DE4306381A1 - Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebes für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebes für Kraftfahrzeuge

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebes für ein Kraftfahrzeug, dessen thermischer Antrieb (Verbrennungsmotor) und dessen elektrischer Antrieb (Elektromotor) auf jeweils eine Achse des Kraftfahrzeuges wirken, sowie einen Hybridantrieb zur Durchführung des Ver­ fahrens.
Es sind Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge allgemein bekannt, die für einen gemischten Betrieb "Stadt-Umland-Region" vor­ gesehen sind. Diese Kraftfahrzeuge werden in der Stadt bei Stadtfahrten von ihrem elektrischen Antrieb und bei Fahrten in der Umland-Region von ihrem Verbrennungsmotor angetrie­ ben. Die Verbindung von thermischen und elektrischen Antrieb drückt den Spritverbrauch gegenüber einem konventionellen Dieselfahrzeug um bis zu 60%.
Bei einem derartigen Hybridantrieb wurde beispielsweise an die Stelle von Motorschwungrad und Anlasser ein kompakter Asynchron-Elektromotor von 6 KW Leistung angeordnet, dessen Läuferwelle motor- und getriebeseitig über je eine Kupplung verfügt. Da der Elektromotor als Antrieb und Generator fun­ giert, entfällt bei diesem Hybridantrieb die bisher übliche 12 V-Lichtmaschine. Öffnet sich nun die Kupplung zum Ver­ brennungsmotor, tritt der E-Antrieb in Aktion. Rückt um­ gekehrt die Kupplung zum Verbrennungsmotor (vorzugsweise Dieselmotor) ein, dient der Rotor der Asynchronmaschine als normale Schwungscheibe. Wann welcher Antrieb greift, bestimmt der Druck auf das Gaspedal des Fahrzeuges. Bei­ de Maschinen sind jedoch so abgestimmt, daß bei hohen Leistungsanforderungen der Diesel, bei geringeren unter beispielsweise 6 KW der E-Motor zum Zuge kommt. Der E-Mo­ tor gestattet in der Ebene konstante Fahrten bis zu 60 Km/h. Ein vorgesehener Betriebsartenschalter ermöglicht das Außerbetriebsetzen der Automatik und so die freie Wahl der Antriebsart. Ein Nachteil dieses vorbekannten Hybrid­ antriebes liegt - ebenso wie bei den anderen bekannten Hy­ bridantrieben - darin, daß beide Antriebe (thermischer An­ trieb und elektrischer Antrieb) voneinander getrennt be­ trieben werden und daß somit wirtschaftliche und umwelt­ freundliche Ansprüche nicht in optimaler Weise erfüllt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welches ein gegenüber den vorbekannten Hybridantrieben verbesserter wirtschaftlicher und umweltfreundlicher Betrieb von Hybrid­ antrieben ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Betriebsart "Stadtfahrt" ein optimaler öko­ nomischer Zustand zur Vermeidung unnötiger Umweltemis­ sionen dadurch erreicht wird, daß
  • - der thermische Antrieb bis zu einer vorgegebenen Fahr­ zeuggeschwindigkeit mit konstanter Leistung drehzahl­ begrenzt betrieben wird, wobei das maximale Drehmoment und der optimale Abgaswert als Kriterium für die vor­ gegebene reduzierte Drehzahl und Leistung des thermi­ schen Antriebes herangezogen werden,
  • - die Brennstoff-Füllung des thermischen Antriebes mit­ tels eines Motormanagement-Prozessors nachrangig und in Abhängigkeit vom Batterieladungszustand geregelt wird,
  • - aus dem thermischen Antrieb mittels mindestens eines über ein mechanisches Verzweigungsgetriebe angekup­ pelten Generators eine elektrische Leistung erzeugt wird, die als Vortriebsenergie für den stufenlos re­ gelbaren elektrischen Antrieb verwendet wird, wobei über eine elektrische Leistungsverteilung mittels eines Fahrzeugmanagement-Prozessors eine Vorwahl der generator- und/oder batterieelektrischen Vortriebs­ energie für den elektrischen Antrieb derart durchge­ führt wird, daß sich diese Vortriebsenergie aus dem statistischen Mittel der Generator- und Batterie- Energie ergibt, während überschüssige Generatorener­ gie zum Laden der Batterie verwendet wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß über das mechanische Verzweigungsgetriebe eine voll­ ständige Aufteilung der erzeugten Antriebsleistung auf die zusammenwirkenden mechanischen und elektrischen Antriebe erzielt wird. Hierbei wird