DE4407666A1 - Hybridantrieb für Fahrzeuge - Google Patents

Hybridantrieb für Fahrzeuge

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Description

Die Erfindung geht aus von einem Hybridantrieb für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Unter Hybridantrieben werden Antriebsanordnungen verstanden, bei denen verschiedene Antriebsaggregate von in der Regel unterschiedlicher Art derart miteinander verbunden sind, daß sich ihre Reaktionsmomente direkt oder in einem bestimmten Verhältnis gegeneinander abstützen und beeinflussen. So ist beispielsweise in der DE-OS 33 38 548 ein Einwel­ len-Aggregat beschrieben, bei dem die Drehmomente je eines Elektro- und eines Verbrennungsmotors verknüpft werden. Der Nachteil dieses bekann­ ten Antriebes ist insbesondere darin zu sehen, daß die Drehmomente bei­ der Antriebe zu jeder Zeit gleiche Werte aufweisen und dem Fahrzeugan­ triebsmoment entsprechen müssen mit der Folge, daß der Verbrennungs­ motor je nach abgegebener Antriebsleistung in unterschiedlichen Dreh­ momentenbereichen, d. h. in der Regel nicht in seinem optimalen Be­ triebsbereich arbeitet.
Es ist weiterhin aus der DE-OS 41 24 479 ein Hybridantrieb aus einer Brennkraftmaschine und zwei elektrischen Maschinen mit festste­ hendem Stator bekannt geworden, von denen die eine mittels einer sog. "Reaktionswelle" und die andere mit einer der beiden anderen Wellen des Abtriebs in Antriebsverbindung steht. Die Anordnung ist außerordentlich aufwendig und weist eine Charakteristik mit einem konstanten Drehzahl­ verhältnis bei Addition der Drehzahlen der Brennkraftmaschine und des elektrischen Antriebes auf, was zu einer Verminderung des Wirkungsgra­ des bzw. Erhöhung der Verluste im praktischen Betrieb führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines Hybridantriebes zugrunde, bei dem ein Arbeiten der Verbrennungskraft­ maschine in seinem leistungsabhängig optimalen Drehzahl- bzw. Dreh­ momentenbereich erreicht wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Hybridantrieb mit den im Patentan­ spruch 1 wiedergegebenen Merkmalen gelöst.
Weitere Einzelheiten der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung erläu­ tert. Es zeigen
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Hybrid-Antriebes,
Fig. 2 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridantriebes,
Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines Hybridantriebes mit ab­ triebsseitig angeordneter Feststellbremse,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Hybridantriebes mit einer die Läufer gegeneinander festlegenden Feststell­ bremse,
Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsformen mit jeweils einem Zusatzge­ triebe zwischen Verbrennungskraftmaschine und Generator bzw. zwischen Generator und Elektroantrieb.
Der in Fig. 1 der Zeichnung wiedergegebene Hybridantrieb besteht aus einer Brennkraftmaschine 1 sowie zwei jeweils aus Ständer 2 bzw. 4 und Läufer 3 bzw. 5 gebildeten elektrischen Antrieben, die über das Ab­ triebselement 6 mit der Fahrzeugachse 7, 8 verbunden sind. Das Abtriebselement 6 ist zwischen den beiden elektrischen Maschinen 2, 3 und 4, 5 angeordnet, wobei es sich bei der äußeren, d. h. von der Brenn­ kraftmaschine 1 entfernt liegenden elektrischen Maschine 4, 5 um eine Maschine mit feststehendem (stationärem) Stator handelt und die der Brennkraftmaschine 1 benachbarte elektrische Maschine 2, 3 "fliegend" gelagert ist, d. h. ein drehbares Außenteil 2 und ein drehbares Innen­ teil 3 aufweist, von denen das eine Teil - 2 oder 3 - mit der Abtriebs­ welle der Brennkraftmaschine 1 und das andere Teil mit der einen der beiden Eingangswellen des Abtriebselementes 6 verbunden ist. Die sta­ tionäre elektrische Maschine 4, 5 ist ebenfalls mit einer Eingangswelle des Abtriebselementes 6 verbunden. Aufgrund dieser Anordnung ergibt sich ein paralleler Kraftfluß der elektrischen Maschinen 2, 3 und 4, 5 mit sich addierenden Leistungs- und Momentenflüssen der Brennkraftma­ schine 1 und der elektrischen Maschinen 2, 3 und 4, 5 an der Abtriebs­ welle des Abtriebselementes 6 und damit an der Fahrzeugachse 7, 8.
