DE2823225A1

DE2823225A1 - Hybridantriebsvorrichtung fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2823225A1
Application number: DE19782823225
Authority: DE
Inventors: Erhard Lauster
Original assignee: Erhard Lauster Entwicklungen GmbH
Current assignee: Erhard Lauster Entwicklungen GmbH
Priority date: 1978-05-27
Filing date: 1978-05-27
Publication date: 1979-11-29

Description

B e s c h r e i b tl n q
Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge Die Erfindung betrifft eine IIybridantr iebsvorrichtnncr für Kraftfahrzeuge, mit einem Verbrennungsmotor, einem elektrischen Generator mit zwei zur Energieerzeugunq relativ zueinander drehbaren Teilen, deren erstes durch den Verbrennungsmotor antreibbar ist, und mit einem über eine Steuervorrichtung mit dem Generator elektrisch verbundenen Elektro-Fahrmotor zum Antrieb des Fahrzeugs.
Bekannte derartige Hybridantriebsvorrichtungen weisen den Vorteil auf, dass auf mechanische Drehmomentwandler wie Schaltgetriebe oder hydrodynamische Drehmomentwandler verzichtet werden kann.
Steigende Enerqiekosten und Umweltschutzbemühungen hauben den Wunsch verstärkt, beim Abbremsen von Fahrzeugen die kinetische Energie nicht zu vernichten, sondern sie in eine speicherbare Form umzuwandeln und auf diese Weise zurfickzugewinnen. Bei einem Fahrzeugantrieb mit Hilfe elektrischer Ak; mulatoren und Elektro-Fahrmotoren bietet sich eine Energierückgewinnung beim Bremsvorgang zwar an, jedoch konnten sich elektrische Akkumulatoren als Energiequellen für Fahrzeugantriebe bisher wegen der hohen Kosten und ihrer geringen Energiedichte nicht durcllsetzen. Ausserdem ist der Wirkungsgrad eines Akkumulators sowohl bei einer Schnellaufladung als auch bei einer Schnellentladung recht schlecht. Beides ist aber beim Beschleunigen und Abbremsen des Fahrzeugs mit Energierückgewinnung unvermeidlich.
Neue Technologien lassen nun ein Schwungrad als Energiespeicher vorteilhafter erscheinen, da mit einem Schwungrad bei gleichem Gewicht ungefähr dreimal soviel Energie gespeichert werden kann als mit einem elektrischen Akkumulator. Ausserdem kann eine "Schnellaufludung" eines Schwungrads mi mit nahezu gleich gutem Wirkungsgral erfolgen wie eine langsune Energiespeicherung, und dasselbe gilt für das Abzichen der in einem Schwungrad gespeicherten Energie.
Gleichwohl konnte sich bisher auch das Schwungrad bei einem primär von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrezeug als Energiespeicher für die bei einem Bremsvorgang zurückgewonnene Energie nicht durchsetzen, weil die bekannten Konstruktionen eine ganze Anzahl komplizierter Getriebe wie z.B. Summierungsgetriebe, Getriebe mit Momentabstützung, Übersetzungsgetriebe usw. zusätzlich zu stufenlos regelbaren Energiewandlern (elektromechanische oder hydrostatische) erforderlich machten.
Dr Erfindung lag nun dir Aufgabe zugrunde, eine Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor zu entwickeln, die es mit geringeren Aufwand als bisher gestattet, die bei einem Bremsvorgang anfallende kinetische Energie zurückzugewinnen und zu speichern. Ausgehend von einer Hybridantriebsvorrichtung der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemiss dadurch gelöst, dass die Schaltungen für Generator und Elektromotor so ausgebildet wenlen, dass der Generator auch als Elektromotor uwl der Fahrmotor sich als Generator i,etrieben werden können und dass das zweite (vom Verbrennungsmotor nicht unmittelbar angetriebene) Teil des Generators mit einer drehbar gelagerten Schwungmasse gekuppelt werden kann, entgegen der Antriebsdrehrichtung des ersten Generatorteils drehbar und in Antriebsdrehrichtung feststellbar, zumindest aber abbremsbar ist. Beim Abbremsen des Fahrzeugs wird also die ganze, von dem dann als Generator arbeitenden Fahrmotor erzeugte Energie (abgesehen von den Verlusten in dem dann als Elektromotor arbeitenden Generator) für die Beschleunigung der Schwungmasse ausgenutzt. Betrachtet man den Betriebszustand, bei dem das Fahrzeug mit Hilfe der in der Schwungmasse gespeicherten Energie und des Verbrennungsmotors beschleunigt werden soll, so wird ersichtlich, dass der mit der Schwungmasse gekuppelte Generator aber auch ein Summierungsgetriebe überflüssig macht, und durch eine entsprechende Steuerung der Drehzahl des Verbrennungsmotors kann bestimmt werden, in welchem Verhältnis die für die Beschleunigung benötigte Energie dem Schwungrad und dem Verbrennungsmotor entnommen wird, da ja bei umlaufender Schwungmasse auch bei geringer Drehzahl des vom Verbrennungsmotor angetriebenen ersten Teils des Generators eine hohe Dreht zahldifferenz zwischen den beiden Generatorteilen besteht, da sich das zweite Generatorteil stets entgegengesetzt zum ersten Generatorteil dreht.
Es liegt auf der Hand, dass das Grundprinzip der Erfindung auch dadurch verwirklicht werden kann, dass statt eines elektrischen Generators und eines Elektro-Fahrmotors steuerbare hydrostatische Pumpen, welche auch als hydrostatische Motoren verwendbar sind, vorgesehen werden können, insbesondere also kxialkolbenaggregate, wie sie für ilybridantriebe schon verwendet werden.