vorteilhafterweise der thermi­ sche Antrieb mit einer konstanten Drehzahl von beispiels­ weise 2500 U/min sparsam und abgasarm betrieben. Von Vor­ teil ist auch, daß als elektrischer Antrieb entweder ein Gleichstrommotor oder ein Drehstromsynchronmotor verwendet werden kann, bei denen eine Umschaltung von Motor- auf Generatorbetrieb oder umgekehrt über die Erregung des Mo­ tors bzw. Generators leicht durchführbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß für die Betriebsart "Fernfahrt" zum Überschreiten der vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit die Drehzahlbegrenzung des thermischen Antriebes solange auf­ gehoben und der thermische Antrieb drehzahlgeregelt betrie­ ben wird, bis die Kennlinie der maximal möglichen Genera­ torerregung erreicht ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zum Beginn einer Stadtfahrt und/oder für eine Stadtfahrt der thermische Antrieb nicht betrie­ ben wird, daß die gesamte Antriebsenergie von der Batterie für den elektrischen Antrieb bereitgestellt wird, und daß bei Bedarf der thermische Antrieb mittels eines Kick-down- Schalters gestartet und zusätzlich zum elektrischen An­ trieb derart betrieben wird, daß die Drehzahl des thermi­ schen Antriebes über die Füllungsregelung auf einer kon­ stanten Drehzahl gehalten wird.
Ein lückenloser Übergang von einer (beschleunigten) Bewe­ gung in eine verzögerte Bewegung des Kraftfahrzeuges kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auf elektrischem Wege dadurch erreicht werden, daß bei leich­ ter Bremsung speicherbare elektrische Energie generiert und zum Bremsen des Fahrzeuges herangezogen wird, wobei erst bei einer stärkeren Bremsung die Bremshydraulik des Fahrzeuges hinzugezogen wird.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Ottomotors als thermischen Antrieb der optimale Abgaswert durch eine Lambdasonde als Sensor des Motormanagement­ prozessors ermittelt wird, daß für die stufenlose Rege­ lung des elektrischen Antriebes das Gaspedal des Fahrzeu­ ges als Sollwertsteller der Generatorerregung verwendet wird, und/oder daß der drehzahlbegrenzte thermische An­ trieb in Abhängigkeit zur Generatorerregung füllungsgere­ gelt wird, wobei die Drehzahlbegrenzungsregelung des ther­ mischen Antriebes mit der Kennlinie der maximal möglichen Generatorerregung überwacht bzw. begrenzt wird.
Ein erfindungsgemäßer Hybridantrieb zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß ein bzw. zwei von dem thermischen Antrieb angetriebe­ ne Hochleistungs-Verzweigungsgetriebe vorgesehen sind, und daß an die Abtriebswellen der Verzweigungsgetriebe die thermischmechanisch angetriebenen Antriebsräder des Kraftfahrzeuges und die Wellen der Generatoren angekuppelt sind, die einerseits die elektrische Leistung für den elek­ trischen Antrieb und andererseits elektrische Energie zur Ladung der Batterie sowie das Stützmoment über die Ver­ zweigungsgetriebe für die elektromechanisch angetriebene Fahrzeugachse erzeugen.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in einer echten sinn­ vollen und gegebenfalls blombierbaren Voreinstellbarkeit der Leistungsbegrenzung des thermischen Antriebes für bei­ spielsweise Stadtfahrten zu sehen. Von Vorteil ist auch, daß sich mit dem Grad der Erregung des Generators nicht nur die Größe der elektrischen Antriebsenergie für eine Achse, beispielsweise für die Vorderachse, sondern auch für das Stützmoment für die andere Achse (Heckachse) er­ gibt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Hybrid­ antriebes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens dargestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 die wesentlichen Bauelemente eines konventionel­ len Allradantriebes mit einem auf eine Vorder­ achse eines Fahrzeuges wirkenden thermischen An­ trieb und mit einem auf die Fahrzeughinterachse wirkenden elektrischen Antrieb (Elektromotor),
Fig. 2 den Vorderachsenteil aus Fig. 1 mit einem be­ sonderen Verzweigungsgetriebe in vergrößerter Darstellung, und
Fig. 3 eine vollständige Vorderachse gemäß Fig. 1 mit zwei Verzweigungsgetrieben aus Fig. 2.