Der sich aufgrund dieser Anordnung, d. h. aufgrund der Anbindung der Generatoreinheit 1 und 2, 3 an den Leistungsfluß des Elektromotors 4, 5 ergebende Vorteil besteht darin, daß ein von dem Betriebszustand des Fahrzeuges abhängiger Teil der Leistung des Verbrennungsmotors 1 als Kupplungsleistung unmittelbar verlustarm und ohne Umwandlung in elek­ trische Energie an das Abtriebselement 6 abgegeben werden kann. Die Einstellung eines festen Drehzahlverhältnisses ist nicht erforderlich mit der Wirkung, daß die Leistung und Drehzahl der Brennkraftmaschine auf das dem jeweiligen Betriebszustand optimale Verhältnis eingeregelt werden können.
In den Fig 2 bis 6 sind weitere Ausführungsformen eines erfin­ dungsgemäßen Hybridantriebes dargestellt. So zeigt Fig 2 einen derar­ tigen Antrieb, bei dem die beiden elektrischen Maschinen 12, 13 und 14, 15 in Reihe hintereinander zwischen der Verbrennungskraftmaschine 11 und dem Abtriebselement 16 angeordnet sind. Hierbei sind das dreh­ bare Außenteil 12 der der Verbrennungskraftmaschine 11 nachgeordneten elektrischen Maschine mit der Abtriebswelle der Verbrennungskraft­ maschine 11 und ihr drehbares Innenteil 13 mit dem im übrigen mit der Eingangswelle des Abtriebselementes 16 verbundenen Läufer 15 der stationären elektrischen Maschine 14, 15 verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in den in den Fig. 2 und 3 wiedergegebenen Ausführungsformen, in denen im übrigen die einander entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind, einerseits die fliegend gelagerte Maschine 12, 13 mit einer Kupp­ lung 18 zur Herstellung einer starren Verbindung zwischen dem drehbaren Innenteil 13 und dem drehbaren Außenteil 12 und die stationär gelagerte Maschine 14, 15 einerseits mit einer Feststellbremse 19 und anderer­ seits mit einer Kupplung 22 versehen, wobei die Feststellbremse 19 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 die Feststellbremse 19 auf der An­ triebsseite der stationären Maschine 14, 15 und bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 auf ihrer Abtriebsseite angeordnet ist. Mit Hilfe der Feststellbremse 19 können die Rotoren der elektrischen Maschinen gegen das Gehäuse der stationären Maschine 14, 15 festgelegt werden mit der Wirkung, das einerseits - mittels der Kupplung 18 - die Generatorfunk­ tion ausgeschaltet und der Antrieb - etwa in einem Betriebszustand mit Drehzahlen zwischen dem optimalen Betriebspunkt und der maximalen Lei­ stungsabgabe - auf rein mechanische Leistungsabgabe umgeschaltet sowie andererseits - mittels der Feststellbremse 19 - der Antrieb bei Fahr­ zeugstillstand auf reinen Generatorbetrieb eingerichtet werden, wobei mittels einer Kontrolleinrichtung 20 unsichere Betriebszustände, also etwa unbeabsichtigtes Inbewegungsetzen des Fahrzeugs, ausgeschlossen werden. Die Kupplung 22 weiterhin dient der Unterbrechung des Kraft­ flusses zwischen dem Antriebsaggregat und dem Abtriebselement 16 und bewirkt damit eine Leerlaufstellung des Antriebes.
Bei der in Fig. 4 wiedergegebenen Ausführungsform ist eine Fest­ stellbremse 21 vorgesehen, mit deren Hilfe lediglich das Drehmoment des Läufers der Maschine 12, 13 gegen das Fahrzeug abgestützt und überwacht werden kann, die beiden Läufer 13, 15 dagegen voneinander entkoppelt werden können. Mit dieser Ausführungsform eines Hybridantriebes können die elektrischen Maschinen 12, 13 und 14, 15 völlig unabhängig vonein­ ander betrieben werden, wobei die elektrische Maschine 12, 13 zusammen mit dem Verbrennungsmotor 11 als Stromerzeuger und die stationäre elek­ trische Maschine 14, 15 als Antriebsmotor für das Fahrzeug dienen.
Eine weitere sinnvolle nicht aufgezeichnete Ausführungsform kann die Anordnung einer Feststellbremse im Momentenverlauf zwischen dem Ab­ triebselement 16 und den Fahrzeugrädern 8 sein, z. B. kann auch eine in ihrer Funktion überwachte konventionelle Handbremseinrichtung als Momentenabstützung dienen.
Die Fig. 5 und 6 zeigen zwei weitere Ausführungsformen mit jeweils einem zusätzlichen Getriebe 24 zwischen dem Verbrennungsmotor 11 und dem Generator 12, 13 (Fig. 5) bzw. zwischen dem Generator 12, 13 und der stationären Maschine 14, 15 (Fig. 6), womit auf dem Wege der Dreh­ zahl-Anpassung die Komponenten auf ihren jeweils optimalen Betriebsbe­ reich (bestmöglicher Wirkungsgrad) abgestimmt werden können.