Da die Schaltung der beiden Elektromaschinen zweckmässigerweise so ausgebildet ist, dass die beim elektrischen Abbremsen des Fahrzeugs von dem als Generator betriebenen Fahrmotor erzeugte Spannung das normalerweise vom Verbrennungsmotor angetriebene erste Teil des Generators in dessen Antriebsdrehrichtung antreiben würde, ist bei einer solchen Ausführungsform der erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung das erste Generatorteil in Antriebsdrehrichtung abbremsbar, und zwar entweder bis zum Stillstand oder, was aus noch zu erläuternden Gründen vorteilhafter ist, auf eine verringerte Drehzahl, so dass eine Beschleunigung des zweiten Teils des Generators und damit der Schwungmasse erfolgt.
Um beim elektrischen Abbremsen die beiden Elektromaschinen unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors betreiben zu können, empfiehlt es sich, zwischen Verbrennungsmotor und Generator eine insbesondere drehzahl gesteuerte Kupplung vorzusehen, die im einfachsten Fall als Fliehkraftkupplung ausgebildet ist, so dass beim Herunterregeln des Verbrennungsmotors auf Leerlaufdrehzahl die Kupplung trennt.
Wie noch gezeigt werden wird, ist es besonders vorteilhaft, mindestens ein Steuergerät oder jeweils ein Steuergerät zur Veränderung der Erregung des Generators und der Erregung des Fahrmotors vorzusehen, wobei man zweckmässigerweise eine Fremderregung, z.B. aus dem Bordnetz des Fahrzeugs, einsetzt. So können z.B. beim Beschleunigen des Fahrzeugs durch eine entsprechende Steuerung der Erregung des Generators die Energie des Verbrennungsmotors und die in der Schwungmasse gespeicherte Energie beliebig gemischt werden. Das Steuergerät zur Veränderung der Erregung des Generators könnte z.B. mit einer Art Gaspedal betätigt werden, während eine Art Bremspelal f?ir das Steuergerät zur Veränderung der Erregung des Fai.rmotors vorye.iehen sein kann.
Eine besonders koripakte Bauweise der Hybridantriebsvorrichtung ergibt sich dann, wenn die Schwungmasse ringfönrnig ausgebildet ist und den Generator konzentrisch umgiht; u.U. lässt sich sogar das zweite Generatorteil selbst als Schwungmasse ausbilden. Aus Festigkeitsgrü.nden lässt sich jedoch eine schere Energie in der Schwungmasse speichern, wenn diese als Scheib-a ausgebildet wird, wobei es sich dann empfiehlt, die Schwungmasse koaxial zu den drehbaren Teilen des Generators zu lagern.
Um in der Schwungmasse eine möglichst hohe Energie speichern zu können, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Drehzahlübersetzung zwischen dem zweiten Teil des Generators und der Schwungmasse ein Getriebe vorgesehen. Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich dann, wenn als Getriebe ein Planetengetriebe verwendet wird, was sich platzsparend an einer der Stirnseiten as Generators anordnen lässt. Koppelt man das zweite Teil des Generators mit dem Ringrad des Planetengetriebes und sieht ein feststehendes Gehauseteil als Planetenradträger vor, so lässt sich die Schwungmasse z.B. mit der doppelten Drehzahl des zweiten Generatorteils antreiben. Eine höhere übersetzung ergibt sich dann, wenn der Planetenradträger mit dem zweiten Generatorteil gekoppelt wird und das Sonnenrad die Schwungmasse antreibt - man erhält dann Übersetzungen bis zu ungefähr 1:6.
Ein besonders günstiger konstruktiver Aufbau für den Generator ergibt sich dann, wenn das erste Generatorteil den rotor und das zweite ;enratorteil den Steter des Generators bildet und der StaL(J gleichfalls drehbar gelagert wird, vorzugsweise im Gehäuse der Hybridantriebsvorrichtung. Es liegt dann auf der tSind, dass man eine weiteres den Stator als Sclwunctmasse ausbilden oder der letzteren die Form eines den Stator umfassenden Rings geben kann, um eine besonders koripakte Bauweise zu erreichen.
Damit sich das zweite Generatorteil nur entgegen der Antriebsdrehrichtung des vom Verbrennungsmotor angetriebenen ersten Generatorteils drehen kann, ist für das zweite Generatorteil eine Räcklaufdrehsperre vorgesehen, d.h. also ein Freilauf oder dergleichen, was einfacher ist als die Verwendung einer Bremse, für die dann eine besondere Steuerung vorgesehen werden muss.
Damit die Schwungmasse auch bei stillstehendem oder rollendem Fahrzeug mit Hilfe des Verbrennungsmotors aufgeladen werden kann, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die durch den Fahrmotor antreibbare Antriebswelle mit einer steuerbaren Kupplung versehen, so dass sich die Triebverbindung zwischen Fahrmotor und den Rädern des Fahrzeugs auftrennen lässt.
Ferner ist es zweckmässig, eine Triebverbindung zwischen dem ersten Generatorteil und dem antreibbaren Teil des Fahrmotors vorzusehen und in dieser eine steuerbare Kupplung anzuordnen; so kann auf diese Weise z.B. ein Stillstand des ersten Generatorteils beim Aufla-len der Schwungmasse durch elektrisches Abbremsen des Fahrzeugs verhindert werden, wodurch sich beispielsweise ein zu starkes erhitzen gewisser Generatorteile verhindern lässt.
