DE4306381C2 - Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug

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Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, dessen thermischer Antrieb (Verbrennungsmotor) und dessen elektrischer Antrieb (Elektromotor) auf jeweils eine Achse des Kraftfahrzeuges wirken.
Es sind Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge allgemein bekannt, die für einen gemischten Betrieb "Stadt-Umland-Region" vorgesehen sind. Diese Kraftfahrzeuge werden bei Stadtfahrten von ihrem elektrischen Antrieb und bei Fahrten im Umland von ihrem Verbrennungsmotor angetrieben. Die Verbindung von thermischem und elektrischem Antrieb drückt den Kraftstoffverbrauch 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 fungiert, entfällt bei diesem Hybridantrieb die sonst notwendige Lichtmaschine. Öffnet sich die Kupplung zum Verbrennungsmotor, dann tritt der E-Antrieb in Aktion. Rückt umgekehrt 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. Beide Maschinen sind jedoch so abgestimmt, daß bei hohen Leistungsanforderungen der Dieselmotor, bei geringeren unter beispielsweise 6 KW der E-Motor zum Zuge kommt. Der E-Motor 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 Hybridantriebes liegt - ebenso wie bei anderen aus der Praxis bekannten Hybridantrieben - darin, daß beide Antriebe (thermischer Antrieb und elektrischer Antrieb) voneinander getrennt betrieben werden und daß somit wirtschaftliche und umweltfreundliche Ansprüche nicht in optimaler Weise erfüllt werden.
Ferner sind aus der DE 29 29 497 A1 und der DE 39 40 172 A1 Hybridantriebe für Fahrzeuge bekannt, die thermische und elektrische Antriebe aufweisen und bei denen der thermische und der elektrische Antrieb jeweils auf eine Achse wirken. Im Falle der erstgenannten Druckschrift dient der elektrische Antrieb als Hilfsantrieb, um das Fahrzeug fallweise, d. h. bei Bedarf mit Vierradantrieb betreiben zu können, bei der zweitgenannten Druckschrift ist das Ziel, das Fahrzeug unter Umweltgesichtspunkten fallweise elektrisch oder thermisch anzutreiben.
Aus der DE 40 00 678 A1 ist ein Hybridantrieb für ein Fahrzeug bekannt, bei dem der Antrieb des Fahrzeuges stets über den Elektromotor erfolgt und der als thermischer Antrieb dienende Verbrennungsmotor lediglich dem Antrieb eines Generators dient und bezüglich diverser Kriterien, so z. B. Kraftstoffverbrauch und Abgasemission optimiert zu betreiben ist, wobei als Sollwertsteller für die an den Leistungsbedarf des Elektromotores angepaßte Generatorleistung das Gaspedal des Fahrzeuges dient. Im Sinne eines solchen verbrauchs- und umweltoptimierten Betriebes Bremsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und zu speichern ist aus der EP 0083557 A2 zu entnehmen.
Für die Leistungsregelung bei dieselelektrischen Schienenfahr­ zeugen ist es aus der DE-Z: ABB Technik 6/91, Die Leistungs­ regelung bei dieselelektrischen Fahrzeugen, Seiten 13 bis 18 bekannt, den Drehzahlistwert des Dieselmotores im Hinblick auf den drehzahlabhängigen Sollwert zu korrigieren, wobei der Füllungssollwert im Brennstoffverbrauchsminimum des Verbrauchs­ kennfeldes liegen soll und durch die Rückführung der Stellung des Füllungsgestänges auf die Belastung des Dieselmotores durch den Generator ein überlagerter Regelkreis entsteht, der die Füllung des Dieselmotors und damit dessen abgegebene Leistung möglichst konstant hält.
