DE4202083A1 - Hybridantrieb fuer ein kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hybridantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Hybridantriebe vergleichbarer Art sind beispielsweise aus der DE-OS 37 37 192 und 29 43 554 bekannt. Sie zeichnen sich ge­ genüber sogenannten Serienhybridantrieben dadurch aus, daß die elektrische Maschine sowohl als Generator zum Laden des elek­ trischen Energiespeichers als auch als Motor zum Antrieb des Fahrzeugs dient. Da sich die mechanische Leistung des Verbren­ nungsmotors und des Elektromotors mechanisch addieren, werden die Leistungen beider Antriebsmaschinen mit gutem Wirkungsgrad auf die Antriebsräder des Fahrzeugs übertragen. Dagegen findet bei Serienhybridantrieben bekanntlich eine zusätzliche mecha­ nisch/elektrische Energieumwandlung statt, womit zwar wegen des Wegfalls der mechanischen Verbindung zum Verbrennungsmotor die Drehzahl einer elektrischen Antriebsmaschine frei gewählt wer­ den kann, andererseits aber der Antriebswirkungsgrad wegen der zusätzlichen Energieumwandlung sich meist verschlechtert.

Da in der Vergangenheit für hybride Antriebsanordnungen als elektrische Antriebsmaschine zumeist Kommutator-Maschinen vor­ gesehen wurden, mußte beim Antriebsentwurf darauf geachtet werden, daß die elektrische Kommutator-Maschine dann vom An­ triebsstrang mechanisch abgetrennt werden konnte, wenn der An­ trieb ausschließlich vom Verbrennungsmotor bewerkstelligt wur­ de. Die Gründe hierfür liegen einerseits in dem vom Kommutator verursachten Reibmoment sowie in der infolge mechanischer Ab­ nutzung begrenzten Standzeit des Kommutators. In solchen An­ triebsanordnungen wurde zumeist die Kommutator-Maschine mit einer mechanischen Kupplung abgetrennt oder die Bürsten mit einer zusätzlichen mechanischen Vorrichtung vom Kommutator ab­ gehoben.

Mit dem Aufkommen der Halbleiter-Technik ist es möglich, an­ stelle der Kommutator-Maschinen eine Drehstrommaschine einzu­ setzen, bei der zwischen Ständer und Läufer keinerlei elektri­ scher Kontakt notwendig ist, beispielsweise eine Asynchronma­ schine mit Käfigläufer oder eine permanent erregte Synchron­ maschine. Das im motorischen Betrieb im Luftspalt umlaufende und Drehmoment bildende Drehfeld wird von einem Halbleiter- Drehstromumrichter erzeugt. Da bei einer solchen elektrischen Maschine kein elektrischer Kontakt vorhanden ist, kann der Läufer auch ständig mit dem verbrennungsmotorischen Antriebs­ teil mechanisch verbunden sein, da dieser, solange der Dreh­ stromumrichter elektrisch gesperrt ist, mit Ausnahme der ver­ nachlässigbaren Lagerreibung keinerlei Rückwirkung auf den mechanischen Antriebsteil ausübt. Diesen Gedanken legt die DE-OS 37 37 192 zu Grunde: Es wird darin ein Hybridantrieb mit einem schwungradlosen Verbrennungsmotor und einer nachgeschal­ teten Drehstrommaschine beschrieben, bei welcher der Läufer der Drehstrommaschine mit Bestandteilen einer ersten, verbrennungs­ motorseitigen Trennkupplung und Bestandteilen einer zweiten, getriebeseitigen Trennkupplung eine dem Verbrennungsmotor an­ kuppelbare Schwungmasse bildet. Die Drehstrommaschine ist hierbei, wie auch in der bekannten Anordnung nach DE-OS 29 43 554 vorzugsweise als Scheibenläufermotor aufgebaut, da eine Verlängerung in axialer Richtung zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe in einem Fahrzeug zumeist starke konstruktive Ände­ rungen notwendig macht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Hybridantrieb so auszubilden, daß das Antriebs­ moment des Verbrennungsmotors nicht durch die Elektromaschine geleitet wird und beide Antriebsteile im wesentlichen in kon­ ventioneller Bauweise ausgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile gegenüber oben genanntem Stand der Technik bestehen insbesondere darin, daß eine zweite, die Drehstromma­ schine vom Antriebstrang trennende, Trennkupplung entfällt und die Bauform der Drehstrommaschine, anders als beim o.g. Stand der Technik, keinen besonderen Einschränkungen unterliegt. Wenn es notwendig erscheint, ist es bei der erfindungsgemäßen An­ ordnung sogar möglich, die Drehstrommaschine über eine einfache Getriebestufe mit fester Übersetzung mit der Vorgelegewelle zu verbinden. Nach Maßgabe dieser mechanischen Übersetzung kann die Nenndrehzahl der Drehstrommaschine vergrößert werden, so daß diese bei gleicher Leistung kleiner wird. Außerdem ist er­ sichtlich, daß in dem Betriebsfall, wenn sowohl Verbrennungs­ motor als auch Drehstrommaschine - etwa zur Spitzenlastdeckung bei Überholvorgängen - zum Antrieb beitragen, die erfindungs­ gemäße Anordnung sich als besonders vorteilhaft erweist, da die mechanischen Antriebsmomente in der Vorgelegewelle des Schalt­ getriebes addiert werden. Damit kann die Welle der Drehstrom­ maschine lediglich für ihr eigenes Moment bemessen und deshalb schwächer ausgeführt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hybridantriebs sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