Um eine Zerstörung der Schwungmasse infolge zu hoher Drehzahlen zu vermeiden, ist schliesslich ein Drehzahlwächter für die Schwungmasse vorgesehen, durch den verhindert wird, dass z.B.
bei längerer Talfahrt die Schwungmasse ihre zulässige Höchstdrehzahl überschreitet.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung und der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemässen Hybridantriebsvorrichtung; es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform mit einem Schnitt durch den Generator; Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform, und Fig. 3 eine dritte Ausführungsform mit einem Schnitt durch Generator und Fahrmotor.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 vorgesehen, an den ein Gehäuse 12 angehaut ist. Dieses nimmt eine Fliehkraftkupplung 14 und eine Bremse 16 auf, welche eine Abtriebswelle 18 immer dann stillsetzt, wenn die Fliehkraftkupplung 14 auskuppelt. Die letztere soll so ausgelegt sein, dass sie öffnet, wenn der Verbrennungsmotor 10 auf Leerlaufdrehzahl heruntergeht.
In einem Gehäuse 20 ist eine erste Elektromaschine untergebracht, die im folgenden als Generator 22 bezeichnet werden soll. Dieser besitzt einen als Ganzes mit 24 bezeichneten Rotor und ein im folgenden als Stator 26 bezeichnetes Teil, die beide über Walzlager im Gehäuse 20 drehbar gelagert sind. Eine Achse 28 des Rotors 24 ist über eine schematisch dargestellte Gelenkwelle 30 mit der Abtriebswelle 18 verbunden. Zur Erregung der Statorwicklungen 26a sind Schleifringe 26b, Bürsten 26c und Leitungen 26d und 26e vorgesehen, während eine Rotorwicklung 24a über einen Kollektor 24b und Bürsten 24c mit Leitungen 24d und 24e in Verbindung steht.
Erfindungsgemäss ist mit dem im Gehäuse 20 drehbar gelagerten Stator 26 ein Schwungrad 32 fest verbunden, welches Ringform besitzt und den Stator 26 konzentrisch umgibt. Ferner ist eine Rücklaufsperre 33 vorgesehen, die gewährleistet, dass sich Stator 26 und Schwungrad 32 stets nur in einer Richtung drehen können, die entgegengesetzt zu derjenigen Richtung ist, in der der Rotor 24 vom Verbrennungsmotor 10 angetrieben wird; wenn der Rotor 24 also rechtsdrehend angetrieben wird, so können sich Stator 26 und Schwungrad 32 nur links drehen.
Eine zweite Elektromaschine, die im folgenden als Fahrmotor 34 bezeichnet werden wird, ist über eine Gelenkwelle 36 mit einer angetriebenen Fahrzeugachse 38 verbunden.
Schliesslich ist eine elektrische Steuervorrichtung 40 vorgesehen, die über die Leitungen 24d und 24e mit dem Rotor 24, über die Leitungen 26d und 26e mit dem Stator 26, über die Leitungen 34d und 34e mit dem Fahrmotor 34, über Leitungen 42d und 42e mit einem Fahrsteuergerät 42, über Leitungen 44d und 44e mit einem Bremssteuergerät 44 und über Leitungen 46d und 46e mit einer Fahrzeugbatterie 46 verbunden ist. Die gesamte Schaltung ist dabei so ausgelegt, dass sowohl der Generator 22 als auch der Fahrmotor 34 sowohl als Generator wie auch als Elektromotor betrieben werden können.
Da sich Einzelheiten der elektrischen Steuerung aus der im folgenden geschilderten Betriebsweise von selbst ergeben und ausserdem in vielfältigster Form ausgeführt werden können, wird hier auf eine Schilderung der Details verzichtet.
Der Stator 26 und das Schwungrad 32 sind erfindungsgemäss so ausgebildet, dass sie mit Drehzahlen zwischen 3000 und 8000 U/min betrieben werden können.
Stehen Stator 26 und damit Schwungrad 32 still und fährt das Fahrzeug mit Hilfe des Verbrennungsmotors 10 an, so arbeitet die erfindungsgemässe Hybridantriebsvorrichtung wie ein bekannter dieselelektrischer Antrieb. Ein Mitdrehen des Stators 26 mit dem Rotor 24 wird dabei durch die Rücklaufsperre 33 verhindert. Die Fahrgeschwindigkeit und damit die Leistungsentnahme aus dem Verbrennungsmotor 10 werden dadurch geregelt, dass der Fahrer mit dem Fahrsteuergerät 42 die Statornçicklungen 26a des Generators 22 mehr oder weniger erregt; es handelt sich dabei um eine Fremderregung aus dem von der Fahrzeugbatterie 46 gespeisten Bordnetz, was deshalb möglich ist, weil die hierfür erforderliche elektrische Leistung ausserordentlich gering ist.
Nachzutragen bleibt noch, dass das Pedal des Fahrsteuergeräts 42 auch mit der Einspritzpumpe oder dergleichen des Verbrennungsmotors 10 verbunden sein soll, was in der Fig. 1 nicht dargestellt wurde. Durch Niedertreten des Pedals des Fahrsteuergeräts wird also der Verbrennungsmotor 10 aus der Leerlaufdrehzahl heraus beschleunigt.
Soll das Fahrzeug abgebremst oder angehalten werden, so nimmt der Fahrer den Fuss vom Pedal des Fahrsteuergeräts 42. Dadurch wird die Erregung des Generators 22 unterbrochen, und gleichzeitig geht der Verbrennungsmotor 10 auf seine Leerlaufdrehzahl zurück. Nun kuppelt die Fliehkraftkupplung 14 aus und die Bremse 16 setzt den Rotor 24 aus einer entsprechend niedrigen Drehzahl heraus fest. Ferner betätigt der Fahrer das Pedal des Bremssteuergeräts 44, wodurch während eines ersten Teils des Pedalwegs die elektrische Bremsung des Fahrzeugs eingeleitet wird. Das Fahrzeug wird ferner zweckmässigerweise so ausgebildet, dass durch einen zweiten Teil des Pedalwegs eine konventionelle mechanische Fahrzeugbremse betätigt wird.