Schließlich ist es aus der US 1 671 033 bekannt, einen Hybrid­ antrieb vorzusehen, bei dem ein gemeinsamer Abtrieb der hybriden Antriebseinheit auf eine Antriebswelle des Fahrzeuges erfolgt und die entsprechende Antriebsleistung allein von Brennkraftmaschine oder Elektromotor oder auch von Brennkraftmaschine und Elektromotor gemeinsam aufgebracht werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hybridantrieb zu schaffen, der sich durch verbesserten wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Betrieb auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Betriebsart "Stadtfahrt"
  • - der thermische Antrieb bis zu einer vorgebbaren Fahrzeug­ geschwindigkeit drehzahlbegrenzt betrieben wird, wobei das maximale Drehmoment und der optimale Abgaswert als Kriterien für die Wahl dieser reduzierten Drehzahl und Leistung des thermischen Antriebes herangezogen werden,
  • - die Brennstoffüllung des thermischen Antriebes mittels eines Motormanagement-Prozessors nachrangig und in Ab­ hängigkeit vom Batterieladezustand geregelt wird,
  • - aus dem thermischen Antrieb mittels mindestens eines über ein mechanisches Verzweigungsgetriebe angekuppelten Gene­ rators eine elektrische Leistung erzeugt wird, die für den stufenlos regelbaren elektrischen Antrieb verwendbar ist, wobei über eine elektrische Leistungsverteilung mittels eines Fahrzeugmanagement-Prozessors eine Vorwahl der vom Generator und/oder von der Batterie für den elektrischen Antrieb jeweils gelieferten Leistung derart durchgeführt wird, wie dies dem statistischen Mittelwert der vom Gene­ rator und/oder von der Batterie jeweils gelieferten Leistung für den elektrischen Antrieb entspricht, wobei überschüssige Generatorleistung zum Laden der Batterie verwendet wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß über das mechanische Verzweigungsgetriebe eine vollständige Aufteilung der erzeugten Antriebsleistung auf die zusammenwirkenden mechanischen und elektrischen Antriebe erzielt wird. Hierbei wird vorteilhafterweise der thermische Antrieb mit einer konstanten Drehzahl von beispielsweise 2500 U/min sparsam und abgasarm betrieben. Von Vorteil ist auch, daß als elektrischer Antrieb entweder Gleichstrommotoren oder Drehstromsynchronmotoren verwendet werden können, bei denen eine Umschaltung von Motor- auf Generatorbetrieb oder umgekehrt über die Erregung des Motors bzw. Generators leicht durchführbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß für die Betriebsart "Fernfahrt" zum überschreiten der vorgebbaren Fahrzeuggeschwindigkeit die Drehzahlbegrenzung des thermischen Antriebes solange aufgehoben und der thermische Antrieb drehzahlgeregelt betrieben wird, bis die Kennlinie der maximal möglichen Generatorerregung erreicht ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß für eine Phase der Stadtfahrt, insbesondere zum Beginn einer Stadtfahrt der thermische Antrieb nicht betrieben wird, daß die gesamte Antriebsleistung von der Batterie für den elektrischen Antrieb bereitgestellt wird und daß bei zusätzlichem Leistungsbedarf der thermische Antrieb mittels eines Kick-Down-Schalters gestartet wird.
Ein lückenloser Übergang von einer (beschleunigten) Bewegung in eine verzögerte Bewegung des Kraftfahrzeuges kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auf elektrischem Wege dadurch erreicht werden, daß bei leichter Bremsung speicherbare elektrische Energie generiert und zum Bremsen des Fahrzeuges herangezogen wird, und daß erst bei stärkerer Bremsung die Bremshydraulik des Fahrzeuges hinzugezogen wird.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hybridantriebes sind dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Ottomotors als thermischer Antrieb der optimale Abgaswert durch eine Lambdasonde als Sensor des Motormanagement-Prozessors ermittelt wird, daß für die stufenlose Regelung des elektrischen Antriebes das Gaspedal des Fahrzeuges als Sollwertsteller der Generatorerregung verwendet wird, und/oder daß der drehzahlbegrenzte thermische Antrieb in Abhängigkeit zur Generatorerregung füllungsgeregelt wird, wobei die Dreh­ zahlbegrenzungsregelung des thermischen Antriebes mit der Kenn­ linie der maximal möglichen Generatorerregung überwacht bzw. begrenzt wird.
Für einen Hybridantrieb dieser Art ist es ferner zweckmäßig, daß ein bzw. zwei von dem thermischen Antrieb angetriebene Hochleistungs-Verzweigungsgetriebe vorgesehen sind, und daß an die Abtriebswellen der Verzweigungsgetriebe die thermisch­ mechanisch angetriebenen Antriebsräder des Kraftfahrzeuges und die Wellen der Generatoren angekuppelt sind, die einerseits die elektrische Leistung für den elektrischen Antrieb und anderer­ seits elektrische Leistung zur Ladung der Batterie erzeugen sowie das Stützmoment über die Verzweigungsgetriebe für die thermisch angetriebene Fahrzeugachse bestimmen.