So sieht das Merkmal von Unteranspruch 2 die Ansteuerung eines Drehstromumrichters nach den bekannten Regeln vor, wie sie für stromrichtergespeiste Drehstromantriebe in Fahrzeugen Stand der Technik sind. Demnach kann die Drehstrommaschine vom Fahrpedal gesteuert aus dem Stillstand heraus bis zur Nenndrehzahl ihr Nennmoment bzw. ein gegebenenfalls kurzzeitig zulässiges Über­ lastmoment aufbringen. Als ein weiterer Vorteil ergibt sich, daß sowohl ein elektrischer Anlaßmotor für die Verbrennungsma­ schine als auch eine Lichtmaschine entfallen können, da die Funktion beider Maschinen von der Drehstrommaschine übernommen werden: Wenn das mechanische Getriebe sich in Neutralstellung befindet, kann bei geschlossener Kupplung zwischen Verbrennungs­ motor und Getriebe der Verbrennungsmotor unmittelbar aus der Traktionsbatterie über den Drehstromumrichter von der Drehstrom­ maschine drehzahlgeregelt hochgefahren werden. Sobald der Ver­ brennungsmotor die Zünddrehzahl erreicht hat, kann lediglich durch Umsteuern des Leistungsflusses im Drehstromumrichter die Traktionsbatterie von dem Verbrennungsmotor aus geladen werden.

Mit den Merkmalen der Unteransprüche 3 bis 7 werden Weiterbil­ dungen vorgeschlagen, mit denen Getriebschaltvorgänge von der Drehstrommaschine unterstützt werden. So kann während eines Gangwechsels die Ansteuerung der Drehstrommaschine in der Weise beeinflußt werden, daß die mechanischen Synchronisationsmittel, welche durch Reibschluß auf mechanische Weise den Gleichlauf der zu kuppelnden Zahnräderpaare im Schaltgetriebe erreichen sollen, praktisch keine Reibarbeit leisten müssen, indem das Drehmoment der bei Schaltung in eine höhere Gangstufe zur Ver­ zögerung und bei Schaltung in eine niedrigere Gangstufe zur Beschleunigung der Getriebeteile von der Drehstrommaschine ge­ deckt wird. Zum einen lassen sich damit die Getriebeschaltvor­ gänge durch Verkürzung der unerwünschten Zugkraftunterbrechung verbessern, zum anderen ist sogar daran zu denken, die durch die elektrische Synchronisationshilfe entlasteten mechanischen Synchronisationsmittel kleiner zu dimensionieren oder, bei der Ausbildung nach Unteranspruch 6 sogar ganz auf diese zu ver­ zichten. In beiden Fällen verringert sich der mechanische Auf­ wand im Getriebe.