Bei elektrischer Abbremsung des Fahrzeugs, d.h. wenn das Pedal des Bremssteuergeräts 44 bis zum .tNuftreten eines Widerstands niedergetreten wird, erfolgt eine Umschaltung des Fahrmotors 34 dergestalt, dass aus dem Elektromotor ein fremderregter Generator wird; gleichzeitig bewerkstelligt die Steuervorrichtung 40 eine Umschaltung des Generators 22 dergestalt, dass er als Elektromotor wirkt. Überwindet der Fahrer anschliessend den Widerstand des Pedals des Bremssteuergeräts 44, so wird der als Generator arbeitende Fahrmotor 34 durch das Bordnetz umsomehr erregt, je weiter das Pedal des Bremssteuergeräts 44 niedergetreten wird. Der als Generator arbeitende Fahrmotor 34 erzeugt dabei eine von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängige Spannung, die durch die Steuervorrichtung 40 derart an den Rotor 24 angelegt wird, dass dieser in derselben Richtung angetrieben würde, wie dies bei eingekuppelter Fliehkraftkupplung 14 durch den Verbrennungsmotor 10 erfolgen würde. Da der Rotor 24 durch die Bremse 16 jedoch stillgesetzt ist, treibt die vom Fahrmotor 34 erzeugte elektrische Energie den Stator 26 in entgegengesetzter Richtung an, so dass sich auch das Schwungrad 32 in dieser Richtung zu drehen beginnt und die vom Fahrmotor 34 erzeugte Energie speichert. Diese Energiespeicherung erfolgt auch bei einer Schnellbremsung mit gutem Wirkungsgrad, weil spwohl der Fahrmotor 34 als auch der Generator 22 kurzzeitig ohne grösseren Wirkungsgradverlust um ein Mehrfaches überlastet werden können, ohne dass eine zu starke Erwärmung eintritt.
Soll das Schwungrad 32 bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 auf andere Weise als durch Bremsenergie aufgeladen werden, so kann dies dadurch geschehen, dass der Generator 22 an eine externe Stromquelle angeschlossen wird, wodurch sich der Stator 26 bei stillstehendem Rotor 24 gleich einem Aussenläufermotor in Drehung versetzt.
Soll das Fahrzeug, beispielsweise nach Beendigung eines Bremse vorgangs, wieder beschleunigt werden, so können dafür die Energie des Verbrennungsmotors 10 und die Energie des laufenden Schwungrads 32 beliebig gemischt werden, was ein besonderes Merkmal der erfindungsgemässen Hybridantriebsvorrichtung ist.
Zu diesem Zweck kann der Verbrennungsmotor 10 beispielsweise mit einer zusätzlichen Handgassteuerung versehen sein, welche in Fig. 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt wurde; über diese Handgassteuerung kann eine bestimmte Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors vorgewählt werden, auf die der Motor beschleunigt wird, sobald das Pedal des Fahrsteuergeräts 42 geringfügig niedergetreten wird. Bei weiterem Niederdrücken des Pedals des Fahrsteuergeräts 42 wird der Generator 22 über die Steuervorrichtung 40 mehr und mehr erregt und entnimmt derjenigen Energiequelle, die am meisten Leistung in den Generator einbringt (Schwungrad 32 oder Verbrennungsmotor 10), auch am meisten Leistung. Je kleiner die Drehzahl des Schwungrads 32, desto weniger steuert sie Leistung für die Beschleunigung des Fahrzeugs bei, und das gleiche gilt für den Verbrennungsmotor 10.
Selbstverständlich lässt sich die erfindungsgemässe Hybridantriebsvorrichtung auf längeren Fahrtstrecken als bekanntes Antriebsaggregat einsetzen, wobei dann eben das Schwungrad 32 stillsteht und der Generator 22 den Fahrmotor 34 antreibt.
Die Ausbildung des Stators selbst als Schwungmasse oder das Anbringen des Schwungrads am Stator haben den Vorteil, dass die Lagerung des Stators zugleich als Lagerung für die Schwungmasse dient. Der Aufbau wird also besonders einfach.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. f lediglich dadurch, dass das Schwungrad anders ausgebildet und angeordnet ist und über ein Ubersetzungsgetriebe angetrieben wird. Deshalb wurden für diejenigen Teile der Ausführungsform gemäss Fig. 2, die Teilen der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechen, dieselben Bezugszeichen verwendet, und im folgenden sollen lediglich die abweichenden Merkmale der Ausführungsform nach Fig. 2 beschrieben werden.
Hier ist der Stator 26 gleichzeitig als Planetenradträger eines Planetengetriebes 50 ausgebildet, welches Planetenräder 50a, ein von einer gehäusefesten Verzahnung gebildetes Ringrad 50b und ein Sonnenrad 50c umfasst, welches an einem Schwungrad 32' befestigt ist. Das letztere besitzt eine für die Speicherung von Energie günstigere Form, da aus Gründen der Fliehkräfte bzw. der Materialfestigkeit ein Schwungrad dann am meisten Energie speichern kann, wenn es eine diskusscheibenähnliche Form besitzt. Der Lagerung des Schwungrads 32 dienen Wälzlager 52, die auf einer an den Stator 26 angeformten Nabe 54 sitzen.