Claims (8)

1. Hybridantrieb für Fahrzeuge, bestehend aus einer Verbrennungs­ kraftmaschine sowie zwei elektrischen Maschinen, die über ein Abtriebs­ element mit der Antriebsachse des Fahrzeuges verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Brennkraftmaschine (1, 11) verbundene elektrische Maschine (2, 3; 12, 13) fliegend, d. h. mit einem drehbaren Innenteil (3, 13) und einem drehbaren Außenteil (2, 12) gelagert und das eine der beiden drehbar gelagerten Teile (2, 3; 12, 13) mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine (1, 11) und das andere Teil mit dem Rotor (5, 15) der anderen, einen feststehenden Stator (4, 14) auf­ weisenden elektrischen Maschine (4, 5; 14, 15) verbunden ist und beide elektrischen Maschinen gemeinsam auf das Abtriebselement (6, 16) wirken.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebselement (6) zwischen den beiden elektrischen Maschinen (2, 3, 4, 5) angeordnet ist, wobei die äußere, d. h. von der Brennkraftma­ schine (1) entfernt liegende Maschine (4, 5) stationär gelagert und die der Brennkraftmaschine (1) benachbarte Maschine (2, 3) fliegend mit einem drehbaren Innenteil (3) und einem drehbaren Außenteil (2) gela­ gert ist, von denen das drehbare Innenteil (3) mit der Brennkraft­ maschine (1) und das drehbare Außenteil (2) mit einer der beiden Ein­ gangswellen des Abtriebselementes (6) verbunden ist, während die stationär gelagerte Maschine (4, 5) mit der anderen Eingangswelle des Abtriebselementes (6) verbunden ist.
3. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden elektrischen Maschinen (12, 13; 14, 15) in Reihe hintereinander zwischen der Verbrennungskraftmaschine (11) und dem Abtriebselement (16) angeordnet sind und das drehbare Außenteil (12) des der Verbren­ nungskraftmaschine (11) nachgeordneten elektrischen Antriebes mit der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine und ihr drehbares Innenteil (13) mit dem im übrigen mit der Eingangswelle des Abtriebselementes verbundenen Läufer (15) der elektrischen Maschine (14, 15) mit fest­ stehendem Stator verbunden sind.
4. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die fliegend gelagerte Maschine (12, 13) mit einer Kupp­ lung (18) zur Herstellung einer starren Verbindung zwischen dem drehbaren Innenteil (13) und dem drehbaren Außenteil (12) und/oder die andere elektrische Maschine mit einer Feststellbremse (19) versehen ist, mit deren Hilfe die Rotoren der elektrischen Maschine gegen das Gehäuse festgelegt werden können.
5. Hybridantrieb für Fahrzeuge nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kupplung (18) mit einem Regler versehen ist, mit des­ sen Hilfe das drehbare Außenteil (12) und das drehbare Innenteil (13) des Generators (12, 13) bei Erreichen der Drehzahlgleichheit gegenein­ ander festgelegt werden.
6. Hybridantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Verbrennungskraftmaschine (11) und der flie­ gend gelagerten Maschine (12, 13) oder zwischen den elektrischen Maschinen ein weiteres Getriebe (24) angeordnet ist.
7. Hybridantrieb für Fahrzeuge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskraftmaschine (1, 11) zur Deckung einer Grundlast auf einen dem optimal vorgegebenen Wirkungsgrad entsprechenden Momentenbereich eingeregelt und die darüberhinaus benö­ tigte Fahrleistung über die regelbare elektrische Maschine (4, 5) zugeführt wird.
8. Hybridantrieb für Fahrzeuge nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre elektrische Maschine mit einer Steuereinrichtung zur Veränderung der Erregung versehen ist.
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