DE3602544A1 - Hybrid electric motor/gyro drive for motor vehicles - Google Patents

Hybrid electric motor/gyro drive for motor vehicles

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DE3602544A1 DE19863602544 DE3602544A DE3602544A1 DE 3602544 A1 DE3602544 A1 DE 3602544A1 DE 19863602544 DE19863602544 DE 19863602544 DE 3602544 A DE3602544 A DE 3602544A DE 3602544 A1 DE3602544 A1 DE 3602544A1
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Abstract

The subject of the invention serves to recover and store braking energy in electric vehicles. The field of application and use are municipal buses, feeder vehicles and collection vehicles, generally motor vehicles which carry out frequent braking and starting-up cycles. The essential feature of the subject of the invention is the combination of an electric motor with a flywheel mass which serves as a gyroscopic energy accumulator and the arrangement of an infinitely variable transmission system in the flux path to the travelling gear. In this way, the means of transferring energy between the gyroscopic energy accumulator and the travelling gear is provided by the infinitely variable transmission system, serving to transmit power between the electric motor and the travelling gear, without other constructional outlay, in addition, the flywheel mass which is arranged on the electric motor serves to buffer power. The electric motor can thus be operated (intermittently) in its optimum working range. Power peaks are absorbed by the gyroscopic energy accumulator and stored. Moderate and uniform battery loads benefit the charge capacity and service life of the battery. The constant form of energy for the transfer of braking energy (in contrast with known research models of this kind) is also advantageous and as a result of this and of the low-loss bevel-gear flexible drive mechanism this means of transferring energy is very efficient.

Description

Der Erfindungsgegenstand betrifft einen Fahrwerksantrieb für KFZ, vorzugsweise für einen kleinen Aktionsradius und Betriebseinsätze mit relativ häufig wechselnden Treib- und Bremsphasen, wie z. B. bei Bussen für den Stadtbetrieb, Post-Zustell- und Sammelfahrzeugen, Taxis etc.The subject matter of the invention relates to a chassis drive for cars, preferably for a small radius of action and operations with relatively often changing Driving and braking phases, such as B. on buses for city operations, post delivery and collection vehicles, Taxis etc.

Unter vorgenannten Einsatzfällen wird ein großer Teil der gesamten Antriebsenergie wieder als Bremsenergie vernichtet. Eine wesentliche Energieeinsparung wird bekannterweise erreicht, wenn die Bremsenergie gespeichert und wieder dem Fahrwerksantrieb zugeführt wird. Dieses Verfahren ist in letzten Jahren durch Forschungsinstitute und Industrie - wesentliche Anstrengungen sind auch durch BMfT-Mittel forciert worden - gründlich erforscht und entwickelt worden. So beträgt z. B. bei Stadtbussen die durch Bremsen wieder vernichtete Antriebsenergie bis zu 40%. Bei regenerativer Wiederverwendung dieser Bremsenergie können 10-30% der Treibstoffkosten eingespart werden.A large part of the above-mentioned applications of the total drive energy again as braking energy destroyed. A significant energy saving will be famously achieved when the braking energy is stored and fed back to the chassis drive becomes. This process has been completed in recent years Research institutes and industry - essential efforts are also promoted by BMfT funds been researched and developed thoroughly. So is z. B. on city buses by braking again destroyed drive energy up to 40%. At regenerative reuse of this braking energy can save 10-30% of fuel costs will.

Ein wesentliches Problem der regenerativen Bremsenergie- Wiederverwendung besteht nicht nur in verlustbehafteter Speicherung selbst, sondern auch in Transformation oder Übertragungsverlusten vom Fahrwerk zum Speicher und zurück. Meist wird bei den verschiedenen Forschungs- und Studienobjekten die als mechanische Energie anfallende Bremsenergie zur Übertragung und Speicherung in verschiedene andere Energieformen, wie z. B. hydr. Druckenergie, elektrische Energie oder wieder in kinetische Energie umgewandelt - und dies noch einmal zurück zum Zwecke des Antreibens. Abgesehen von den dafür erforderlichen konstruktiv aufwendigen Hilfseinrichtungen, leidet die Effektivität des Energietransportes bei solchen Transformationen stark.A major problem of regenerative braking energy Reuse is not just lossy Storage itself, but also in transformation or transmission losses from the chassis to Memory and back. Mostly with the different Research and study objects as mechanical  Energy generated braking energy for transmission and Storage in various other forms of energy, such as B. hydr. Pressure energy, electrical energy or converted back into kinetic energy - and back again for the purpose of driving. Apart from the structurally complex required for this Aid facilities, effectiveness suffers of energy transport in such transformations strong.

