DE4124479C2 - Hybridantrieb, insbesondere für Fahrzeuge - Google Patents

Hybridantrieb, insbesondere für Fahrzeuge

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hybridantrieb der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Bauart.
Aus der DE-B-10 17 696 ist ein Hybridantrieb mit einer Brennkraftmaschine und einem aus Elektromaschinen sowie einem dreiwelligen Planetengetriebe kombinierten stufen­ losen Getriebe bekannt, wobei eine der Elektromaschinen zur Deckung einer erhöhten Antriebsleistung als zusätz­ licher Motor zur Brennkraftmaschine dient. Da bei diesem bekannten Hybridantrieb das stufenlose Getriebe einer stufenlosen, betriebsoptimierten Drehzahl- und Dreh­ momentanpassung der Brennkraftmaschine an die jeweilige Vortriebsleistung des Fahrzeuges dient, ist keine Trenn­ kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und dem stufen­ losen Getriebe vorgesehen. Mangels einer solchen Kupplung ist ein ggf. erforderlicher elektrischer Antrieb durch das Mitschleppen der Brennkraftmaschine mit beträcht­ lichen Verlusten verbunden.
Dieser Nachteil ist zwar bei dem Hybridantrieb gemäß der gattungsbildenden US-A-3,566,717 grundsätzlich durch eine zwischen der Brennkraftmaschine und dem stufenlosen Getriebe vorsehbare Kupplung vermieden. Jedoch ist bei diesem stufenlosen Getriebe die von der Brennkraftmaschine gesondert durch eine der Elektromaschinen antreibbare Abtriebswelle mit dem Hohlrad des Planeten­ getriebes drehfest verbunden, wobei der die Planetenräder tragende Steg in Antriebsverbindung mit der anderen Elektromaschine steht. Um demnach bei abgekoppelter Brennkraftmaschine einen ausschließlichen elektrischen Antrieb des Fahrzeuges zu erreichen, ist der zur Bewir­ kung eines Stützmomentes mit dem Steg in Antriebsverbin­ dung stehenden zweiten Elektromaschine zur Erzielung einer größtmöglichen Antriebswirkung der ersten Elektro­ maschine zusätzlich elektrische Energie zuzuführen. Dies zumindest in den Umfang, daß ein dem jeweiligen Antriebs­ moment entsprechendes Stütz- oder Reaktions-Moment erzielt ist.
Weiter ist aus der DE-OS 37 43 289 ein Kraftfahrzeugantrieb mit automatisch stu­ fenlos geregeltem Drehmomentwandler bekannt, wobei der Brennkraftmaschine stirnseitig eine über ein Dreiwellen-Planetengetriebe antriebsverbundene erste Elektromaschine zugeordnet ist, die mittels eines durch eine Bremse gesteuert blockierbaren Sonnenrades zu- und abschaltbar ist. Diese erste Elektromaschine dient je nach Schaltung als Motor oder als Generator.
Dieser Brennkraftmaschine ist ferner abtriebseitig über ein weiteres Dreiwellen-Pla­ netengetriebe eine zweite Elektromaschine zugeordnet, die als Generator zur Mo­ mentenabstützung des Sonnenrades für die Drehmomentwandlung dient, wobei ein die Planetenräder tragender Steg mit einem Achsgetriebe in Antriebsverbindung steht. Bei einem Fahrbetrieb außerhalb des Wandelbereiches ist das mit dem Anker der zweiten Elektromaschine drehfest verbundene Sonnenrad des zweiten Plane­ tengetriebes über eine weitere steuerbare Bremse drehblockiert.
Der in der zweiten, als Generator wirksamen Elektromaschine induzierte Strom wird der ersten, auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine als Motor wirkenden Elektromaschine frequenzgewandelt zugeführt zur Energierückgewinnung derart, dass z. B. bei Konstantfahrt der über ein Gaspedal gesteuerten Brennkraftmaschine weniger Kraftstoff/Luft-Gemisch zugeführt ist.
