DE2554157A1 - Hybrid-antrieb - Google Patents

Hybrid-antrieb

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DE2554157A1 DE19752554157 DE2554157A DE2554157A1 DE 2554157 A1 DE2554157 A1 DE 2554157A1 DE 19752554157 DE19752554157 DE 19752554157 DE 2554157 A DE2554157 A DE 2554157A DE 2554157 A1 DE2554157 A1 DE 2554157A1
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Description

  • Bezeichnung: Hybrid-Antrieb
  • Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antrieb mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe, dessen einer Zweig mit einer Antriebsmaschine und einem, dieser parallel zugeordneten Gyrospeicher verbunden ist, und dessen anderer Zweig mit dem drehbaren Stellglied einer, ein steuerndes Drehmoment liefernden Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die Drahzahlen beider Zweige addiert bzw. voneinander subtrahiert werden.
  • Ein Hybrid-Antrieb dieser Art ist durch die DT-AS 2 353 724 bekannt geworden. Er besteht im wesentlichen aus einer Antriebsmaschine, die so dimensioniert ist, daß sie die stationäre Grundlast des Antriebes übernimmt, sowie einem zur Antriebsmaschine parallel geschalteten Gyrospeicher der so dimensioniert ist, daß seine kinetische Energie görßenordnungsmäßig mindestens gleich der kinetischen Energie eines mit dem Gyroantrieb ausgerüsteten Fahrzeuges bei Höchstgeschwindigkeit ist. Die Momente dieser beiden Antriebsräder werden addiert und wirken auf die Antriebsräder eines Fahrzeuges. Zur Steuerung des Antriebes sowie zur Übernahme von instationären Leistungsspitzen ist eine gegenüber der Antriebsmaschine wesentlich kleinere Elektromaschine mit zugeordneter Leistungselektronik vorgesehen. Diese Elektromaschine kann sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden und steht über ein Leistungsverzweigungsgetriebe mit der Abtriebswelle der beiden anderen Antriebskomponenten in Antriebsverbindung.
  • Die Elektromaschine erhält ihren Strom aus einer Batterie oder einem Netz, das gegebenenfalls auch von einem mit der Antriebsmaschine verbundenen Generator gespeist werden kann.
  • Bei dem bekannten Antrieb gibt somit die Abtriebswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes die Summe der Einzelleistungen der Antriebsmaschine, des ihr parallel zugeordneten Gyrospeichers und der als Steuereinrichtung wirkenden Elektromaschine an die angetriebenen Räder eines Fahrzeuges ab.
  • Obwohl es bei diesem Antrieb durch Anordnung eines Untersetzungsgetriebes und einer schleifend betätigbaren Trennkupplung zwischen dem Leistungsverzweigungsgetriebe und der Elektromaschine gelungen ist, letztere relativ klein zu dimensionieren, wirkt sich diese elektrische Komponente sehr wesentlich auf die Anwendung des Antriebes aus.
  • So gestattet es die Elektromaschine, zeitweise die stationäre Leistung des Hybrid-Antriebes beträchtlich zu erhöhen, was z.B. beim Befahren von Steigungen vorteilhaft ist. Die Antriebsmaschine kann dabei entsprechend klein dimensioniert werden, was dann günstig ist, wenn diese Antriebsmaschine spezifisch teuer oder schwer ist, z.B. der Stirling-Motor, der etwa das Vierfache einer üblichen Antriebsmaschine kostet.
  • Gleiche Vorteile ergeben sich auch dann, wenn die Antriebsmaschine z.B. ein Otto-Motor oder eine Gasturbine, einen schlechten Wirkungsgrad im Teillastbereich hat.
  • Andererseits führt die Anordnung einer elektrischen Maschine und ihrer Hilfsaggregate, insbesondere einer schweren Batterie zu. einer beträchtlichen Erhöhung des Leistungsgewichtes und der Leistungskosten. Auch ist der Wirkungsgrad der Energieübertragung im elektrischen Zweig des Hybrid-Antriebes ungünstiger, als im mechanischen Zweig (zwischen Gyrospeicher und Abtriebswelle), so daß der Nutzbremsungswirkungsgrad vom elektrischen Zweig beeinträchtigt wird.
  • Die Ausrüstung des Hybrid-Antriebes mit dieser elektrischen Komponente ist insbesondere dann relativ teuer, wenn der Antrieb nur eine geringe stationäre Leistung zu erbringen hat, beispielsweise bei einem Fahrzeugeinsatz in ebenem Gebiet und bei längeren Fahrtstrecken.