Das Schwungrad könnte aber ebensogut auf der Achse 28 des Rotors gelagert sein.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Anker oder Rotor der ersten Elektromaschine mechanisch mit dem Anker oder Rotor der zweiten Elektromaschine gekuppelt werden kann und bei der ausserdem zwischen der zweiten Elektromaschine und den angetriebenen Rädern des Fahrzeugs eine Kupplung zum Auftrennen der Triebverbindung vorgesehen ist. Im einzelnen lässt die Fig. 3 folgendes erkennen: Eine erste Elektromaschine EM1 besitzt ein Gehäuse G1, welches an einen Verbrennungsmotor VM angeflanscht ist. Es dient der Lagerung eines Rotors oder Ankers A1 und eines drehbaren Ständers oder Stators ST1, dessen Feldwicklung mit F1 bezeichnet wurde. Auf einer Nabe des Stators ST1 ist ein Schwungrad SR drehbar gelagert, welches vom Stator ST1 über ein als Ganzes mit PGSR bezeichnetes Planetengetriebe angetrieben wird. Dabei bildet der stator ST1 den Planetenradträger, und die Planetenräder PR kämmen einerseits mit einer gehäusefesten Verzahnung, die ein Ringrad RR bildet, und einem Sonnenrad SR', welches am Schwungrad SR fest angebracht ist. Bei der dargestellten Ausführungsform soll eine als Rücklaufsperre ausgebildete Momentabstützung MA ein Rechtsdrehen (vom Verbrennungsmotor VM her gesehen) des Stators ST1 verhindern, und eine am Stator angebrachte Fliehkraftbremse FB dient als Drehzahlwächter, da sie beim Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl des Stators ST1 diesen an der Innenseite des Gehäuses G1 abbremst. Schliesslich ist die Achse des Rotors A1 über eine Fliehkraftkupplung FK mit dem Verbrennungsmotor kuppelbar, wobei diese Fliehkraftkupplung so ausgelegt sein soll, dass sie einkuppelt, wenn der Verbrennungsmotor aus seiner Leerlaufdrehzahl heraus beschleunigt wird.
Dem Anschluss der Feldwicklung F1 an eine externe Schaltung dienen nicht dargestellte Schleifringe und Bürsten 100, und der Rotor A1 weist einen Kollektor 102 auf über den und Bürsten 104 eine Rotorwicklung 106 an eine externe Schaltung angeschlossen werden kann.
Für die zweite Elektromaschine EM2 ist ebenfalls ein Gehäuse G2 mit einer Lagerung für einen Anker oder Rotor A2 vorgesehen; ferner dient das Gehause GH2 als Ständer oder Stator, dessen Feldwicklung F2 an der Gehäuseinnenseite angebracht ist. Der Rotor A2 besitzt wieder einen Kollektor 110, über den und Bürsten 114 eine Rotorwicklung 112 elektrisch angeschlossen werden kann.
Eine erste elektromagnetische Kupplung LK1 dient dazu, die Achsen der Rotoren A1 und A2 miteinander zu verbinden, während eine zweite elektromagnetische Kupplung LK2 der Verbindung der Achse des Rotors A2 mit einer Gelenkwelle GW dient, über die eine Achse AX des fahrzeugs angetrieben werden kann. Bei der dargestellten Aus führung sform ist zwischen der Kupplung LK2 und der Gelenkwelle noch ein als Planetengetriebe ausgebildetes Anpassungsgetriebe PGA vorgesehen, um eine Drehzahlanpassung vornehmen zu können.
Da die elektrische Schaltung der erfindungsgemässen Hybridantriebsvorrichtung in der unterschiedlichsten Art und Weise ausgebildet werden kann, um die im folgenden beschriebenen Funktionen zu erzielen, soll die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Schaltung im Zusammenhang mit der Funktionsbeschreibung erläutert werden.
Wenn das Fahrzeug bei stillstehendem Schwungrad SR angefahren werden soll, so wird zunächst mit einem Handgashebel HG eine gewünschte Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors V.l vorgewählt; es handelt sich dabei zweckmässigerweise um diejenige Drehzahl, bei welcher der Verbrennungsmotor hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission optimal arbeitet. Dann betätigt der Fahrer ein Fahrpedal FP, wodurch der Stromkreis für einen Betätigungsmagnet BM geschlossen wird. Dieser betätigt über ein Gestänge 120 einen Regler R des Verbrennungsmotors VM, bei dem es sich z.B. um den Regler einer Einspritzpumpe handelt, wobei die Betätigung derart erfolgt, dass beim Anziehen des Betätigungsmagneten BM der Verbrennungsmotor auf die zuvor mit dem Handgashebel HG vorgewählte Betriebsdrehzahl gebracht und auf dieser gehalten wird.
Beim Niedertreten des Fahrpedals FP bis zu einem ersten Druckpunkt wird nicht nur der Schalter BM' geschlossen, sondern auch noch zwei weitere Schalter F2' und LK2', welche die Stromkreise der Feldwicklung F2 und der Kupplung LK2 schliessen.
Die Schaltung sorgt also dafür, dass beim Anfahren mit stehendem Schwungrad SR die Kupplung LR1 offen und die Kupplung LK2 geschlossen ist.
Das Fahrpedal FP ist auch mit dem Abgriff eines Potentiometers F1' verbunden, welches bewirkt, dass die Feldwicklung F1 der Elektromaschine EM1 mehr und mehr erregt wird, und zwar durch Speisung aus der an das Fahrzeug-Bordnetz angeschlossenen Leitung 126.