Dieser bekannte Kraftfahrzeugantrieb mit jeder Elektromaschine zugeordnetem Dreiwellen-Planetengetriebe mit jeweils einer steuerbaren Bremse ist in nachteiliger Weise bauaufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hybrid­ antrieb der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Bauart derart weiterzubilden, daß einer­ seits ein verlustarmer und leistungsstarker Elektro­ antrieb und andererseits ein Generatorbetrieb mit hohem Energierückfluß erzielt ist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 in baulich vorteilhaft einfacher Weise gelöst.
Zwar ist es für ein in der DE-C-355 391 beschriebenes, eine Brennkraftmaschine, zwei Elektromaschinen und ein dreiwelliges Planetengetriebe umfassendes Antriebs­ aggregat an sich bekannt, zwei der drei jeweils mit einer Elektromaschine antriebsfest verbundenen Planetenge­ triebe-Wellen mittels einer Kupplung gesteuert drehfest zu verblocken. Jedoch werden mit dieser Maßnahme beide Elektromaschinen im Gegensatz zur Erfindung wirkungslos im Antrieb, der nunmehr ausschließlich über die Brenn­ kraftmaschine erfolgt.
Eine hinsichtlich kleinem Bauraum und günstigem Wirkungsgrad vorteilhafte Aus­ gestaltung der Erfindung beschreibt Anspruch 2, wobei von einem weiteren, aus der DE-A 27 57 619 nach Fig. 5 bekannten Stand der Technik ausgegangen wird zur erfindungsgemäßen drehfesten Kombination zweier gleichachsig beiderseits des wirkungslos gesetzten Leistungsverzweigungsgetriebes fluchtend angeordneter Elektromaschinen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. Kombination bildet die bei wirksamen stufenlosen Getriebe vor allem der Einleitung einer eines Stütz- bzw. Reaktions-Momentes dienende Elektromaschine mit der anderen, im wesentli­ chen als Zusatzmotor zur Brennkraftmaschine vorgesehenen Elektromaschine einen gemeinsamen Antriebsmotor zum rein elektrischen Antrieb. Für den Antrieb in Vorwärtsfahrt bilden somit die Anker der beiden Elektromaschinen mitsamt dem wir­ kungslos gesetzten Leistungsverzweigungsgetriebe einen rotierenden Block.
Für einen Antrieb in Rückwärtsfahrt dient lediglich die zur Steuerung des Reaktionsmomentes vorgesehene Elektromaschine mit entgegengesetzter Dreh­ richtung, wobei die Momentenabstützung an der stillstehenden Brennkraftmaschine über den Freilauf und der Eingangswelle des Planetengetriebes erfolgt.
Schließlich beschreibt Anspruch 3 die Kombination des erfindungsgemäß gestalte­ ten stufenlosen Getriebes mit einer in den Ansprüchen 3 und 4 näher bezeichneten und im übrigen in der nachveröffentlichten DE 41 17 154 A1 vorgeschlagenen klein­ volumigen Brennkraftmaschine mit relativ hohem Verdichtungsverhältnis, die mit einem zuschaltbaren, mechanisch angetriebenen Lader, vorzugsweise einem Krei­ selverdichter, ausgerüstet ist. Vorteil dieser Kombination ist, die Brennkraftmaschine im stationären Fahrbetrieb bei jeder Geschwindigkeit über die Drehzahl in einen Lastpunkt mit absolut niedrigem Kraftstoffverbrauch zu steuern und somit einem verbrauchsoptimierten und emissionsreduzierten Betrieb zu erreichen. Die bei die­ ser Betriebsweise anfallenden Überschußleistungen der Brennkraftmaschine wer­ den zum Laden des elektrischen Energiespeichers verwendet. Der o. g. Vorteil kann ferner bei einer Fahrzeugbeschleunigung durch Zuschalten der Elektromaschine bei entsprechender Zufuhr elektrischer Energie aus dem aufladbaren Energiespeicher in nicht unerheblichem Umfang erreicht sein. Für den emissionsfreien Betrieb durch ausschließlichen Elektroantrieb wird die über den Freilauf abkuppelbare Brenn­ kraftmaschine stillgesetzt. Schließlich ermöglicht die erfindungsgemäße Koppelung der Elektromaschinen des stufenlosen Getriebes bei einer Fahrzeugverzögerung eine Rückgewinnung an elektrischer Energie.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Hybrid­ antriebes beschrieben.