Durch die Erfindung ist eine sinnvolle und gegebenenfalls blom­ bierbare Voreinstellbarkeit der Leistungsbegrenzung des ther­ mischen Antriebes für beispielsweise Stadtfahrten möglich.
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 Verzweigungs­ 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 zugunsten 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 Fahrzeugachsel 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 Mittendifferentiale, 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. Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, dessen thermischer Antrieb (Verbrennungsmotor) und dessen elektrischer Antrieb (Elektromotor) auf jeweils eine Achse des Kraftfahrzeuges wirken, dadurch gekennzeichnet, daß für die Betriebsart "Stadtfahrt"
  • - der thermische Antrieb (3) bis zu einer vorgebbaren Fahrzeuggeschwindigkeit drehzahlbegrenzt betrieben wird, wobei das maximale Drehmoment und der optimale Abgaswert als Kriterien für die Wahl dieser reduzierten Drehzahl und Leistung des thermischen Antriebes (3) herangezogen werden,
  • - die Brennstoffüllung des thermischen Antriebes (3) mittels eines Motormanagement-Prozessors nachrangig und in Abhängigkeit vom Batterie-Ladezustand geregelt wird,
  • - aus dem thermischen Antrieb (3) mittels mindestens eines über ein mechanisches Verzweigungsgetriebe (4) ange­ kuppelten Generators (5) eine elektrische Leistung erzeugt wird, die für den stufenlos regelbaren elektrischen Antrieb (6) verwendbar ist, wobei über eine elektrische Leistungsverteilung mittels eines Fahrzeugmanagement-Prozessors eine Vorwahl der vom Generator und/oder von der Batterie für den elektrischen Antrieb (6) jeweils ge­ lieferten Leistung derart durchgeführt wird, wie dies dem statistischen Mittelwert der vom Generator und/oder von der Batterie jeweils gelieferten Leistung für den elektrischen Antrieb entspricht, wobei überschüssige Generatorleistung zum Laden der Batterie verwendet wird.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Betriebsart "Fernfahrt" zum Überschreiten der vorgebbaren Fahrzeuggeschwindigkeit die Drehzahlbegrenzung des thermischen Antriebes (3) solange aufgehoben und der thermische Antrieb (3) drehzahlgeregelt betrieben wird, bis die Kennlinie der maximal möglichen Generatorerregung erreicht ist.
3. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Phase der Stadtfahrt, insbesondere zum Beginn einer Stadtfahrt der thermische Antrieb nicht betrieben wird, daß die gesamte Antriebsleistung von der Batterie für den elektrischen Antrieb (6) bereitgestellt wird und daß bei zusätzlichem Leistungsbedarf der thermische Antrieb (3) mittels eines Kick-Down-Schalters gestartet wird.
4. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei leichter Bremsung speicherbare elektrische Energie ge­ neriert und zum Bremsen des Fahrzeuges herangezogen wird, und daß erst bei stärkerer Bremsung die Bremshydraulik des Fahrzeuges hinzugezogen wird.
5. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Ottomotors als thermischen Antrieb (3) der optimale Abgaswert durch eine Lambdasonde als Sensor des Motormanagement-Prozessors ermittelt wird.
6. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die stufenlose Regelung des elektrischen Antriebes (6) das Gaspedal des Fahrzeuges als Sollwertsteller der Generatorerregung verwendet wird.
7. Hybridantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der drehzahlbegrenzte thermische Antrieb (3) in Abhängigkeit zur Generatorerregung füllungsgeregelt wird, und daß die Drehzahlbegrenzungsregelung des thermischen Antriebes (3) mit der Kennlinie der maximal möglichen Generatorerregung überwacht bzw. begrenzt wird.
8. Hybridantrieb 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 Verzweigungsgetriebe (4) die thermischmechanisch angetriebenen Antriebsräder (14) des Kraftfahrzeuges und die Wellen der Generatoren (5) angekuppelt sind, die einerseits die elektrische Leistung für den elektrischen Antrieb (6) und andererseits elektrische Leistung zur Ladung der Batterie erzeugen sowie das Stützmoment über die Verzweigungsgetriebe (4) für die thermisch angetriebene Fahrzeugachse (1) bestimmen.
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