DE4322676C2 - Hybrid-Antrieb für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Hybrid-Antrieb für ein Kraftfahrzeug

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiger Antrieb ist bekannt aus US 4 119 861.
Aus "Elektrische Antriebssysteme für schwere Kraftfahrzeuge" in: Technische Rundschau, Nr. 43, 24. Oktober 1978, Seite 17, ist ebenfalls ein gattungsgemäßer Hybrid-Antrieb (ausgenommen Batterie) bekannt, bei dem der Generator über ein Getriebe vom Verbrennungsmotor angetrieben wird.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Leistungserzeugungs- und -bewegungsmechanismus eines elektrischen Hybrid-Kraftfahrzeugs, das mit einem Leistungserzeugungsgerät ausgestattet ist. In Fig. 3 bezeichnen die Bezugszeichen 1 einen Verbrennungsmotor; 2 einen Wechselstromgenerator, der über eine Riemenverbindungseinrichtung 3 vom Verbrennungsmotor 1 mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben wird, die dreimal so schnell wie die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors ist; 4 einen Gleichrichter zum Gleichrichten der vom Wechselstromgenerator 2 gelieferten Wechselspannung in Gleichspannung; 5 eine Batterie als Hilfsleistungsquelle für Gleichstrom, die mit der Ausgangsspannung des Gleichrichters 4 geladen wird; und 6 eine Steuereinrichtung, die den Erregerstrom im Wechselstromgenerator mit Hilfe eines Spannungsreglers steuert, indem die Ausgangsspannung des Gleichrichters 4 erfaßt und dadurch eine Spannungsregelung bewirkt wird, und die weiter die vom Gleichrichter 4 gelieferte Gleichspannung mit Hilfe eines statischen Wechselrichters in eine Wechselspannung umwandelt. Die Steuereinrichtung 6 ändert auch die Frequenz der Wechselspannung. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Induktionsmotor, der von der Steuereinrichtung 6 die Wechselspannung empfängt. Die Drehzahl des Induktionsmotors wird durch Ändern der Frequenz der Wechselspannung mit Hilfe der Steuereinrichtung 6 eingestellt. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein Differentialgetriebe, auf das die Umdrehungskraft des Induktionsmotors 7 übertragen wird. Das Differentialgetriebe 8 treibt die Räder 10 über eine Welle 9 an.
Der Verbrennungsmotor weist als Nenndrehzahl den Betriebsbereich von oder um 3000 U/min auf, was die wirksamste Kraftstoffverbrauchsrate ergibt. In diesem Betriebsbereich erfolgt der Betrieb mit einer im wesentlichen konstanten Drehzahl. Der Verbrennungsmotor 1 weist einen weiteren Betriebsbereich mit oder um 4000 U/min auf, der benutzt wird, wenn für das Kraftfahrzeug die Höchstgeschwindigkeit oder die größte Beschleunigung gefordert wird. Und er besitzt einen weiteren Betriebsbereich zwischen 1000 und 1500 U/min für den Fall, daß das Kraftfahrzeug dann betrieben wird, wenn die Batterie 5 voll geladen ist oder wenn das Kraftfahrzeug für längere Zeit stillgestanden hat. Entsprechend ergab sich für den Wechselstromgenerator 2 eines herkömmlichen Kraftfahrzeuges die Forderung, daß die Ausgangsstromkennlinie entsprechend der Motorumdrehungsgeschwindigkeit Werte an drei Punkten I₁, I₂ und I₃ eines vom Gleichrichter gelieferten Ausgangsstromes entsprechen sollte, die in Fig. 4 mit X markiert sind. Um der genannten Ausgangsstromkennlinie zu entsprechen, waren die Abmessungen des Wechselstromgenerators 2 notwendigerweise groß. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 4 beträgt beispielsweise 280 V, während die Spannung der Batterie 5 beispielsweise 240 V beträgt.