Weitere Einzelheiten und Vorteile gehen aus der Figur zu einem Ausführungsbeispiel und der sich hier anschließenden eingehen­ den Beschreibung hervor.

In der einzigen Figur ist in schematisierter Weise ein Hybrid­ antrieb in der vorgeschlagenen Anordnung dargestellt. Ein Ver­ brennungsmotor 1 ist in üblicher Weise über eine Kupplung 2, die als Anfahr- und Schaltkupplung ausgebildet ist, mit der Eingangswelle eines Schaltgetriebes 3 verbunden. Die Kupplung 2 kann in bekannter Weise vom Fahrer aber auch durch die Schalt­ stufe 17, die zur Vorwahl der Antriebsweise dient, betätigt werden. Das Schaltgetriebe 3 weist eine Vorgelegewelle 4 auf, die einerseits die für die einzelnen Gangstufen vorgesehenen Räderpaare antreibt und andererseits mit einer Drehstromma­ schine 5 unmittelbar oder über eine nicht gezeichnete Getrie­ bestufe mit fester Übersetzung verbunden ist. Die Zahnräder­ paare des Schaltgetriebes werden in üblicher Weise über die angedeuteten Schiebemuffen 3′, die von einem mechanischen Gang­ wahlhebel 15 betätigt werden, mit einer Antriebswelle 16 form­ schlüssig gekoppelt. Eine Drehstrommaschine 5, deren gezeich­ nete dreiphasige Ausführung nur beispielhaft zu werten ist, steht über einen Drehstromumrichter 6 mit einer Traktionsbat­ terie 7 in Verbindung. Der Drehstromumrichter wird von einer Ansteuerungslogik 8 gesteuert, die aufgrund der Sollwertvorgabe durch eine Sollwertauswahlstufe 9 die für die Ansteuerung der Halbleiterschalter zur Erzeugung eines geeigneten Drehfelds in der Drehstrommaschine notwendigen Steuersignale erzeugt. Die Sollwertauswahlstufe 9 erhält eine Sollwertvorgabe von einem Fahrpedal 10 und einem Bremspedal 10′, die beide vom Fahrer betätigt werden und außerdem in bekannter, nicht dargestellter Weise auf den verbrennungsmotorischen Antriebsstrang wirken. Daneben kann zur Unterstützung eines Gangwechsels vorgesehen werden, daß die Sollwertauswahlstufe 9 bei geöffneter Kupplung 2 und während eines Gangwechsels auf die Sollwertvorgabe einer Synchronisationsstufe 11 geschaltet ist. Diese kann entweder als Trägheitsmomentekompensation 11′ oder als Drehzahlanpassung 11′′ ausgebildet ist. Die Umschaltung der Sollwertauswahlstufe 9 auf die Sollwertvorgabe der Synchronisationsstufe 11 und zu­ rück auf die Sollwertvorgabe der Fahr- und Bremspedale (10, 10′) wird durch ein Gangschaltsignal 13 vom Gangschaltsensor 15′ eingeleitet, welcher erkennt, ob ein Gang kraftschlüssig eingelegt ist oder nicht.