Eine wesentliche Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, den Energieverlust beim Energietransfer Fahrwerk-Speicher-Fahrwerk und den konstruktiven Aufwand möglichst klein zu halten.An essential object of the present invention is the loss of energy when transferring energy Chassis storage chassis and the design effort to keep it as small as possible.

Im Rahmen der Bemühungen nach verbesserten alternativen Antriebsformen steht auch das Bestreben nach abgas- und geräuschemissionsärmeren Konzeptionen im Vordergrund, dem besonders der Einsatz elektrischer Fahrzeugantriebe gerecht wird. Da der Einsatz solcher Antriebskonzeptionen wegen seines eingeschränkten Aktionsradius für den innerstädtischen Einsatz prädestiniert ist, erscheint es aus Effektivitätsgründen zwingend geboten, die Bremsenergierückgewinnung mit ihren eingangs angeführten Vorteilen in das Antriebskonzept mit einzubeziehen. Erfolgt die Bremsenergiespeicherung auf rein elektrischer Basis, d. h. mittels des eigentlichen Antriebssystems, wirken sich folgende bekannte nachteilige Effekte aus:As part of efforts to improve alternative Forms of drive are also the endeavors concepts with lower emissions and lower emissions Foreground, especially the use of electrical Vehicle drives. Because the use of such Drive concepts because of its limited Action radius predestined for inner-city use it appears for reasons of effectiveness imperative to use the braking energy recovery the advantages mentioned in the drive concept to include. The braking energy is stored on a purely electrical basis, d. H. by means of of the actual drive system, the following effects known adverse effects from:

Durch spontane Laststöße, wie sie im KFZ-Einsatz und ganz besonders bei Bremsenergie-Rückgewinnungseinrichtungen vorkommen,Through spontaneous load surges, such as those used in vehicles and especially in brake energy recovery systems occurrence,

  • - leidet und vermindert sich die Ladekapazität und Lebensdauer der Batterien,
    - Antriebsmaschine, Batterien sowie Stell- und Steuerorgane müssen auf die maximalen Spitzenleistungen ausgelegt werden, was einen großen Bauaufwand bedingt.    - suffers and decreases the charging capacity and life of the batteries,
    - Drive machine, batteries as well as actuators and control elements must be designed for the maximum peak performance, which requires a lot of construction.

Werden weitere, andere Energiespeichersysteme eingesetzt, bedarf es zusätzlichen Aufwandes an Übertragungselementen, Geräten, Energiespeichern usw., was besonders für kleinere Fahrzeugkonzeptionen eine ökonomisch nicht vertretbare Lösung darstellt.If other, other energy storage systems are used, additional transmission elements are required, Devices, energy storage, etc., something special an economical one for smaller vehicle designs represents unacceptable solution.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Elektromotor-KFZ-Antriebskonzeption mit Bremsenergie- Rückgewinnung bei geringem Bauaufwand.The object of the present invention is to create a Electric motor vehicle drive concept with braking energy Recovery with little construction effort.

Die Lösung besteht in den in den Ansprüchen und Beschreibungen angeführten Merkmalen.The solution is in the claims and descriptions mentioned features.