Ein Hybridantrieb 1 für ein nicht näher aufgezeigtes Fahrzeug 2 umfaßt eine Brenn­ kraftmaschine 3 und ein über eine Kupplung - Freilauf 4 - verbundenes, aus Elek­ tromaschinen 5, 6 und einem dreiwelligen Leistungsverzweigungsgetriebe - Plane­ tengetriebe 7 - kombiniertes stufenloses Getriebe 8, dessen betriebspunktabhängig als Generator oder als Motor wirkende Elektromaschinen 5 und 6 über eine Steuer­ einrichtung 9 mit einem elektrischen Energiespeicher 10 auf dem Fahrzeug 2 in Verbindung stehen. Wie aus den eingangs zum Stand der Technik genannten Do­ kumenten der DE-B-10 17 696 und der US-A 3,566,717 näher hervorgeht, steht eine der Elektromaschinen 6 mit einer Reaktionswelle 11 und die andere im Motor­ betrieb eine Zusatzleistung abgebende und im Generatorbetrieb der Energie­ rückgewinnung dienende Elektromaschine 5 mit einer der übrigen beiden Wellen - Eingangswelle 12, Abtriebswelle 13 - des Leistungsverzweigungsgetriebes 7 in An­ triebsverbindung.
Um einen von der Brennkraftmaschine 3 gesonderten, verlustarmen und leistungs­ starken Elektroantrieb zu erzielen, sind die mit den Elektromaschinen 5 und 6 in Antriebsverbindung stehenden Wellen - z. B. Reaktionswelle 11 und Eingangswelle 12 - des Leistungsverzweigungsgetriebes 7 mittels einer ansteuerbaren Kupplung 14 drehfest derart verbindbar, daß bei gelöster brennkraftmaschinenseitiger Kupp­ lung - Freilauf 4 - sämtliche Elektromaschinen 5 und 6 über das verblockte Leistungsverzweigungsgetriebe 7 einen gesonderten Antriebsmotor 15 bilden.
Weiter weist der Hybridantrieb 1 eine abtriebsseitig zu dem als Planetengetriebe gestalteten Leistungsverzweigungsgetriebe 7 angeordnete Elektromaschine 6 auf, deren Anker 16 über eine hohle, zu einer Abtriebswelle 13 des Planetengetriebes koaxial angeordnete Reaktionswelle 11 mit einem Hohlrad 17 des Planetengetrie­ bes 7 in Antriebsverbindung steht. Eine baulich und funktionell vorteilhafte Aus­ gestaltung ergibt sich hierbei dadurch, daß auf der mit der Abtriebswelle 13 fluch­ tenden Eingangswelle 12 des Planetengetriebes 7 ein Anker 18 der zweiten Elektromaschine 5 drehfest angeordnet ist, wobei die Eingangswelle 12 zusätzlich den wellenseitigen Teil 19 der mit dem Hohlrad 17 in Antriebsverbindung stehenden ansteuerbaren Kupplung 14 trägt. Schließlich ist die Eingangswelle 12 mit der Brennkraftmaschine 3 über einen Freilauf 4 kuppelbar.