Die Elektromaschine EM1 arbeitet nun als Generator, da die Fliehkraftkupplung FK geschlossen ist, und da die Rollektorbürsten 104 der Elektromaschine EM1 direkt mit den Kollektorbürsten 114 der Elektromaschine ErI2 verbunden sind, arbeitet die Elektromaschine EM2 als Elektromotor. Nachzutragen ist noch, dass zu Beginn des Niedertretens des Fahrpedals FP durch Schliessen des Schalters F2' die Feldwicklung F2 der Elektromaschine EM2 sofort voll erregt wird, was wiederum durch das Fahrzeug-Bordnetz erfolgt. Das Fahrzeug wird also von der Elektromaschine Ex2 über die geschlossene Kupplung LK2 angetrieben. Ein Mitdrehen des Stators ST1 der Elektromaschine EM1 wird durch die Momentabstützung MA verhindert.
Soll das Fahrzeug nun unter Rückgewinnung der kinetischen Energie abgebremst werden, so nimmt der Fahrer den Fuss vom Fahrpedal FP, wodurch der Betätigungsmagnet BM abfällt und der Verbrennungsmotor VM auf Leerlaufdrehzahl zurückgeht; die Fliehkraftkupplung FK öffnet also. Ferner betätigt der Fahrer ein Bremspedal BP, wobei zunächst Schalter LK1" und LK2" schliessen, was zur Folge hat, dass die Kupplungen LK1 und LK2 einkuppeln. Das rollende Fahrzeug treibt also den Rotor A1 im selben Sinne an, wie dies zuvor durch den Verbrennungsmotor VM erfolgt ist. Beim weiteren Druchtreten des Bremspedals BP werden über zwei von diesem betätigte Potentiometer F1" und F2" die Feldwicklungen F1 und F2 der beiden Elektromaschinen allmählich immer stärker erregt, und zwar derart, dass die Elektromaschine EM2 als Generator und die Elektromaschine EM1 als Motor arbeitet.
Dadurch wird der Rotor A2 abgebremst, während der Rotor Al beschleunigt würde, wenn dies nicht durch die geschlossenen Kupplungen LK1 und LK2 verhindert würde. Infolgedessen wird der Stator ST1 beschleunigt und das Schwungrad SR beginnt zu drehen, und zwar entgegen der Antriebsdrehrichtung des Rotors Al, was die Momentabstützung MA zulässt. Die Beschleunigung, die der Stator ST1 erfährt, ist umso stärker, je weiter das Bremspedal BP niedergedrückt und dadurch die Feldwicklungen F1 und F2 erregt werden. Allerdings wird die Schaltung zweckmässigerweise so ausgelegt, dass die Feldwicklung F1 der Elektromaschine EM1 beim Betätigen des Bremspedals BP relativ schwach erregt wird, damit die grosse Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor A1 und dem Stator ST1 nicht zu zu hohen Strömen führt.
Ein ganz wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Konstruktion ist darin zu sehen, dass mit abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit - infolge der geschlossenen Kupplungen LK1 und LK2 - die Drehzahl des Rotors Al immer kleiner wird; dadurch verringert sich auch die Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor A1 und dem Stator ST1, so dass trotz abnehmender kinetischer Energie der Stator ST1 immer noch beschleunigt werden kann. Lässt der Fahrer das Bremspedal BP los, wird die Erregung der Feldwicklungen F1 und F2 unterbrochen.
Soll das Fahrzeug ausschliesslich mit im Schwungrad SR gespeicherter Energie angefahren werden, wobei der Verbrennungsmotor VM im Leerlauf läuft oder ganz stillsteht, so ist die Fliehkraftkupplung FK wieder offen. Da nun die Elektromaschine EM1 als Generator arbeiten muss, ist zu verhindern, dass sich der Rotor Al mit~ - Stator ST1 mitdreht. Hierzu könnte man wieder so vorgehen, dass man den Rotor A1 ständig stillsetzt, im Hinblick auf eine sonst möglicherweise zu starke Erwärmung einiger weniger Lamellen des Kollektors 102 wird jedoch bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so vorgegangen, dass mit Hilfe eines Handschalters LK1"' die Kupplung LK1 geschlossen wird. Beim Betätigen des Fahrpedals FP wird die Kupplung LK2 geschlossen, wodurch die Feldwicklung F2 wieder sofort voll erregt wird, während die Feldwicklung F1 zunächst nur schwach und beim weiteren Niedertreten des Fahrpedals FP stetig stärker erregt wird. Die Elektromaschine EM2 entwickelt infolgedessen ein hohes Drehmoment in Richtung einer Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs, während in der Elektromaschine EtI1 infolge der schwachen Erregung der Feldwicklung F1 ein kleines Drehmoment in Richtung einer Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs entsteht; das Fahrzeug wird also in Vorwärtsrichtung beschleunigt. Sobald sich das Fahrzeug bewegt, dreht sich der Rotor A1 entgegen der Drehrichtung des Stators ST1, so dass die Elektromaschine EM1 eine hohe Spannung bei kleinem Strom entwickelt, d.h. nur ein kleines rückdrehendes Moment.
Ist die im Schwungrad SR gespeicherte Energie aufgebraucht, d.h.
steht der Stator ST1 still, so kann durch Betätigen des zuvor auf Leerlaufdrehzahl eingestellten Handgashebels HG der Verbrennungsmotor VM hochgefahren werden, so dass die Kupplung FK schliesst und der Verbrennungsmotor den Rotor A1 antreibt. Die Kupplung LK1 kann dabei in jedem beliebigen Zeitpunkt durch den Handschalter LK1 t§ geöffnet werden.
