DE202013008616U1 - Hybridantrieb zum Einsatz in einem KFZ - Google Patents

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Abstract

Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine zum Einsatz in einem KFZ dadurch gekennzeichnet, daß – die elektrische Maschine für den niedrigen Geschwindigkeitsbereich genutzt wird, – der Verbrennungsmotor für den höheren Geschwindigkeitsbereich genutzt wird – und die elektrische Energie für den Akkumulator durch Rekuperation gewonnen wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridantrieb nach 1 zum Einsatz in einem KFZ entsprechend der Merkmale der Patentansprüche 1 bis 7.
  • Der Hybridantrieb als Parallel-Hybrid ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise wird ein normaler Verbrennungsmotor eingesetzt, wie er auch in einem Fahrzeug ohne Hybridantrieb zur Anwendung kommt. Die elektrische Maschine wird vorwiegend als zusätzlicher Motor zur Leistungssteigerung eingesetzt. Dadurch kann aber der Gesamtwirkungsgrad des Hybridsystems kaum verbessert werden, sodaß auch der Kraftstoffverbrauch nur geringfügig sinkt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen Hybridantrieb zu konzipieren, der einen deutlich höheren Gesamtwirkungsgrad erreicht. Der Kraftstoffverbrauch kann dadurch um bis zu 50% gesenkt werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 3 gelöst.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Parallel-Hybrid nach 1, bei dem ein Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine jeweils einzeln oder gemeinsam Leistung dem Getriebe zuführen können oder vom Getriebe aufnehmen können. Das Getriebe ist über einen herkömmlichen Achsantrieb (Differential) mit den Antriebsrädern verbunden. Zwischen Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine und elektrischer Maschine und Getriebeeinheit ist jeweils eine Trennkupplung angeordnet, wodurch der mechanische Kraftfluß unterbrochen wenden kann. Desweiteren ist die elektrische Maschine über eine Leistungselektronik mit dem Akkumulator für den Elektroantrieb verbunden. Die einzelnen Komponenten des Hybridantrieb werden von einer intelligenten elektronischen Regeleinheit automatisch gesteuert.
  • Als Verbrennungsmotor kann wahlweise ein Ottomotor oder Dieselmotor verwendet werden. Für den Einsatz in diesem Hybridantrieb wird der Verbrennungsmotor speziell an diese besonderen Betriebsbedingungen angepaßt. Der Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors wird im Drehzahlbereich von ca. 1800 bis 4000 U/min optimiert, damit der Verbrennungsmotor in diesem hauptsächlich genutzten Drehzahlbereich besonders sparsam betrieben werden kann. Außerdem wird für die Steuerung der Leistung des Verbrennungsmotors eine Zylinderabschaltung einschließlich der Kompression so vorgesehen, daß jeder Zylinder einzeln abgeschaltet oder zugeschaltet werden kann.
  • Die Kupplung K1 ist zwischen Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine angeordnet und hat die Aufgabe, den Verbrennungsmotor je nach Anforderung vom Hybridantrieb zu trennen oder wieder mit diesem zu verbinden. Die Kupplung kann sowohl als Reibkupplung oder als Lamellenkupplung ausgeführt sein. Eine wichtige Bedingung ist, daß der Verbrennungsmotor 'weich' (ruckfrei) eingekuppelt wird, d. h., daß der Verbrennungsmotor zunächst gleichmäßig durch ein aufgebrachtes Reibmoment durch die Kupplung K1 auf die erforderliche Betriebsdrehzahl gebracht wird.
  • Als elektrische Maschine wird eine Synchron-Maschine (Drehstromprinzip) gewählt, da diese mit geringen Verlusten betrieben werden kann. Die elektrische Maschine kann über die Leistungselektronik als Antriebsmotor oder als Generator geschaltet werden. Im Generatorbetrieb kann einerseits der Akkumulator geladen werden, andererseits kann damit auch das Fahrzeug abgebremst werden. Dabei wird aus der Bewegungsenergie des Fahrzeugs wieder elektrische Energie zurückgewonnen und der Akkumulator geladen (Rekuperation). Die Nutzung der elektrischen Maschine als Antriebsmotor ist im Normalfall vorgesehen für den Geschwindigkeitsbereich unterhalb einer Geschwindigkeit Ve (ca. 30–40 km/h) vorwiegend zum Rangieren, Anfahren und Beschleunigen. In besonderen Situationen, z. B. bei Überholvorgängen, kann die elektrische Maschine auch als Motor zur Leistungssteigerung des Hybridsystems eingesetzt werden.