In einem ersten Ausführungsbeispiel ist durch die Sollwertvor­ gabe der Synchronisationsstufe 11 in der Ausführung als Träg­ heitsmomentekompensation 11′ vorgesehen, daß bei geöffneter Kupplung 2 die von den mechanischen Synchronisationsmitteln im Schaltgetriebe 3 bei einem Gangwechsel eingeleitete rasche, positive oder negative Beschleunigung der Vorgelegewelle 4 von der Drehstrommaschine 5 unterstützt wird, wobei das von ihr abgegebene Moment dem Betrage nach dem Beschleunigungsmoment |J*dn/dt| entspricht. Dabei ist J das bekannte Trägheitsmoment der aus dem Läufer der Drehstrommaschine 5 sowie den damit fest verbundenen Anteilen des Schaltgetriebes 3 gebildeten Schwung­ masse und dn/dt die Drehzahländerung der Vorgelegewelle 4, die von einem Drehzahlsensor 12 gemessen und der Trägheitsmomente­ kompensation 11′ zugeführt wird. Auf diese Weise kompensiert die Drehstrommaschine 5 die beim Beschleunigen der Vorgelege­ welle 4 während des Gangwechsels wirkenden Trägheitsmomente.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist durch die Sollwert­ vorgabe der Synchronisationsstufe 11 in der Ausführung als Drehzahlanpassung 11′′ vorgesehen, daß bei geöffneter Kupplung 2 aus der momentan herrschenden Drehzahl der Antriebswelle 16, die mit einem Drehzahlsensor 14 gemessen wird, und dem beab­ sichtigten Gangwechsel, der beispielweise mit Stellungssensoren 15′′ in jeder Gasse des Gangwahlhebels 15 erfaßt wird, die Drehzahl der Vorgelegewelle nach beendetem Schaltvorgang er­ rechnet und dieser Wert als Sollwert an die Sollwertauswahl­ stufe 9 ausgegeben wird. Da bei geöffneter Kupplung 2 und nicht eingelegtem Gang die Vorgelegewelle 4 von der Drehstrommaschine 5 mit vollem Antriebsmoment sowohl beschleunigt als auch ver­ zögert werden kann, wird die Vorgelegewelle 4 die nach dem Gangwechsel erforderliche Drehzahl schnell erreichen, womit der Gleichlauf der zu kuppelnden Zahnräderpaare im Schaltgetriebe 3 hergestellt ist. Die Sollwertvorgabe mittels der Stufe zur Drehzahlanpassung 11′′ erfordert insofern einen höheren Auf­ wand, als das Gangschaltsignal 13 nicht nur einen Gangwechsel anzeigen muß, sondern dieses Signal zusätzlich erkennen lassen muß, welchen Gang der Fahrer einzulegen beabsichtigt.

Die verschiedenen Betriebsweisen des Hybridantriebs stellen sich wie folgt dar. Mit einer Stelleinrichtung 17, beispiels­ weise einem Schalthebel, wird zunächst vom Fahrer festgelegt, ob der Antrieb allein mit dem Verbrennungsmotor, allein mit der Elektromaschine oder als Hybridantrieb erfolgen soll. Mit die­ ser Vorwahl kann über die Sollwertauswahlstufe 9 auch die Lei­ stungsverteilung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromaschine beeinflußt werden.

Wenn der Fahrzeugantrieb ausschließlich durch den Verbrennungs­ motor 1 erfolgen soll, wird der stillstehende Verbrennungsmotor in Neutralstellung des Schaltgetriebes 3 bei geschlossener Kupplung 2 mittels eines nicht gezeichneten Kontakts des Zünd­ schlosses, der auf die Ansteuerungslogik 8 wirkt, von der Trak­ tionsbatterie 7 über den Drehstromumrichter 6 von der Drehstrom­ maschine 5 gestartet. Danach wird der Leistungsfluß durch den Drehstromumrichter 6 gesperrt. Das Fahrzeug kann vom Fahrer nach Einlegen eines Ganges mit der Kupplung 2 in üblicher Weise fortbewegt werden. Weitere Hochschaltungsvorgänge werden durch die Drehstrommaschine in der schon beschriebenen Weise, je nach Ausführungsform durch die Sollwertvorgabe der Trägheitsmomente­ kompensation 11′ oder durch die Drehzahlanpassung 11′′ unter­ stützt. Bei Abbremsvorgängen des Fahrzeugs, die durch die vom Fahrer betätigte Sollwertvorgabe des Bremspedals 10′ signali­ siert werden, wird die Drehstrommaschine 5 vom Drehstromum­ richter 6 in den generatorischen Betriebszustand gesteuert und die Traktionsbatterie 7 entsprechend aufgeladen. Damit läßt sich eine einem Retarder (hydromechanische Bremse) ähnliche Wirkung erzielen, wobei die verschiedenen Gangstufen des Schalt­ getriebes 3 vorteilhaft sicherstellen, daß die ausgeübte Brems­ leistung über einen weiteren Geschwindigkeitsbereich konstant ist.