Weiter kennzeichnet den erfindungsgemäß mit einem optimierten Elektroantrieb - Antriebsmotor 15 - ausgerüsteten Hybridantrieb 1 eine verbrauchsoptimiert und emissionsreduziert betreibbare Brennkraftmaschine 3, wie sie näher in der DE 41 17 154 A1 beschrieben ist. Erreicht ist dies mit der Verwendung einer relativ zur Fahrzeugmasse kleinvolumigen Brennkraftmaschine 3 mit relativ hohem Ver­ dichtungsverhältnis und einem zuschaltbaren, mechanisch angetriebenem Lader - vorzugsweise Kreiselverdichter 20 -, wobei die Brennkraftmaschine 3 bei stationä­ rem Fahrbetrieb über das stufenlose Getriebe 8 als Saugmotor in einen Bereich niedrigsten Kraftstoffverbrauches gesteuert ist.
Schließlich kann auf dem Fahrzeug 2 noch ein als mechanischer Energiespeicher dienendes Schwungrad 21 vorgesehen sein, das mit einer weiteren Elektro­ maschine 22 zur Energiewandlung gekoppelt ist. Das Schwungrad 21 dient vor­ zugsweise als Beschleunigungshilfe.
Bei einem emissionsfreien Betrieb des Fahrzeuges 2 wählt der Fahrer des Fahr­ zeuges 2 für eine Vorwärtsfahrt mit Elektroantrieb die Programmschalter E und V der Steuereinrichtung 9, und bei einer Rückwärtsfahrt die Programmschalter E und R. Weiter wird die Kupplung 14 über die Steuereinrichtung 9 derart angesteuert, daß deren wellenseitiger Teil 19 der Eingangswelle 12 des Planetengetriebes 7 mit dessen Hohlrad 17 drehfest gekoppelt ist. Über das vorbeschriebene Schließen der Kupplung 14 ist der Anker 18 der Elektromaschine 5 mit dem Hohlrad 17 des Pla­ netengetriebes 7 in drehfester Verbindung gebracht. Da andererseits das Hohlrad 17 über die Reaktionswelle 11 mit dem Anker 16 der Elektromaschine 6 in dreh­ fester Verbindung steht, sind somit über die geschlossene Kupplung 14 und das damit wirkungslos gesetzte Leistungsverzweigungsgetriebe bzw. Planetengetriebe 7 beide Elektromaschinen 5 und 6 zur Leistungsabgabe oder zur Leistungsaufnahme im Bremsbetrieb über die Abtriebswelle 13 parallel geschaltet. Nach Betätigen einer Starteinrichtung wirken somit beide Elektromaschinen 5 und 6 als ein von der Brennkraftmaschine 3 gesonderter Antriebsmotor 15. Bei einem Bremsvorgang des Fahrzeuges 2 wirken dagegen die beiden Elektromaschinen 5 und 6 als ein gemein­ samer Generator 15', dessen Energie dem elektrischen Speicher 10 und/oder der Elektromaschine 22 des Schwungrades 21 zugeführt wird.
Der aus den parallel geschalteten Elektromaschinen 5 und 6 gebildete Antriebs­ motor 15 kann auch für eine Rückwärtsfahrt des Fahrzeuges 2 vorgesehen sein, wenn die Eingangswelle 12 des Planetengetriebes 7 mit der Brennkraftmaschine 3 über eine ebenfalls ansteuerbare Kupplung 4 in Verbindung steht. Der jedoch zur Vereinfachung des Aufbaues zwischen der Brennkraftmaschine 3 und der Ein­ gangswelle 12 vorgesehene Freilauf 4 bedingt bei Rückwärtsfahrt ein Lösen der schaltbaren Kupplung 14 des stufenlosen Getriebes 8, so daß die Rückwärtsfahrt des Fahrzeuges 2 allein über die Elektromaschine 6 bewirkt ist, wobei die Ein­ gangswelle 12 des Planetengetriebes 7 sich über den Freilauf 4 gegen die still­ stehende Brennkraftmaschine 3 abstützt.