  • Für die Übertragung der Antriebsleistung über den Achsantrieb auf die Antriebsräder wird ein automatisch geschaltetes Getriebe eingesetzt. Hierfür wird ein Doppelkupplungsgetriebe (auch als DSG bezeichnet) mit ausreichender Zahl an Gangstufen (mind. 6–8) vorgesehen, da dieses sehr geringe Verluste aufweist.
  • Die Kupplung K2 ist zwischen der elektrischen Maschine und dem Doppelkupplungsgetriebe (DSG) angeordnet. Sie ist im normalen Fahrbetrieb immer geschlossen und muß nur bei besonderen Betriebsbedingungen (z. B. beim 'Standlauf') betätigt werden. Die Ausführung kann unterschiedlich sein. Wahlweise kann diese Kupplung K2 auch konstruktiv in das Doppelkupplungsgetriebe (DSG) integriert sein.
  • Das Anfahren und Beschleunigen bis Ve (ca. 30–40 km/h) erfolgt mit der elektrischen Maschine, die hier als Elektromotor arbeitet. Dabei bleibt der Verbrennungsmotor ausgeschaltet, die Kupplung K1 ist geöffnet. Ab Ve wird auf den Verbrennungsmotor umgeschaltet. Dazu wird die Kupplung K1 langsam geschlossen, damit der Verbrennungsmotor zunächst auf Betriebsdrehzahl gebracht wird. Dann wird die Leistung des Verbrennungsmotors zugeschaltet. Nun wird im Normalfall die elektrische Maschine abgeschaltet (Leerlauf), der Verbrennungsmotor treibt nun das Fahrzeug an. Sinkt die Geschwindigkeit wieder deutlich unter Ve ab, dann wird wieder auf die elektrische Maschine umgeschaltet. Dazu wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und die Kupplung K1 geöffnet.
  • Die Rückwärtsfahrt wird ähnlich wie beim Anfahren mit der elektrischen Maschine realisiert. Es wird dazu lediglich die Drehrichtung der elektrischen Maschine geändert.
  • Im Schiebebetrieb kann der Verbrennungsmotor komplett abgeschaltet werden, die Kupplung K1 wird dazu geöffnet. Hierbei ergibt sich die geringste Bremswirkung des Hybridsystems. Alternativ dazu kann der Verbrennungsmotor bei Schubabschaltung ohne Kompression betrieben werden. Die Kupplung K1 bleibt geschlossen. Der Vorteil liegt darin, daß der Verbrennungsmotor schnell wieder zugeschaltet werden kann. Desweiteren kann der Verbrennungsmotor bei Schubabschaltung auch mit Kompression betrieben werden, wenn er als Motorbremse benutzt wenden soll. Dabei bleibt die Kupplung K1 ebenfalls geschlossen.
  • Betrieb im Niedriglastbereich: Wenn vom Verbrennungsmotor des Hybridantrieb wenig Leistung benötigt wird (ca. < 30%), kann durch Abschaltung einzelner Zylinder der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verbessert und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
  • Betrieb bei Vollast: Wenn bei bestimmten Betriebszuständen maximal mögliche Leistung benötigt wird (z. B. Überholvorgänge), kann zusätzlich zum Verbrennungsmotor auch die elektrische Maschine zum Antrieb zugeschaltet werden.
  • Wenn während des verbrennungsmotorischen Betriebs die Akkumulatoren des Hybridantriebs geladen werden sollen, wird die elektrische Maschine als Generator betrieben. Wird der Akkumulator unter ungünstigen Betriebsbedingungen (z. B. stop-and-go im Stadtverkehr) zu stark entladen, kann durch die Servicefunktion 'Standlauf' der Verbrennungsmotor im Stand betrieben werden und die elektrische Maschine kann im Generatorbetrieb den Akkumulator wieder nachladen.