  • Auch dann, wenn Batterie und Leistungselektronik der Elektromaschine durch eine zweite Elektromaschine ersetzt wurden, ist in solchen Fällen die elektrische Komponente noch zu aufwändig.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Hybrid-Antrieb dadurch zu verbessern, daß die auf den einen Zweig des Leistungsverzweigungsgetriebes einwirkende Steuereinrichtung ohne Einbuße ihres Steuerbereiches weiter vereinfacht wird.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Steuereinrichtung aus einem stufenlos regelbaren und umkehrbaren, mit der Antriebsmaschine verbundenen Getriebe besteht.
  • Durch die Maßnahme wird ein Teil der Antriebsenergie der Antriebsmaschine, die sowohl eine Brennkraftmaschine als auch ein Elektromotor sein kann, über die Steuereinrichtung entsprechend deren Einstellung in den anderen Zweig des Leistungsverzweigungsgetriebes eingeleitet und bewirkt eine genaue Steuerung des Antriebes, trotz der relativ träge steuerbaren Antriebsmaschine.
  • Da die bekannte elektrische Komponente, bestehend aus Elektromaschine, Leistungselektronik und Batterie etwa das acht- bis zehnfache Gewicht eines Getriebes hat, wird durch die neue Anordnung eine beträchtliche Gewichtsersparnis erzielt.
  • Entsprechendes gilt für die Kosten des Antriebes.
  • Die Ausbildung der Steuereinrichtung als Getriebe kann auf verschiedene Weise erfolgen.
  • Als hydraulische Lösung bietet sich an, daß die Steuereinrichtung ein hydrostatisches Getriebe ist, das aus einer mit der Antriebsmaschine in Antriebsverbindung stehenden hydrostatischen Maschine und einer hiermit hydraulisch verbundenen weiteren hydrostatischen Maschine besteht, deren Welle mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe verbunden ist. Dabei dient die mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe verbundene hydrostatische Maschine als Stellglied der Steuereinrichtung.
  • In manchen Fällen kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die hydraulische Verbindungsleitung beider hydrostatischer Maschinen mit einem hydraulischen Druckspeicher verbunden ist.
  • Hierdurch vergrößert sich der Steuerbereich der Einrichtung.
  • Darüberhinaus steht auch ein Energiespeicher zum Anlassen der Antriebsmaschine bzw. des Gyrospeichers zur Verfügung.
  • Eine gleichwertige mecahnis che Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß die Steuereinrichtung eine mechanische Getriebeanordnung ist, die aus einem mit der Antriebsmaschine einerseits und mit dem anderen Zweig des Leistungsverzweigungsgetriebes andererseits verbundenen stufenlos verstellbaren Getriebe, einem Umkehrgetriebe und einer schleifend betätigbaren Kupplung besteht. Dabei wird die Kupplung im Übergangsbereich der Drehrichtungsumkehr eingesetzt.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung beider Ausführungsformen besteht darin, daß zwischen der Antriebsmaschine und dem Leistungsverzweigungsgetriebe ein Schaltgetriebe angeordnet ist. Hierdurch ist eine günstigere Lastverteilung möglich.
  • In Fällen, wo der Hybrid-Antrieb zur Überwindung größerer instationärer Widerstände herangezogen wird, z.B. für Bergfahrten, ist es ferner vorteilhaft, wenn zwischen der Antriebsmaschine und dem Leistungsverzweigungsgetriebe mindestens ein Stufenpaar eines Schaltgetriebes und die übrigen Schaltstufen in an sich bekannter Weise auf der Abtriebswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes angeordnet sind.
  • Nachstehend ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert und zwar zeigen: Fig.1 einen Hybrid-Antrieb mit hydrostatischer Steuereinrichtung, Fig.2 einen Hybrid-Antrieb mit mechXnischer Steuereinrichtung, Fig.3 ein Nomogramm des Hybrid-Antriebes Fig.1 zeigt einen Hybrid-Antrieb gemäß der Erfindung als Antrieb für ein Kraftfahrzeug. Er besteht im wesentlichen aus einer Antriebsmaschine 1, die als Brennkraftmaschine beliebiger Bauart oder als Elektromaschine ausgebildet sein kann und leistungsfähig so ausgelegt ist, daß sie eine stationäre Grundlast des Antriebes zu decken vermag. Ferner ist parallel zu dieser Antriebsmaschine 1 ein Gyrospeicher 2 vorgesehen, der so bemessen ist, daß seine kinetische Energie mindestens in der Größenordnung der kinetischen Energie des Fahrzeuges etwa bei Höchstgeschwindigkeit liegt. Dieser Gyrospeicher 2, dessen Drehmoment mit dem Drehmoment der Antriebsmaschine addiert wird, ist mit der Abtriebswelle 8 der Antriebsmaschine 1 über ein Untersetzungsgetriebe 3 verbunden.