Die Vorteile bestehen im wesentlichen darin:The main advantages are:

  • - sind keine wesentlichen zusätzlichen Aggregate zur Energiespeicherung und Transformation erforderlich;
    - der Speicher, d. h. die entsprechende Ausbildung des obligaten Antriebsmotors erfordert einen verhältnismäßig geringen Mehraufwand;
    - elegante, einfache und vor allem effektive Energietransformation zwischen Fahrwerk und Speicher mittels stufenlosem Getriebe;
    - stufenloses Getriebe stellt wegen seines hyperbolischen M t -n-Wandlungscharakters ein ideales Anpassungsglied für den KFZ-Antrieb dar;
    - die elektrischen Einrichtungen werden von Spitzenbelastungen verschont, sowohl Anfahr- und insbesondere Brems-Belastungen können weitgehend durch kinetische Energie abgedeckt und die elektrischen Einrichtungen schwacher ausgelegt werden;
    - durch die Bremsenergie-Rückgewinnung kann generell die Batterie kleiner ausgelegt, oder der Aktionsradius des Fahrzeuges vergrößert werden.    - no significant additional aggregates for energy storage and transformation are required;
    - The memory, ie the corresponding training of the mandatory drive motor requires a relatively small additional effort;
    - Elegant, simple and, above all, effective energy transformation between the chassis and the accumulator using a continuously variable transmission;
    - Because of its hyperbolic M t - n conversion character, the continuously variable transmission is an ideal adapter for the motor vehicle drive;
    - The electrical devices are spared peak loads, both start-up and especially braking loads can be largely covered by kinetic energy and the electrical devices can be designed weaker;
    - Due to the braking energy recovery, the battery can generally be made smaller, or the vehicle's radius of action can be increased.
Schematische AusführungsbeispieleSchematic embodiments

Fig. 1: Elektroantrieb für KFZ mit Zusatzschwungmasse und einem stufenlosen Getriebe. Fig. 1: Electric drive for motor vehicles with additional flywheel and a continuously variable transmission.

Fig. 2: Elektroantrieb mit besonders effektiv ausgebildeter Motorschwungmasse. Fig. 2: Electric drive with a particularly effective motor flywheel.

Fig. 3: Elektroantrieb mit einer die Elektromaschine topfförmig umschließenden Schwungmasse. Fig. 3: Electric drive with a flywheel enclosing the electric machine in a pot shape.

Fig. 4: Elektroantrieb, bestehend aus einer Elektromaschine mit vergrößerter Schwungmasse, einem Nullregelüberlagerungsgetriebe und einer zweiten Elektromaschine mit hochdynamischem Betriebsverhalten. Fig. 4: Electric drive, consisting of an electric machine with increased flywheel mass, a zero-control superposition gear and a second electric machine with highly dynamic operating behavior.

Fig. 5: Elektroantrieb mit einer Elektromaschine mit erhöhter Schwungmasse, einer nachgeschalteten Kombination aus stufenlosem Getriebe und einem Planetengetriebe zur Fahrtrichtungsumkehr. Fig. 5: Electric drive with an electric machine with increased flywheel mass, a downstream combination of a continuously variable transmission and a planetary gear for reversing the direction of travel.

Fig. 6: Elektromaschine mit einer über ein Planetengetriebe zugeordneten Schwungmasse. Fig. 6: Electric machine with a flywheel assigned via a planetary gear.

Claims (11)

1. Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einer Elektro-Kraftmaschine und einer Energiespeichereinrichtung, in welcher Bremsenergie sowohl gespeichert als auch wieder dem Fahrwerksantrieb zugefüht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine eine als Motor und Generator betreibbare Elektromaschine 1 ist und zwischen dieser und dem Fahrwerksantrieb 6 sich ein stufenloses Getriebe befindet, ferner die Elektromaschine 1 eine das Übliche überschreitende Schwungmasse aufweist oder direkt daran eine Zusatzmasse 2 angeordnet ist, wobei die Summe der Schwungmassen dieser Elektromaschinen-Gyrospeicherkombination 1, 2 so groß ist, daß mindestens die Bremsenergie die beim Abbremsen des Fahrzeuges aus dem oberen Fahrgeschwindigkeitsbereich anfällt oder zum Anfahren aus dem Stillstand und Beschleunigen bis zu einer mittleren Fahrgeschwindigkeit erforderlich ist, gespeichert werden kann. 1. Hybrid drive for motor vehicles, consisting of an electric motor and an energy storage device in which braking energy can both be stored and again fed to the chassis drive, characterized in that the engine is an electric machine 1 which can be operated as a motor and generator and between this and the Chassis drive 6 there is a continuously variable transmission, furthermore the electric machine 1 has a flywheel mass exceeding the usual or an additional mass 2 is arranged directly thereon, the sum of the flywheel masses of this electric machine gyro storage combination 1, 2 being so large that at least the braking energy is that when braking of the vehicle from the upper driving speed range or is required for starting from standstill and accelerating up to a medium driving speed. 2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine 1 mit einem hochtourigen Läufer ausgestattet ist, der eine entsprechend große oder bzw. und zusätzliche Schwungmasse aufweist.2. Hybrid drive according to claim 1, characterized in that the electric machine 1 is equipped with a high-speed rotor, which has a correspondingly large or and and additional flywheel mass. 3. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine 1 als Trommelläufer ausgebildet ist, d. h. die äußeren Polpaare 7 rotieren und die üblicherweise die Welle umschließenden inneren Polpaare feststehen.3. Hybrid drive according to claim 1, characterized in that the electric machine 1 is designed as a drum rotor, ie the outer pole pairs 7 rotate and the inner pole pairs usually surrounding the shaft are fixed. 4. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine 1 oder ein Teil davon von einer topfförmigen, wellenfesten Schwungmasse 8 umschlossen wird.4. Hybrid drive according to claim 1, characterized in that the electric machine 1 or a part thereof is enclosed by a cup-shaped, wave-fixed flywheel 8 . 5. Hybridantrieb nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die topfförmige Schwungmasse 8 aus Verbundwerkstoff hergestellt ist, wobei die die im wesentlichen aus Metall bestehende topfförmige Schwungmasse außen mit einer hochfesten Faser niedrigeren spezifischen Gewichtes bandagiert ist.5. Hybrid drive according to claim 1 and 4, characterized in that the cup-shaped flywheel 8 is made of composite material, the cup-shaped flywheel consisting essentially of metal is bandaged outside with a high-strength fiber of lower specific weight. 6. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der, eine den Hauptanteil der Antriebsleistung übernehmenden Elektromaschinen-Gyrokombiation 1, 2 über ein Überlagerungsgetriebe 9 an dessen drittem Kraftpfad 11 eine weitere Elektromaschine 12 mit vorzugsweise niedrigem Schwungmoment und elastisch-dynamischem Funktionsverhalten angeordnet ist und das Funktionsverhalten bzw. die Auslegung des vorzugsweise als Doppelplanetengetriebe ausgeführten Überlagerungsgetriebes 9 derart ist, daß mittels Drehzahlvariation und -umkehr der Elektromaschine 12 bei relativ geringen Drehzahländerungen am Hauptantrieb 1/2 (innerhalb seines Betriebsdrehzahlbereiches) die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, einschließlich Reversierbewegungen innerhalb seines Betriebsgeschwindigkeitsbereiches bewirkt wird,6. Hybrid drive according to claim 1, characterized in that to that a major proportion of the drive power acquiring electric machine Gyrokombiation 1, 2, a further electric motor 12 is arranged, preferably with a low moment of inertia, and elastic-dynamic functional behavior of a superposition gear 9 at the third force path 11 and the functional behavior or interpretation of, preferably designed as a double planetary gear superposition gear 9 is such that by means of rotational speed variation and -umkehr the electrical machine 12 at relatively low speed variations of the main drive 1/2 (within its operating speed range), the driving speed of the vehicle, including reversing movements within its operating speed range is caused 7. Hybridantrieb nach Anspruch 1 bis 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das im Übertragungspfad zwischen der Elektromaschinen- Gyrospeicherkombination 1/2 angeordnete stufenlose Getriebe 4 ein Kegelscheibenumschlingungsgetriebe ist.7. Hybrid drive according to claim 1 to 5 and 9, characterized in that the arranged in the transmission path between the electrical machinery Gyrospeicherkombination 1/2 continuously variable transmission 4 is a belt-driven conical. 