  • Verzögerung des Fahrzeuges (Bremsen): Das Abbremsen des Fahrzeuges erfolgt im Normalfall durch die Betätigung des Bremspedals mit dem Fuß. Dabei wird bei geringer Betätigung des Pedals zuerst die Bremswirkung der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb genutzt (Rekuperation). Bei stärkerer Betätigung des Bremspedals wird zusätzlich die hydraulische Bremsanlage des Fahrzeugs aktiviert. Alternativ dazu kann die Bremswirkung der elektrischen Maschine auch durch einen Betätigungsschalter am Lenkrad mit der Hand aktiviert werden. Dies bietet sich immer dann an, wenn nur geringe Bremswirkung benötigt wird. Dabei kann viel Energie durch Rekuperation zurückgewonnen und im Akkumulator gespeichert werden.
  • Servicefunktion 'Standlauf: Diese Betriebsart wird benötigt, damit der Verbrennungsmotor für Zwecke von Wartung und Service bei Stillstand des Fahrzeuges betrieben werden kann.
  • Dazu wird die Kupplung K2 geöffnet und die Kupplung K1 bleibt geschlossen. Zum Starten des Verbrennungsmotors wird die elektrische Maschine als Motor benutzt.
  • Bei dem beschriebenen Hybridantrieb laut Patentansprüchen 1 bis 7 wird der Verbrennungsmotor nur im Drehzahlbereich mit hohem Drehmoment eingesetzt. In Verbindung mit dem verlustarmen Doppelkupplungsgetriebe (DSG) wird ein sehr hoher Gesamtwirkungsgrad dieses Hybridantriebs erreicht, sodaß der Kraftstoffverbrauch gegenüber herkömmlichen verbrennungsmotorischen Antrieben um bis zu 50% gesenkt werden kann. Außerdem erlaubt dieses Hybidkonzept eine relativ kostengünstige Herstellung.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsmotor (VM)
    2
    Kupplung (K1)
    3
    elektrische Maschine (EM)
    4
    Kupplung (K2)
    5
    Doppelkupplungsgetriebe (DSG)
    6
    Achsantrieb mit Differential (D)
    7
    Leistungselektronik (LE)
    8
    Akkumulator (Akku)
    9
    elektronische Regeleinheit (RE)
    10
    Bedienelemente (BE)
    11
    12 V-Bordnetzakkumulator

Claims (7)

  1. Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine zum Einsatz in einem KFZ dadurch gekennzeichnet, daß – die elektrische Maschine für den niedrigen Geschwindigkeitsbereich genutzt wird, – der Verbrennungsmotor für den höheren Geschwindigkeitsbereich genutzt wird – und die elektrische Energie für den Akkumulator durch Rekuperation gewonnen wird.
  2. Hybridantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor auf geringe Drehzahlbandbreite mit hohem Wirkungsgrad ausgelegt ist und durch eine Kupplung mechanisch abgekuppelt und stillgelegt werden kann.
  3. Hybridantrieb nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder des Verbrennungsmotors sowohl einzeln als auch gemeinsam abgeschaltet werden können und somit keine Verdichterarbeit leisten.
  4. Hybridantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine für den wahlweisen Betrieb als Antriebsmotor, als Generator zum Laden des Akkumulators oder als Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors ausgelegt ist.
  5. Hybridantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung zwischen der elektrischen Maschine und dem Verbrennungsmotor ein sanftes (ruckfreies) Zuschalten des Verbrennungsmotors während der Fahrt ermöglicht.
  6. Hybridantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragung auf den Achsantrieb mittels automatisch arbeitendem Doppelkupplungsgetriebe (DSG) mit großer Anzahl von Schaltstufen erfolgt.
  7. Hybridantrieb nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenspiel der Komponenten über eine intelligente elektronische Regeleinheit gesteuert wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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