  • Beide Antriebskomponenten 1 und 2 stehen mit dem einen Zweig eines Leistungsverzweigungsgetriebes 4 in Antriebsverbindung, dessen Abtriebswelle 5 die Antriebsräder 6 des Fahrzeuges antreibt.
  • Die Zeichnung zeigt schematisch nur ein Antriebsrad 6. Das Leistungsverzweigungsgetriebe ist in der Zeichnung als Planetenradgetriebe ausgebildet.
  • Der andere Zweig des Leistungsverzweigungsgetriebes 4 steht mit einer Steuereinrichtung 7 in Antriebsverbindung, die ihrerseits als ein mit der Antriebsmaschine 1 verbundenes Getriebe ausgebildet ist.
  • Im einzelnen ist dieser Hybrid-Antrieb wie folgt ausgebildet: Wie die Zeichnung erkennen läßt, ist das Untersetzungsgetriebe 3 als schaltbares Planetenradgetriebe ausgebildet, dessen Steg 9 über einen hydrodynamischen Anfahrwandler 26 mit mechanischer Durchkupplung mit der Abtriebswelle 8 der Antriebsmaschine 1 verbunden ist. Das Untersetzungsgetriebe 3 dient in der dargestellten Ausführung in der einen Schaltstufe als coaxiales Untersetzungsgetriebe für den Gyrospeicher 2 in Bezug auf die Abtriebswelle 8 und in der anderen Schaltstufe (bei Freigabe der Planetenräder durch den Außenring) als Kupplung.
  • Das Sonnenrad 10 dieses Getriebes sitzt auf der Welle 11 des Cyrospeichers 2. Der Steg 9 trägt ferner ein Stirnrad, das mit einem hiermit verbundenen weiteren Stirnrad ein Übersetzungsgetriebe 12 bildet, das eine hydrostatische Maschine 13 antreibt, die einen Teil eines stufenlos regelbaren hydrostatischen Getriebes als wesentlichen Teil der Steuereinrichtung 7 bildet. Die hydrostatische Maschine 13 ist über eine Druckmittelleitung 14 mit einer weiteren hydrostatischen Maschine 15 verbunden, deren Welle 16 ein Ritzel 17 trägt, das mit dem Kronenrad 18 des als Planetengetriebe ausgebildeten Leistungsverzweigungsgetriebes 4 in Eingriff steht.
  • Das Sonnenrad 19 dieses Leistungsverzweigungsgetriebes 4 sitzt auf der Abtriebswelle eines schematisch dargestellten Schaltgetriebes 21, das mit der Welle 11 des Gyrospeichers 2 und der hiermit verbundenen Antriebsmaschine 1 in Antriebsverbindung steht.
  • Bei dem Schaltgetriebe 21 handelt es sich um das bei Kraftfahrzeugen übliche Gangschaltgetriebe.
  • Der mit den Planetenrädern besetzte Steg 20 des Leistungsverzweigungsgetriebes 4 treibt die Abtriebswelle 5 an, die mit einer Anfahr- oder Trennkupplung 22 versehen ist.
  • Für besondere instationäre Beanspruchungen ist die Abtriebswelle mit einem zusätzlichen Schaltgetriebe 23 ausgerüstet.
  • Wie die Zeichnung ferner zeigt, ist an die Druckmittelleitung 14 ein hydraulischer Druckspeicher 24 angeschlossen. Dieser ist ein vorteilhaftes aber nicht notwendiges Ausrüstungsteil des Hybrid-Antriebes und kann zusätzlich dazu dienen, den Gyrospeicher 2 in Gang zu setzen.
  • Durch Betätigung eines an einer der beiden hydrostatischen Maschinen, z.B. der Maschine 15 angeordneten Stellhebels 25, erfolgt die Steuerung des Antriebes mit Hilfe der Steuereinrichtung 7. Der Steuervorgang wird unten im einzelnen noch erläutert.
  • Dem Stellhebel 25 kann eine nicht gezeichnete Betätigungsautomatik zugeordnet sein. Diese Betätigungsautomatik ist kein Teil der vorliegenden Erfindung.
  • Fig.2 zeigt eine andere Ausführungsform des Hybrid-Antriebes.