Bei ausschließlichem Betrieb des Fahrzeuges 2 über die Brennkraftmaschine 3 wird die ansteuerbare Kupplung 14 zwischen den beiden Elektromaschinen 5 und 6 ge­ löst. Die Brennkraftmaschine 3 wirkt damit über die Eingangswelle 12 auf das Son­ nenrad 23 des Planetengetriebes 7. Zur Weiterleitung der Antriebsleistung der Brennkraftmaschine 3 auf die Abtriebswelle 13 über die auf dem mit der Abtriebs­ welle 13 drehfest verbundenen Steg 24 angeordneten Planetenräder 25 ist am Hohlrad 17 eine Momentenabstützung erforderlich. Diese Momentenabstützung erbringt die Elektromaschine 6 über die Reaktionswelle 11.
Die als Reaktionsmaschine wirkende Elektromaschine 6 kann nun aus dem elektrischen Energiespeicher 10 über die Steuereinrichtung 9 derart mit elektrischer Energie versorgt werden, daß am Hohlrad 17 des Planetengetrie­ bes 7 relativ zu dem von der Brennkraftmaschine 3 einge­ leiteten Drehmoment unterschiedliche Stützmomente anlie­ gen, die unterschiedliche Drehzahlen zwischen der Abtriebswelle 13 und der Eingangswelle 12 des Leistungs­ verzweigungsgetriebes bzw. Planetengetriebes 7 bewirken. Da die Elektromaschine 6 als Reaktionsmaschine über die Steuereinrichtung 9 elektrisch stufenlos regelbar ist, ergibt sich daraus ein stufenloses Getriebe 8.
Das als Stellkoppelgetriebe mit elektrischem Regelzweig dargestellte stufenlose Getriebe 8 ergibt die Möglich­ keit, bei einer konstanten Geschwindigkeit des Fahr­ zeuges 2 und damit konstanter Drehzahl der Abtriebs­ welle 13 die Drehzahl der Brennkraftmaschine 3 an der Eingangswelle 12 des Leistungsverzweigungsgetriebes 7 derart zu beeinflussen, daß die Brennkraftmaschine 3 bei stationärem Betrieb in einem Bereich absolut niedrigsten Kraftstoffverbrauches arbeitet. Hierzu wird eine relativ zur Fahrzeugmasse kleinvolumige Brennkraftmaschine mit relativ hohem Verdichtungsverhältnis verwendet. Um weiter den erforderlichen Leistungsbedarf bei einer Beschleuni­ gung des Fahrzeuges 2 abzudecken, ist die Brennkraft­ maschine 3 mit einem zuschaltbaren, mechanisch angetrie­ benen Kreisellader 20 ausgerüstet. Bei einem beispiels­ weise über das Fahrpedal 26 erkanntem Beschleunigungs­ signal wird der Kreisellader 20 über die Steuereinrich­ tung 9 an die Brennkraftmaschine 3 mechanisch angekoppelt und bei Erreichen des nächsten geeigneten Lastpunktes für die gewünschte höhere Fahrgeschwindigkeit des Fahr­ zeuges 2 abgekoppelt. Weiter kann die Beschleunigung des Fahrzeuges 2 zusätzlich über die Elektromaschine 5 unter­ stützt werden, die über die Steuereinrichtung 9 bei Vorliegen eines bestimmten Beschleunigungssignals als Motor geschaltet ist. Im Falle nicht ausreichender Energie des Energiespeichers 10 kann hierbei bei vorhan­ denem Speicherschwungrad 21 über die Elektromaschine 22 elektrische Energie der Elektromaschine 5 des stufenlosen Getriebes 8 zusätzlich zugeführt werden. Schließlich können beide Elektromaschinen 5 und 6 durch Schließen der steuerbaren Kupplung 14 als zur Brennkraftmaschine 3 parallel geschalteter Antriebsmotor 15 die Beschleunigung des Fahrzeuges 2 unterstützen.