8. Hybridantrieb nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Antriebsbasis Elektromaschine 1 - Gyrospeicher 2 direkt anschließend im Kraftpfad zum Fahrwerk eine Schaltkupplung 3 angeordnet ist.8. Hybrid drive according to claim 1 to 7, characterized in that between the drive base electric machine 1 - gyro memory 2 directly afterwards a clutch 3 is arranged in the power path to the chassis. 9. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem zwischen der Elektromaschinen-Gyrospeicherkombination 1/2 und dem Fahrwerksantrieb 6 angeordneten Getriebe 4 ein Planetengetriebe 13 so zugeordnet und ausgelegt ist, daß der Verstellbereich dieser Übertragungstrecke 4/13 erweitert und Drehrichtungsumkehr erreicht wird, um bei jedem Drehzahlbetriebspunkt der Elektromaschinen-Gyrospeicherkombination 1/2 das volle Fahrgeschwindigkeitsspektrum abzudecken.In that the between the electric machine Gyrospeicherkombination 1/2 and the chassis drive 6 is positioned gear 4, a planetary gear 13 is associated with and adapted 9. Hybrid drive according to claim 1, characterized in that the adjustment of the transmission path 4 / extended 13 and reverse rotation is reached, to the electric machine Gyrospeicherkombination half cover the full spectrum of vehicle speed at every speed operating point. 10. Hybridantrieb nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funktions- und Leistungssteuerung der Elektromaschine 1 und zum Verstellen des stufenlosen Getriebes 4, womit die Fahrgeschwindigkeit und der Energietransfer zwischen Gyrospeicher 1/2 und Fahrwerk 6 bewirkt wird und sonstige, die Funktion beeinflussende Elemente, wie z. B. Kupplungen 9, 14, 15 eine Steuer- und Regeleinrichtung 18 zugeordnet ist, sowie zweckentsprechende Istwert erfassende Sensoren z. B. 20, 21, 22, 23, 30, 32, angeordnet sind, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung 18 folgende Funktionsmerkmale aufweist:10. Hybrid drive according to claim 1 to 9, characterized in that the function and performance control of the electric machine 1 and for adjusting the continuously variable transmission 4, with which the running speed and the energy transfer between Gyrospeicher 1/2 and chassis 6 is effected and other, the function influencing elements such. B. clutches 9, 14, 15 a control and regulating device 18 is assigned, and appropriate actual value sensors z. B. 20, 21, 22, 23, 30, 32 , are arranged, the control and regulating device 18 having the following functional features: - in statischen Betriebszuständen wird die Drehzahl der Elektromaschine 1 weitgehend in einem optimalen Kennwertegebiet betrieben, unter Berücksichtigung ausreichender Speicherreserven und -kapazitäten des Gyrospeichers 2;
- Aufnahme- und Entladefunktionen bzw. die Bereitschaft dazu der Gyrospeicherkombination 1/2 werden von seinem momentanen Ladezustand bestimmt;
- dynamische, d. h. spontane Leistungsspitzen sowohl für den Antrieb als auch bei Bremsenergie- Rückspeisung werden vorrangig und hauptsächlich durch die Speicherenergie abgedeckt bzw. in diesen rückgeführt
- während intermittierender oder periodischer Arbeitsweise des Antriebsmotors 1 wird das dabei sich verändernde Drehzahlniveau der Elektromaschinen-Gyrospeicherkombination 1/2 durch automatisches zweckentsprechendes Verregeln des stufenlosen Getriebes 4 oder des zweiten Elektromotors 12 kompensiert.
- die Fahrgeschwindigkeit ist von der manuellen Betätigung des Gaspedals 29 oder von einer sonstigen, vorbestimmbaren Sollwerteinstellung abhängig.- In static operating states, the speed of the electric machine 1 is largely operated in an optimal characteristic range, taking into account sufficient memory reserves and capacities of the gyro memory 2 ;
- receiving and unloading functions or the willingness to the Gyrospeicherkombination 1/2 can be determined from its current state of charge;
- Dynamic, ie spontaneous power peaks both for the drive and for braking energy recovery are primarily and mainly covered by the storage energy or returned to it
- during intermittent or periodic operation of the drive motor 1, thereby changing rotational speed level of the electric machine is Gyrospeicherkombination / 1 2 compensates by automatically managing expediently Verregeln the continuously variable transmission 4 or the second electric motor 12th
- The driving speed is dependent on the manual actuation of the accelerator pedal 29 or on another, predeterminable setpoint setting.
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