  • Soweit die hier verwendeten Elemente mit denen des Hybrid-Antriebes der Fig.1 gleichartig sind, wurden die gleichen Bezugszeichen gewählt. Für sie gilt auch die Beschreibung der Fig.1.
  • Der vorliegende Hybrid-Antrieb gemäß Fig.2 unterscheidet sich von demjenigen der Fig.1 durch eine anderssrtige Steuereinrichtung 7'.
  • Anstelle des Übersetzungsgetriebes 12 ist ein stufenlos verstellbares, mechanisches Übersetzungsgetriebe 32 vorgesehen, das aus zwei im Durchmesser veränderbaren Keilriemenscheiben 27,28 und einem sie verbindenden Keilriemen 29 besteht und für sich allgemein bekannt ist. Die Keilriemenscheibe 28 steht mit einem Stellhebel 35 in Verbindung, der die gleiche Funktion wie der Stellhebel 25 bei der Ausführung nach Fig.1 hat.
  • Die Welle 30 der Keilriemenscheibe 28 stehtber eine schleifend betätigbare Trennkupplung 31 mit einem Wendegetriebe 33 in Antriebsverbindung, das abtriebsseitig über eine Welle 34 mit dem Ritzel 17 verbunden ist, das, wie bei der Ausführung nach Fig.1 mit dem Kronenrad 18 des Leistungsverzweigungsgetriebes zugewandte Seite der Trennkupplung 31 ist, wie die Zeichnung zeigt, abbremsbar. Eine Bremsung erfolgt dann, wenn vom Leistungsverzweigungsgetriebe her ein Drehmoment in die Steuereinrichtung 7' eingeleitet wird.
  • Die Betätigung und Wirkungsweise des Hybrid-Antriebes sei anhand des in Fig.3 gezeigten, für beide Versionen gültigen Nomogrammes näher erläutert: Fig.3 zeigt unten links die für vier Quadranten gültige Drehmomentencharakteristik der Steuereinrichtung 7 bzw. 7', die sowohl für positive als auch negative Drehmomente einerseits sowie negative und positive Drehzahlen andererseits (d.h. gegenläufige Drehzahlen) zu arbeiten vermag. Je nach der Drehrichtung des drehbaren Stellgliedes der Steuereinrichtung z.B. der hydrostatischen Maschine 15 wird deren Drehzahl zu derjenigen der Antriebsmaschine 1 addiert oder von dieser subtrahiert.
  • Die Drehmomentencharakteristik zeigt die Drehmomente M5 der Steuereinrichtung über ihrer Drehzahl n5 für negative und positive Drehzahlen. Parallel zur ns - Linie dieses Schaubildes sind auf einer Skala V die Fahrgeschwindigkeiten eines mit dem Hybrid-Antrieb ausgerüsteten Fahrzeuges aufgetragen und zwar die Geschwindigkeiten VI und VII für zwei Schaltstufen des Schaltgetriebes 23.
  • Parallel zur Linie ist auf einer Linie nA die Drehzahl der Antriebsmaschine und des Gyrospeichers unmittelbar vor der Einleitung in das Leistungsverzweigungsgetriebe aufgetragen und über dieser nA - Linie die Drehmomentencharacteristik MA der Antriebsmaschine angegeben.
  • Im ersten Schaltgang startet die Antriebsmaschine 1 mit einer Drehzahl n1, wobei die Steuereinrichtung mit negativer Drehzahl n1 auf das Leistungsverzweigungsgetriebe einwirkt.
  • Die Verbindungslinie zwischen dem Drehzahlpunkt n1 und dem Drehzahlpunkt nA1 schneidet die Linie an der Stelle V1 d.h. beim Start läuft das Fahrzeug nach dem Einkuppeln mit einer Fahrgeschwindigkeit V1, z.Es. mit 5 km/h. Bei entsprechender Steuerung der Drehzahl n der Steuereinrichtung vom negativen 5 in den positiven Bereich, d.h. bei einer Drehrichtungsumkehrung wird der Drehzahlpunkt n2 erreicht. Eine weitere Drehzahlerhöhung würde in den Bereich schlechterer Drehmomente führen.
  • Die Verbindungslinie zwischen n2 und nAl schneidet die V-Linie an der Stelle V2, d.h. bei etwa 20 km/h.
  • Zu diesem Zeitpunkt erfolgt etwa die Umschaltung in den zweiten Gang, wobei die Steuereinrichtung wieder mit der Drehzahl n1 betrieben wird. Verbindet man den Drehzahlpunkt n1 mit der Stelle V2, so schneidet die Verlängerung dieser Linie die nu Linie im Punkt nA2 Es erfolgt nun die gleiche Steuerung der Drehzahl n5 für diese Getriebeschaltstufe bis zum Endepunkt n2 und für jede weitere Schaltstufe.