Im rein elektrischen Betrieb ist die Kupplung 2, durch ein Signal der Stelleinrichtung 17 geschaltet, stets geöffnet, was mittels eines Servomotors bewerkstelligt werden kann. Das An­ fahren erfolgt bei im Stillstand eingelegter Gangstufe mittels der vom Fahrer über das Fahrpedal 10 betätigten Sollwertvorgabe und der entsprechenden Ansteuerung des Drehstromumrichters 6. Zum Wechseln der Gangstufe wird der Drehstromumrichter 6 ge­ sperrt oder in einer Weiterbildung durch die Synchronisations­ stufe 11 gesteuert.

In der elektrischen Betriebsweise und bei in Bewegung befind­ lichem Fahrzeug kann durch Umschalten der Stelleinrichtung 17 auf hybride Antriebsweise umgestellt werden, womit die Kupplung 2 geschlossen und der Verbrennungsmotor 1 angelassen werden kann, der anschließend zum Fahrzeugantrieb beiträgt. Ebenso ist aus der vorangegangenen Beschreibung unmittelbar zu erkennen, daß auch in der rein verbrennungsmotorischen Betriebsweise der elektrische Antriebsteil jederzeit zugeschaltet und damit die hybride Antriebsart erreicht werden kann, wobei durch die An­ steuerungslogik 8 in bekannter Weise kontinuierlich zwischen motorischer und generatorischer Betriebsart der Drehstromma­ schine 5 gewechselt werden kann.

Claims (7)

1. Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug bestehend aus einem Verbrennungsmotor, der über eine Kupplung und einem Schaltge­ triebe mit einer Antriebswelle verbunden ist sowie einer Dreh­ stromumrichter gespeisten Drehstrommaschine, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehstrommaschine (5) an die Vorgelegewelle (4) des Schaltgetriebes (3) gekoppelt ist.

2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstrommaschine (5) über den Drehstromumrichter (6) mit einer Traktionsbatterie (7) verbunden ist, wobei der Drehstrom­ umrichter von einer Ansteuerungslogik (8) gesteuert wird, die über eine Sollwertauswahlstufe (9) eine Sollwertvorgabe von einem Fahrpedal (10) und einem Bremspedal (10′) erhält.

3. Hybridantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei geöffneter Kupplung (2) die Drehstrommaschine (5) als Syn­ chronisationshilfe dient, indem sie während eines Gangwechsels der Sollwertvorgabe einer elektronischen Synchronisationsstufe (11) folgend, die Vorgelegewelle (4) in geeigneter Weise be­ schleunigt oder verzögert.

4. Hybridantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertauswahlstufe (9), von einem Gangschaltsensor (15′) ein Gangschaltsignal (13) erhält, welches ein Umschalten zwi­ schen der Sollwertvorgabe der Fahr- und Bremspedale (10, 10′) und der Sollwertvorgabe der Synchronisationsstufe (11) bewirkt.

5. Hybridantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Synchronisationsstufe (11) als Regeleinrichtung zur Trägheitsmomentekompensation (11′) ausgebildet ist, welche mit Hilfe eines Drehzahlsensors (12) die Drehzahländerung der Vorgelegewelle (4) als Eingabe erhält und eine daraus errech­ nete Sollwertvorgabe ausgibt.

6. Hybridantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Synchronisationsstufe (11) als Regeleinrichtung zur Drehzahlanpassung (11′′) ausgebildet ist, welche die Dreh­ zahl der Antriebswelle (16) sowie den Gang, der eingeschaltet werden soll, als Eingabe erhält und eine daraus errechnete Sollwertvorgabe ausgibt.

7. Hybridantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Stellungssensoren (15′′) im Gangschalthebel (15) abtasten, welcher Gang eingeschaltet werden soll und ein entsprechendes Signal ausgeben.