In Fig. 1, anhand der die erfindungsgemäße Grundidee der Leistungsverzweigung erläutert wird, ist die die Vorder­ räder 14 aufweisende thermomechanisch angetriebene Vorder­ achse mit 1 bezeichnet, während die elektrisch angetrie­ bene Hinterradachse mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist. Hierbei treibt ein thermischer Antriebsmotor 3 über das Gehäuse eines Hochleistungsverzweigungsgetriebes 4 einen Generator 5, der bei entsprechender externer elektrischer Erregung elektrische Energie für den die Hinterachse 2 an­ treibenden Elektromotor 6 erzeugt. Die elektromotorische Energie wird hierbei über ein konventionell übliches Hin­ terachsdifferential 7 auf die beiden Hinterräder 8 verteilt.
Die von dem thermischen Antriebsmotor 3 erzeugte mechani­ sche Energie wird anteilig über die Kegelräder des Hoch­ leistungsverzweigungsgetriebes 4 und den Zahnradantrieb 9 auf das Gehäuse eines konventionellen Achsdifferential 10 übertragen, dessen Kegelräder 11 die Antriebswellen der Vorderachse 1 antreiben.
In Fig. 2 ist das konventionelle, als Verzweigungsgetrie­ be 4 dienende Differential aus Fig. 1 durch ein Plane­ tenradgetriebe ersetzt, welches ebenso als Verzeigungs­ getriebe fungiert. Auch hier wird - wie bereits zu Fig. 1 erläutert - die mechanische Energie des thermischen An­ triebsmotors 3 über eine Kupplung 12 auf die Welle 13 des Planetenradgetriebes 4 eingeleitet, die mit dem Zahnrad z4 fest verbunden ist und das Rad z3 antreibt. Die Zahnräder z3 und z2 sind über ihre gemeinsame Welle miteinander ver­ bunden. Desgleichen sind die Zahnräder z1 und 15 über die Sonnenradbuchse 16 verbunden, wodurch der Generator 5 bei gebremster Welle 1, stehendem Zahnradantrieb 9 und stehen­ der Welle der Zahnräder z3 und z2 von dem thermischen An­ trieb 3 angetrieben wird.
Wird jetzt der Generator 5 von außen erregt und elektri­ sche Energie generiert und genutzt, entsteht im Verzwei­ gungsgetriebe 4 ein entsprechendes Stützmoment, das über der Welle der Zahnräder z2 und z3 in das Gehäuse des Hoch­ leistungsverzweigungsgetriebes 4 eingeleitet wird. Das Gehäuse gibt sein Drehmoment über den Zahnradantrieb 9 an die Vorderradachse 1 ab, wodurch der mechanische An­ triebsanteil beschrieben ist, dessen Wirkungsgrad verhält­ nismäßig hoch ist, weil nur zwei Zahnradantriebe (z4-z3 und Zahnradantrieb 9) den Wirkungsgrad bestimmen. Hingegen ist der Wirkungsgrad für die elektrisch angetriebene Achse 2 erheblich niedriger, weil deren Antriebsleistung erst über elektrische Umwandlung mit entsprechend hohen Gene­ ratorverlusten behaftet zur Verfügung steht. Optimierun­ gen im Hochleistungsverzweigungsgetriebe 4 einerseits und der Anpassung zwischen thermischer Antriebsleistung und Generatorleistung sollen im Idealfall eine primäre Lei­ stungsverzweigung zu gunsten der rein mechanischen Lei­ stungsoptimierung bringen, um hohe Generatorverluste zu vermeiden und durch die Leistungsteilung den Anteil der elektrischen Leistungsumwandlung klein zu halten. Hierdurch werden hohe Anforderungen an das Hochleistungs­ verzweigungsgetriebe 4 gestellt, das in der Fig. 2 dar­ gestellten Form sehr schnell seine Leistungsgrenze er­ reicht.