  • Beim vorliegenden Hybrid-Antrieb ist davon auszugehen, daß am Leistungsverzweigungsgetriebe die beiderseitigen Drehmomente gleich groß sind. Dementsprechend ist der Wert Ms für das Orehmoment der Steuereinrichtung an der Stelle n2 gleich groß wie der entsprechende Maximalwert der Drehmomente an der Stelle nA1 auf der rechten Seite des Nomogammes. Geht man davon aus, daß der Wert der Leistung NS = MS x n2 bei der Drehzahl n2 ist, so entspricht der Wert dieser Leistung NS der Fläche M50 - MS2 - n2 - 0 im linken Teil des Drehmomentenschaubildes für die Steuereinrichtung 7 bzw.7'. Dieser Fläche ist die Fläche im rechten Teil des Nomogrammes zwischen den Stellen O - nA1 - MAG1 - IMAGO zu geordnet, die der Leistung der Antriebsmaschine 1 und des Gyrospeichers 4 entspricht. Die Leistung der Antriebsmaschine 1 entspricht dabei der Teilfläche ü-n1-MA1-MA0i' die verbleibende Differenzfläche der vom Gyrospeicher aufzubringenden Stützleistung.
  • Da Nomogramm zeigt deutlich, daß bei der zweiten Schaltstufe bei gleichen Verhältnissen im Bereich der Steuereinrichtung 7 bzw.7' und bei gleicher Leistung der Antriebsmaschine 1 entsprechend der Fläche O-nA2-MA2-MO2 der Leistungsanteil des Gyrospeichers beträchtlich erhöht wird. Eine weitere Steigerung dieses Leistungsanteils ergibt sich in der Schaltstufe 3. Unterstellt man, daß die Steuereinrichtung bei der Drehzahl n2 eine Leistung von 60PS liefert und die entsprechend zugeordnete Leistung der Antriebsmaschine 1 bei 80PS liegt, so ergibt sich für den Gyrospeicher in den drei dargestellten Schaltstufen eine Zunahme der Leistungsaufnahme von 2OPS, 140PS und 260PS, was den besonderen Vorteil des erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebes deutlich macht.
  • Leerseite

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1. Hybrid-Antrieb mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe, dessen einer Zweig mit einer Antriebsmaschine und einem dieser parallel zugeordneten Gyrospeicher verbunden ist, und dessen anderer Zweig mit dem drehbaren Stellglied einer ein steuerndes Drehmoment liefernden Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die Drehzahlen beider Zweige addiert bzw. voneinander subtrahiert werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuereinrichtung (7,7') aus einem stufenlos regelbaren und umkehrbaren, mit der Antriebsmaschine (1) verbundenen Getriebe besteht.
  2. 2. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i G h n e t, daß die Steuereinrichtung (7) ein hydrostatisches Getriebe ist, das aus einer mit der Antrieb maschine (1) in Antriebsverbindung (12) stehenden hydrostatischen Maschine (13) und einer hiermit hydraulisch (14) verbundenen weiteren hydrostatischen Maschine (15) besteht, deren Welle (16) mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe (4) verbunden ist.
  3. 3. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die hydraulische Verbindungsleitung (14) beider hydrostatischer Maschinen (13,15) mit einem hydraulischen Druckspeicher (24) verbunden ist.
  4. 4. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Steuereinrichtung (7') eine mechanische Getriebeanordnung ist, die aus einem mit der Anzriebsmaschine (1) einerseits und mit dem anderen Zweig des Leistungsverzweigungsgetriebes (4) andererseits verbundenen stufenlos verstellbaren Getriebe (32) einem Wendegetriebe (33) und einer schleifend betätigbaren Kupplung (31) besteht.
  5. 5. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die dem Leistungsverzweigungsgetriebe (4) zugewandte Seite der schleifend betätigbaren Kupplung (31) abbremsbar ist.
  6. 6. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen der Antriebsmaschine (1) und dem Leistungsverzweigungsgetriebe (4) ein Schaltgetriebe (21) angeordnet ist.
  7. 7. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen der Antriebsmaschine (1) und dem Leistungsverzweigungsgetriebe (4) mindestens ein Stufenpaar eines Schaltgetriebes (21) und die übrigen Schaltstufen (23) in an sich bekannter Weise auf der Abtriebswelle (5) des Leistung verzweigungsgetriebes (4) angeordnet sind.
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