Die erfindungsgemässe Konstruktion erlaubt es aber auch, die Energie des Verbrennungsmotors VM beliebig mit im Schwungrad SR gespeicherter Energie zu mischen, um das Fahrzeug zu beschleunigen. Für diesen Fall soll angenommen werden, dass das Fahrzeug stillsteht und das Schwungrad SR aufgeladen ist.
Beim Niedertreten des Fahrpedals FP wird der Verbrennungsmotor VM auf die mit dem Handgashebel HG vorgewählte Drehzahl gebracht und die Feldwicklung F2 der Elektromaschine EM2 voll erregt, während die Feldwicklung F1 der Elektromaschine EM1 zunächst ganz leicht und erst bei weiterem Niedertreten des Fahrpedals FP stärker erregt wird. Die Kupplung LK1 ist offen (der Handschalter LK1'" muss natürlich geöffnet sein), während die Kupplung LK2 durch das Niedertreten des Fahrpedals FP geschlossen wurde. Da sich der Rotor A1 und die Feldwicklung F1 entgegengesetzt drehen, wird schon bei relativ geringer Erregung der Feldwicklung F1 in der Rotorwicklung 106 eine hohe Spannung induziert, die an die Rotorwicklung 112 des Rotors A2 gelegt wird. Da die Feldwicklung F2 der Elektromaschine EM2 bereits voll erregt ist, entwickelt die Elektomaschine EM2 also ein hohes Drehmoment.
Da sich Rotor und Stator der Elektromaschine EM1 entgegengesetzt drehen, versuchen sie sich gegenseitig abzubremsen, weshalb es für den Betriebszustand mit voll aufgeladenem Schwungrad SR zweckmässig sein kann, einen elektronischen Leistungswächter vorzusehen, der verhindert, dass das auf den Rotor A1 wirkende Bremsmoment nicht stärker als das vom Verbrennungsmotor VM entwickelte Drehmoment ist.
Da die von der als Generator arbeitenden Elektromaschine EM1 abgegebene Leistung proportional zur Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor A1 und dem Stator ST1 ist, gibt die Elektromaschine EM1 bei mit Höchstdrehzahl umlaufendem Schwungrad SR eine ungefähr doppelt so grosse Leistung ab wie bei stillstehendem Schwungrad bzw. Stator ST1. Ist die im Schwungrad SR gespeicherte Energie aufgebraucht, so kann die als Generator arbeitende Elektromaschine EM1 nur noch diejenige Leistung abgeben, die in sie durch den Verbrennungsmotor VM eingespeist wird (verringert durch die in der Elektromaschine EM1 entstehenden elektrischen Verluste).
Die erfindungsgemässe Konstruktion ermöglicht es also, die Grösse der von der Elektromaschine EM1 abgegebenen elektrischen Energie willkürlich aus der Energie des Schwungrads SR und der Leistung des Verbrennungsmotors VM zusammenzusetzen, indem mit dem Handgashebel HG eine grössere oder kleinere Drehzahl des Verbrennungsmotors VM vorgegeben wird. Bei hoher Drehzahl des Verbrennungsmotors leistet dieser einen hohen Anteil an der von der Elektromaschine EM1 abgegebenen elektrischen Leistung.
Es ist auch möglich, das Schwungrad SR während der Fahrt mit vom Verbrennungsmotor VM abgegebener Leistung aufzuladen, denn wegen der verschiedenen Verluste kann das Schwungrad niemals allein durch Bremsenergie wieder voll aufgeladen werden.
Ist das Fahrzeug auf seine Dauergeschwindigkeit beschleunigt worden, so dass nur noch der Fahrwiderstand zu überwinden ist, steht ein Leistungsüberschuss des Verbrennungsmotors VM zur Verfügung. Wird nun durch den Handschalter LK1 "' die Kupplung LK1 geschlossen (die Kupplung LK2 ist während der Fahrt ohnehin geschlossen), so stellt man dadurch eine starre mechanische Verbindung vom Verbrennungsmotor über den Rotor Al, den Rotor A2 zur Gelenkwelle GW her. Mittels zweier als Handschalter ausgebildeter Potentiometer 140 und 142 werden nun die Feldwicklungen F2 und F1 so erregt, dass die Elektromaschine EM2 als Generator und die Elektromaschine EI1 als Motor arbeitet, wobei die Erregung so klein gehalten wird, dass sich die Fahrgeschwindigkeit nicht verringert, d.h. dass die eingestellte Drehzahl des Verbrennungsmotors nicht absinkt. Erhöht der Fahrer die Erregung gerade soweit, dass die Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors sich nicht verringert, so ist gewährleistet, dass die gesamte überschüssige Leistung des Verbrennungsmotors im Schwungrad SR gespeichert wird, da dieses durch die als Motor arbeitende Elektromaschine EM1 beschleunigt wird. Zweckmässigerweise sieht man eine nicht dargestellte Drehzahlanzeige für das Schwungrad SR vor, um dem Fahrer anzuzeigen, wann das Schwungrad soweit aufgeladen ist, dass es die zu erwartende noch zu speichernde Bremsenergie noch aufnehmen kann.
Soll das Schwungrad durch den Verbrennungsmotor VM bei stillstehendem oder antriebslos dahinrollendem Fahrzeug aufgeladen werden, so wird genauso verfahren wie beim Aufladen bei Dauergeschwindigkeit, jedoch ist dann die Kupplung LK2 zu öffnen.