In Fig. 3 ist zur Aufhebung dieser Leistungsgrenze eine Möglichkeit der Verdopplung der in Fig. 2 dargestellten Verzweigungsgetriebe 4 aufgezeigt. Jeweils ein derarti­ ges Verzweigungsgetriebe übernimmt die Funktion eines An­ triebsrades 14, wobei das Verzweigungsgetriebegehäuse zur Radfelge 17 und die Getriebewelle 13 zur Radnabe 19 wird. Über die Ritzel 15 werden zwei Generatoren, wie in Fig. 2 mit dem Ritzel 15 und dem Generator 5 dargestellt ist, an­ getrieben. Der Hauptantrieb erfolgt über einen nicht dar­ gestellten thermischen Antrieb, der auf das Differential 10 wirkt. Die Generatoren 5 erzeugen einerseits die elek­ trische Energie für einen in Fig. 1 zeichnerisch darge­ stellten elektrischen Antrieb 6, der - wie in Fig. 1 dar­ gestellt ist - die Hinterräder 8 des Fahrzeuges antreibt und andererseits elektrische Energie zur Ladung der Bat­ terie sowie das Stützmoment über die Verzweigungsgetrie­ be 4 für die thermisch angetriebene Fahrzeugachse 1 er­ zeugen. Der thermische Antrieb 3 und der elektrische An­ trieb 6 werden gleichzeitig oder auch getrennt nach den Verfahrensmerkmalen der Ansprüche 1 bis 7 betrieben. Der vollständigkeitshalber sind in Fig. 3 die Bremsen 20 und das Differentialgetriebe 10 dargestellt. Weil der Aus-. gleich der Räder 14 zum Antrieb allerdings in den Hoch­ leistungsverzeigungsgetrieben 4 erfolgt, kann das Diffe­ rential 10 durch einen ganz normalen Kegelradantrieb er­ setzt werden. Für den Fall des Quereinbaues des thermi­ schen Antriebs 3 in einem Fahrzeug kann das Differential 10 vollkommen entfallen, der Einzelradantrieb bleibt unein­ geschränkt erhalten. Gleiches gilt mit Bezug auf Fig. 1 für die Achse 2, wenn je ein Elektromotor 6 jeweils eines der Räder 8 für sich antreibt. Hieraus ergäbe sich die ideale Allradkonzeption ohne Achs- und Mittendiffentiale, die bei konventionellen Allradkonzepten gesperrt werden, wenn Bodenverhältnisse dies erforderlich machen. Hier liegt ein weiterer Vorteil des Anmeldungsgegenstandes.
