstrecke, dem Ladezustand der Energiespeichereinrichtung und vorzugsweise dem Betriebszustand wenigstens einer Antriebsmaschine abhängig ist.
  32. Kraftfahrzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 27 welches ein kombiniertes Antriebssystem mindestens einem der Ansprüche 28 bis 31.
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