Weiter war es schwierig, den groß bemessenen Generator 2 auf dem Verbrennungsmotor 1 zu montieren und anzuschließen. Da weiter die Abmessungen des Generators 2 groß waren, wurde eine relativ groß bemessene Riemenverbindungseinrichtung 3 benötigt, die den Wechselstromgenerator 2 mit dem Verbrennungsmotor 1 verbindet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hybrid-Antrieb entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß die Kennlinie der generatorisch erzeugten Leistung für die für den Verbrennungsmotor geforderte Charakteristik geeignet ist. Das Gerät soll weiter kleine Abmessungen besitzen und einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad ermöglichen, die Montage auf dem Verbrennungsmotor erleichtern und die Größe der für die Generatoren benötigten Mittel zur Übertragung der Antriebskraft verringern.
Diese Aufgabe wird gelöst wie im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen nachfolgend beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines elektrischen Hybrid-Kraftfahrzeugs, das mit einem Hybrid-Antrieb gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist;
Fig. 2A zeigt die Ausgangsstromkennlinie der Wechselstromgeneratoren über der Motordrehzahl als Ausgangsstrom des Gleichrichters;
Fig. 2B ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Wirkungsgrades jedes Wechselstromgenerators der Fig. 1, bezogen auf die Motordrehzahl;
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines herkömmlichen elektrischen Hybrid-Kraftfahrzeugs, das mit einem Wechselstromgenerator ausgestattet ist;
Fig. 4 ist eine Kennlinie des herkömmlichen Wechselstromgenerators der Fig. 3, bei der die Ausgangsstromkennlinie über der Motordrehzahl als Ausgangsstrom eines Gleichrichters dargestellt ist; und
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Hybrid-Kraftfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das ein elektrisches Hybrid-Kraftfahrzeug zeigt, das mit einem Hybrid-Antrieb gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist. In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 4 bis 10 die gleichen Elemente wie in Fig. 3.
Das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen ersten Wechselstromgenerator, der eine niedrige Drehzahl zu Beginn der Leistungserzeugung besitzt und zugleich einen hohen Wirkungsgrad im unteren Drehzahlbereich aufweist. Der erste Wechselstromgenerator weist im Vergleich zu dem unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen herkömmlichen Generator eine geringe Leistungsfähigkeit und eine geringe Größe auf.
Das Bezugszeichen 22 bezeichnet einen zweiten Wechselstromgenerator, der zu Beginn der Leistungserzeugung eine hohe Drehzahl besitzt und der zugleich einen hohen Wirkungsgrad im hohen Drehzahlbereich aufweist. Der zweite Wechselstromgenerator besitzt ebenfalls eine geringe Kapazität und eine geringe Größe verglichen mit dem herkömmlichen Generator.
Der erste und der zweite Wechselstromgenerator 21 und 22 ist jeweils durch ein gemeinsames Getriebe 23, wie etwa eine Riemenverbindungsanordnung, mit dem Verbrennungsmotor 1 verbunden, so daß die in beiden Generatoren erzeugte Leistung an den Gleichrichter 4 geliefert wird. Die Größe der Umdrehungsübertragungsanordnung 23 kann reduziert werden, da sie die Umdrehungskraft des Verbrennungsmotors 1 an die klein bemessenen Wechselstromgeneratoren 21, 22 liefert. Die Drehzahl der Generatoren 21, 22 kann mit Hilfe des Getriebes 23 beispielsweise auf das Dreifache gesteigert werden.