Bezugszeichenliste
 1 Vorderradachse
 2 Hinterradachse
 3 thermischer Antrieb(smotor)
 4 Hochleistungsverzweigungsgetriebe/Planetenradgetriebe
 5 Generator
 6 elektrischer Antrieb (Elektromotor)
 7 Hinterachsdifferential
 8 Hinterräder
 9 Zahnradantrieb
10 Achsdifferential
11 Kegelräder
12 Kupplung
13 Welle des Planetenradgetriebes
14 Vorderräder
15 Zahnräder
16 Sonnenradbuchse
17 Radfelge
18 Antriebswellen
19 Radnaben
20 Bremsen
z1 bis z4 Zahnräder

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebes für ein Kraftfahrzeug, dessen thermischer Antrieb (Verbrennungs­ motor) und dessen elektrischer Antrieb (Elektromotor) auf jeweils eine Achse des Kraftfahrzeuges wirken, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Betriebsart "Stadtfahrt" ein optimaler öko­ nomischer Zustand zur Vermeidung unnötiger Umweltemis­ sionen dadurch erreicht wird, daß
  • - der thermische Antrieb (3) bis zu einer vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit mit konstanter Leistung dreh­ zahlbegrenzt betrieben wird, wobei das maximale Dreh­ moment und der optimale Abgaswert als Kriterium für die vorgegebene reduzierte Drehzahl und Leistung des thermischen Antriebes (3) herangezogen werden,
  • - die Brennstoff-Füllung des thermischen Antriebes (3) mittels eines Motormanagement-Prozessors nachrangig und in Abhängigkeit vom Batterieladungszustand gere­ gelt wird,
  • - aus dem thermischen Antrieb (3) mittels mindestens eines über ein mechanisches Verzweigungsgetriebe (4) angekuppelten Generators (5) eine elektrische Leistung erzeugt wird, die als Vortriebsenergie für den stu­ fenlos regelbaren elektrischen Antrieb (6) verwendet wird, wobei über eine elektrische Leistungsverteilung mittels eines Fahrzeugmanagement-Prozessors eine Vor­ wahl der generator- und/oder batterieelektrischen Vor­ triebsenergie für den elektrischen Antrieb (6) derart durchgeführt wird, daß sich diese Vortriebsenergie aus dem statistischen Mittel der Generator- und Batterie- Energie ergibt, während überschüssige Generatorener­ gie zum Laden der Batterie verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Betriebsart "Fernfahrt" zum Überschreiten der vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit die Drehzahlbe­ grenzung des thermischen Antriebes (3) solange aufge­ hoben und der thermische Antrieb (3) drehzahlgeregelt betrieben wird, bis die Kennlinie der maximal möglichen Generatorerregung erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beginn einer Stadtfahrt und/oder für eine Stadt­ fahrt der thermische Antrieb (3) nicht betrieben wird, daß die gesamte Antriebsenergie von der Batterie für den elektrischen Antrieb (6) bereitgestellt wird, und daß bei Bedarf der thermische Antrieb (3) mittels eines Kick­ down-Schalters gestartet und zusätzlich zum elektrischen Antrieb (6) derart betrieben wird, daß die Drehzahl des thermischen Antriebes (3) über die Füllungsregelung auf einer konstanten Drehzahl gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein lückenloser Übergang von einer (beschleu­ nigten) Bewegung in eine verzögerte Bewegung des Kraft­ fahrzeuges auf elektrischem Wege dadurch erreicht wird, daß bei leichter Bremsung speicherbare elektrische Energie generiert und zum Bremsen des Fahrzeuges heran­ gezogen wird, und daß erst bei stärkerer Bremsung die Bremshydraulik des Fahrzeuges hinzugezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Verwendung eines Ottomotors als thermi­ schen Antrieb (3) der optimale Abgaswert durch eine Lambdasonde als Sensor des Motormanagement-Prozessors ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß für die stufenlose Regelung des elektrischen Antriebes (6) das Gaspedal des Fahrzeuges als Sollwert­ steller der Generatorerregung verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der drehzahlbegrenzte thermische Antrieb (3) in Abhängigkeit zur Generatorerregung füllungsgere­ gelt wird, und daß die Drehzahlbegrenzungsregelung des thermischen Antriebes (3) mit der Kennlinie der maximal möglichen Generatorerregung überwacht bzw. begrenzt wird.
8. Hybridantrieb zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein bzw. zwei von dem thermischen Antrieb (3) angetriebene Hochleistungs-Verzweigungsgetriebe (4) vorgesehen sind, und daß an die Abtriebswellen (18) der Verzweigungsge­ triebe (4) die thermischmechanisch angetriebenen An­ triebsräder (14) des Kraftfahrzeuges und die Wellen der Generatoren (5) angekuppelt sind, die einerseits die elektrische Leistung für den elektrischen Antrieb (6) und andererseits elektrische Energie zur Ladung der Batterie sowie das Stützmoment über die Verzweigungs­ getriebe (4) für die thermisch angetriebene Fahrzeug­ achse (1) erzeugen.
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