Bei Geschwindigkeiten des Fahrzeuges 2 nahe 100 km/h und darüber werden die Anker 16 und 18 der beiden Elektro­ maschinen 6 und 5 durch Schließen der Kupplung 14 mitein­ ander drehfest verbunden und somit das stufenlose Getriebe 8 außer Wirkung gesetzt. In diesem Fall ist das Fahrzeug ausschließlich durch die Brennkraftmaschine 3 angetrieben. Bei einer Verzögerung des Fahrzeuges 2 bei ausschließlichen Brennkraftmaschinenbetrieb werden die mit ihren Ankern 16 und 18 über die Kupplung 14 mitein­ ander verblockten Elektromaschinen 5 und 6 über die Steuereinrichtung 9 auf Generatorbetrieb geschaltet, und somit über den Generator 15' elektrische Energie zurück­ gewonnen. Diese wird dem elektrischen Energiespeicher 10 und/oder dem Speicher-Schwungrad 21 zugeführt.

Claims (4)

1. Hybridantrieb, insbesondere für Fahrzeuge,
umfassend eine Brennkraftmaschine (3) und ein über eine Kupplung (Freilauf 4) verbundenes, aus Elektro­ maschinen (5, 6) und einem dreiwelligen Leistungsver­ zweigungsgetriebe (Planetengetriebe 7) kombiniertes stufenloses Getriebe (8), dessen
betriebspunktabhängig als Generator oder als Motor wirkende Elektromaschinen (5, 6) über eine Steuerein­ richtung (9) mit einem elektrischen Energiespeicher (Batterie 10) in Verbindung stehen, wobei
eine der Elektromaschinen (6) mit einer Reaktions­ welle (11) und die andere, im Motorbetrieb eine Zusatzleistung abgebende und im Generatorbetrieb der Energierückgewinnung dienende Elektromaschine (5) mit einer der übrigen beiden Wellen (Eingangswelle 12, Abtriebswelle 13) des Leistungsverzweigungsgetrie­ bes (7) in Antriebsverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit den Elektromaschinen (5, 6) in Antriebs­ verbindung stehenden Wellen (Reaktionswelle 11 und Eingangswelle 12) des Leistungsverzweigungsgetrie­ bes (7) mittels einer ansteuerbaren Kupplung (14) drehfest verbindbar sind derart, daß
sämtliche Elektromaschinen (5, 6) über das verblockte Leistungsverzweigungsgetriebe (7) einen gemeinsamen Antriebsmotor (15) oder einen gemeinsamen Genera­ tor (15') bilden.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1,
bei dem eine abtriebsseitig zu dem als Planetenge­ triebe (7) gestalteten Leistungsverzweigungsgetriebe angeordnete Elektromaschine (6) mit ihrem Anker (16) über eine hohle, zu einer Abtriebswelle (13) des Planetengetriebes (7) koaxial angeordnete Reaktions­ welle (11) mit einem Hohlrad (17) des Planetengetrie­ bes in Antriebsverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der mit der Abtriebswelle (13) fluchtenden Eingangswelle (12) des Planetengetriebes (7) ein Anker (18) der zweiten Elektromaschine (5) drehfest angeordnet ist, und
daß die Eingangswelle (12) ferner den wellenseitigen Teil (19) der mit dem Hohlrad (17) in Antriebsverbin­ dung stehenden ansteuerbaren Kupplung (14) trägt, und
schließlich mit der Brennkraftmaschine (3) über einen Freilauf (4) kuppelbar ist.
3. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch die Verwendung einer relativ zur Fahrzeug­ masse kleinvolumigen Brennkraftmaschine (3) mit zuschaltbarem, mechanisch angetriebenem Lader (Kreiselverdichter 20), die
bei stationärem Fahrbetrieb über das stufenlose Getriebe (8) als Saugmotor in einen Bereich niedrigsten Kraftstoffverbrauches ge­ steuert ist.
4. Hybridantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die kleinvolumige Brennkraftmaschine (3) ein relativ hohes Ver­ dichtungsverhältnis aufweist, und
daß der Lader ein Kreiselverdichter (20) ist.
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