Durch einen Handschalter HBM wird der Betätigungsmagnet BM betätigt, und durch den Handgashebel HG wird eine geeignete Drehzahl des Verbrennungsmotors eingestellt. Anschliessend wird der Verbrennungsmotor durch entsprechende Einstellung der Handschalter 140 und 142 abgebremst, wobei die als Motor arbeitende Elektromaschine EM1 das Schwungrad beschleunigt.
Ist eine längere Überlandfahrt ohne Bremsvorgang vorauszusehen und hat das Fahrzeug seine Reisegeschwindigkeit erreicht, werden die Kupplungen LK1 und LK2 geschlossen und der Fahrer gibt das Fahrpedal FP frei, wodurch die Erregung der Feldwicklungen F1 und F2 unterbrochen wird. Dann laufen die Rotoren Al und A2 völlig frei mit. Ein direkt auf den Regler R wirkendes, übliches Gaspedal GP ermöglicht dann einen herkömmlichen Betrieb des Fahrzeugs.
Wird anschliessend der Fahrwiderstand so gross, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors unzulässig ahsinkt oder wird eine entsprechend geringe Fahrgeschwindigkeit notwendig, so muss der Fahrer lediglich das Gaspedal GP freigeben und das Fahrpedal FP betätigen sowie die Kupplung I,K1 öffnen.
Die Zeichnung lässt noch einen Umschalter VR für die Umschaltung von Vorwärts- auf Rückwärtsfahrt sowie einen Handschalter LK2"' erkennen, mit dem die Kupplung LK2 von Hand betätigt werden kann.
Das Prinzip, ein rotierendes Teil, insbesondere den Stator, der Elektromaschine EM1 mit dem Schwungrad zu koppeln, bringt also erhebliche Vorteile mit sich, da mit einer einzigen Elektromaschine folgende Betriebszustände verwirklicht werden können: Stufenloses Anfahren mit Drehmomentwandlung vom Stillstand bis zur Höchstgeschwindigkeit - stufenlos regelbares und stufenlos erfolgendes Beschleunigen der Schwungmasse bei beliebig und stufenlos steuerbarer Verzögerung des Fahrzeugs - stufenlos steuerbares Mischen der Energieen aus dem Verbrennungsmotor und aus dem Schwungrad beim Beschleunigen, insbesondere beim Anfahren - DauerfahrDetrieb ohne Einschaltung der Schwungmasse -stufenlos steuerbare Abgabe der Energie der Schwungmasse beim Anfahren ohne Verwendung des Verbrennungsmotors.
Alle diese Funktionen lassen sich bei sehr gutem Wirkungsgrad ohne die Inanspruchnahme von Kupplungen, Bremsen oder dergleichen erzielen. Ausserdem kommt man gegebenenfalls ohne Getriebe aus, wie die Ausführungsform gemäss Fig. 1 erkennen lässt, oder man benötigt nur ein einziges Getriebe, nämlich ein einfaches und problemloses Planetengetriebe zwischen einem der drehenden Teile der Elektromaschine EM1 und dem Schwungrad SR.
L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : Hybridantriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einem Verbrennungsmotor, einem elektrischen Generator mit zur Energieerzeugung relativ zueinander drehbaren Teilen, deren erstes durch den Verbrennungsmotor antreibbar ist, mit einem mit dem Generator elektrisch verbundenen Elektro-Fahrmotor zum Antrieb des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator auch als Elektromotor und der Fahrmotor auch als Generator betreibbar sowie das zweite Teil des Generators mit einer drehbar gelagerten Schwungmasse kuppelbar, entgegen der Antriebsdrehrichtung des ersten Generatorteils drehbar und in Antriebsdrehrichtung feststellbar ist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Generatorteil in Antriebsdrehrichtung abbremsbar ist.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verbrennungsmotor und Generator eine insbesondere drehzahlgesteuerte Kupplung vorgesehen ist.
4. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass das zweite +)sowie mit einer Steuervorrichtung für Generator und Fahrmotor Teil des Generators bei dessen Betrieb als Elektromotor durch den als Generator betriebenen Fahrmotor entgegen der Antriebsdrehrichtung des ersten Generatorteils antreibbar ist.
5. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Steuergerät zur Veränderung der Erregung des Generators.
6. Antriehsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Steuergerät zur Veränderung der Erregung des Fahrmotors.
7. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse ringförmig ausgebildet ist und den Generator konzentrisch umgibt.
8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Generatorteil selbst die Schasungmasse bildet.
9. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse als Scheibe ausgebildet und koaxial zu den drehbaren Teilen des Generators drehbar gelagert ist.
10. Antriebsvorrchtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Anprücfle, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehzahlübersetzung zwischen zweitem Teil des Generators und Schwungmasse ein Getriebe vorgesehen ist.
11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Planetengetriebe ist.
12. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dessen Generator einen Rotor und einen Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor das erste und der gleichfalls drehbar gelagerte Stator das zweite Generatorteil bildet
13. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Feststellen des zweiten Generatorteils in Antriebsdrehrichtung des ersten Generatorteils eine Rücklaufdrehsperre vorgesehen ist.
14. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator des Generators in einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung drehbar gelagert ist.
15. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, mit einer durch den Fahrmotor antreibbaren Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle mit einer steuerbaren Kupplung verbunden ist.
16. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Triebverbindung zwischen erstem Generatorteil und dem antreibbaren Teil des Fahrmotors sowie durch eine steuerbare Kupplung in der Triebverbindung.
17. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Drehzahlwächter für die Schwungmasse.
18. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statt eines elektrischen Generators und eines Elektro-Fahrmotors steuerbare hydrostatische Pumpen, welche auch als hydrostatische Rotoren verwendbar sind, vorgesehen sind.