Fig. 2A zeigt die Kennlinie des Ausgangsstroms der Wechselstromgeneratoren 21, 22 über der Motordrehzahl in Form des Ausgangsstroms des Gleichrichters, wobei eine gestrichelte Linie die vom ersten Wechselstromgenerator 21 erzielte Kennlinie a bezeichnet, während eine strichpunktierte Linie die vom zweiten Wechselstromgenerator 22 erzielte Kennlinie b bezeichnet. Die durchgezogene Linie gibt den gesamten Ausgangsstrom des ersten und des zweiten Wechselstromgenerators 21 und 22 wieder. Sie läuft nahe an den drei Punkten I₁, I₂ und I₃ vorbei und gleicht sich den drei Punkten befriedigend an. Infolgedessen erzeugt der zweite und der erste Wechselstromgenerator kein Übermaß an Leistung, so daß ihre Kapazität klein sein kann.
Bei den Wechselstromgeneratoren 21, 22 beträgt die Ausgangsspannung des Gleichrichters 4 beispielsweise 280 V. Der erste Wechselstromgenerator 21 mit der Kennlinie a beginnt die Leistungserzeugung bei einer Drehzahl von 1500 U/min oder weniger (wie etwa 1200 U/min). Der zweite Wechselstromgenerator 22 mit der Kennlinie b beginnt mit der Leistungserzeugung bei einer Drehzahl von 3000 U/min oder weniger (beispielsweise bei 2700 U/min).
Fig. 2B zeigt Kennlinien, die den Wirkungsgrad (%) jedes der Wechselstromgeneratoren 21, 22 in bezug auf die Motordrehzahl wiedergeben, wobei die gestrichelte Kennlinie a den Wirkungsgrad des Wechselstromgenerators 21 und die strichpunktierte Kennlinie b den Wirkungsgrad des Wechselstromgenerators 22 darstellt.
Allgemein wird eine unbelastete Spannung je Phase durch die Formel E=K Φ Zf dargestellt, wobei K eine Konstante, Φ die Anzahl der magnetischen Flüsse je Pol, Z die Anzahl der seriellen Windungsleiter je Phase, f die Frequenz f= (B/2)×(N/60), P die Anzahl der Pole und N die Drehzahl ist.
Bei der Kennlinie a des ersten Wechselstromgenerators mit niedriger Drehzahl zu Beginn der Leistungserzeugung ist f klein, während Z groß ist. Andererseits ist bei der strichpunktierten Kennlinie b bei hoher Drehzahl zu Beginn der Leistungserzeugung f groß, während Z klein ist. Wenn der Wert von Z groß ist, ist auch der Widerstand der Statorwicklung groß, wodurch die Kupferverluste groß und der Wirkungsgrad reduziert ist. Da weiter die Läuferrückwirkung aufgrund des magnetischen Feldes, das durch den hindurchfließenden Läuferstrom erzeugt wird, groß ist, ist auch die Ausgangsleistung reduziert, wodurch der Wirkungsgrad verringert wird. Dementsprechend wird beim ersten Wechselstromgenerator 21, der einen großen Wert von Z und eine niedrige Umdrehungsgeschwindigkeit zu Beginn der Leistungserzeugung besitzt, der Wirkungsgrad im oberen Drehzahlbereich verringert, so daß er die Kennlinie A der Fig. 2B aufweist. Andererseits ist beim zweiten Wechselstromgenerator 22, der einen kleinen Wert von Z und eine hohe Drehzahl zu Beginn der Leistungserzeugung aufweist, der Wirkungsgrad im oberen Geschwindigkeitsbereich groß, so daß er die in Fig. 2B dargestellte Kennlinie B aufweist. Beim herkömmlichen Leistungserzeugungsgerät ist der Drehzahlverlauf zu Beginn der Leistungserzeugung der gleiche wie bei der Kurve A der Fig. 2B, und der Wirkungsgrad ist ebenfalls der gleiche wie bei der Kennlinie A.
Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Spannung für den ersten Wechselstromgenerator 21 mit der Kennlinie a so festgelegt, daß sie niedriger als die Spannung für den zweiten Wechselstromgenerator 22 mit der Kennlinie b ist. Durch Festlegen dieser Spannungen beteiligt sich der zweite Wechselstromgenerator 22, der mit höherem Wirkungsgrad als der erste Wechselstromgenerator 21 arbeitet, im Betrieb vorherrschend an der Last bei Nenndrehzahl (wie etwa 3000 U/min), wodurch ein Betrieb mit höherem Wirkungsgrad erzielt wird.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen werden zwei Wechselstromgeneratoren 21, 22 mit unterschiedlichen Drehzahlen zu Beginn der Leistungserzeugung verwendet. Es können aber auch drei oder mehr Wechselspannungsgeneratoren eingesetzt werden.
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein dritter Wechselstromgenerator 24 zusätzlich zum ersten und zweiten Wechselstromgenerator 21 und 22 benutzt wird. Die gleichen Bezugszeichen wie die in Fig. 1 bezeichnen die gleichen Elemente.
Weiter wird bei den beschriebenen Ausführungsformen beim Getriebe 23 eine Riemenverbindungsanordnung als Mittel zur Übertragung der Drehbewegung der Generatoren benutzt. Es kann aber auch ein anderes Drehbewegungsübertragungsmittel verwendet werden, wie etwa eine Verbindungskette oder eine andere Getriebeart.
Wie gesagt, ist gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Wechselstromgeneratoren mit unterschiedlichen Drehzahlen zu Beginn der Leistungserzeugung, und mit hohen Wirkungsgraden bei oder in der Nähe der Drehzahlen zur Lieferung der Leistung durch ein Getriebe an den Verbrennungsmotor angeschlossen. Dementsprechend können Leistungserzeugungskennlinien erzielt werden, die für die benötigte Betriebskennlinie des Verbrennungsmotors eines elektrischen Hybrid-Kraftfahrzeugs geeignet sind. Die Größe jedes Wechselstromgenerators kann reduziert werden. Die Flexibilität bei der Anordnung der Wechselstromgeneratoren kann gesteigert werden, und die Größe des Getriebes kann verringert werden. Der Hybrid-Antrieb kann entsprechend den eigenen Kennlinien der Wechselstromgeneratoren betrieben werden, wobei der Wirkungsgrad bei großer Generatorleistung verbessert werden kann. Ein noch besserer Wirkungsgrad wird durch Festlegen der Spannung für den Generator mit niedriger Umdrehungsgeschwindigkeit zu Beginn der Leistungserzeugung auf einen niedrigeren Wert als die des Generators mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit zu Beginn der Leistungserzeugung erzielt.

Claims (2)

1. Hybrid-Antrieb für ein Kraftfahrzeug, umfassend:
  • - mindestens einen Wechselstromgenerator (2; 21, 22, 24) der von einem Verbrennungsmotor (1) angetrieben wird,
  • - einen Gleichrichter (4) zum Gleichrichten der vom Wechselstromgenerator (2; 21, 22, 24) gelieferten Wechselspannung,
  • - eine Batterie (5), die vom Gleichrichter (4) geladen wird,
  • - eine Steuereinrichtung (6), die mit einer vom Gleichrichter (4) oder der Batterie (5) gelieferten Gleichspannung versorgt wird und die Gleichspannung über einen statischen Wechselrichter in eine frequenzvariable Wechselspannung umwandelt, und
  • - einen Induktions-Fahrmotor (7), der von der Steuereinrichtung (6) mit Wechselstrom versorgt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wechselstromgeneratoren (1, 22, 24) über ein gemeinsames Getriebe (23) vom Verbrennungsmotor (1) angetrieben werden, wobei die Wechselstromgeneratoren (21, 22, 24) bei unterschiedlichen Drehzahlen beginnen, Strom zu erzeugen.
2. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromgeneratoren (1, 22, 24) derart gesteuert werden, daß ein Wechselstromgenerator, der bei einer niedrigeren Drehzahl beginnt, Strom zu erzeugen, eine niedrigere Wechselspannung liefert als ein Wechselstromgenerator, der bei einer höheren Drehzahl beginnt, Strom zu erzeugen.
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