DE4431929C1 - Hybrid-Antriebssystem für Kraftfahrzeuge - Google Patents
Hybrid-Antriebssystem für KraftfahrzeugeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Hybrid-Antriebssystem für
Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der AT-PS 245 947 ist bereits ein Hybrid-Antriebssystem für
Kraftfahrzeuge der gattungsgemäßen Art bekannt, das eine Brenn
kraftmaschine, einen Elektromotor und ein Schwungrad umfaßt, wo
bei das Hybrid-Antriebssystem quer zur Fahrtrichtung und im Be
reich einer Antriebsachse des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
Eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und die Antriebswelle
des Elektromotors ist über eine Schaltkupplung und ein Wechsel
getriebe nebst Zwischenwelle mit der Antriebsachse des Kraft
fahrzeuges wahlweise verbindbar. Der Elektromotor ist auf der
Zwischenwelle angeordnet und ist von der Brennkraftmaschine mit
tels Umschaltung des Schaltgetriebes auch als Generator zum Auf
laden einer Batterie betreibbar.
Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Druck
schriften DE-Z "Mobil, Ausg. März 1994, S. 8 u.g.", DE-PS 6 93 234
und DE 32 30 121 A1 verwiesen.
Ein Nachteil von Hybrid-Antriebssystemen der gattungsgemäßen Art
ist ein baulich aufwendiges Wechselgetriebe mit zwei Zwischen
wellen zur Realisierung der Antriebsverbindung zwischen An
triebswelle des Wechselgetriebes und Antriebsachse des Kraft
fahrzeuges und zur Realisierung des Betriebes des Elektromotors
als Generator. Das aufwendige Wechselgetriebe und die zur Dar
stellung der Übersetzung von der Antriebswelle des Wechselge
triebes zur Antriebsachse des Kraftfahrzeuges nötigen zwei Zwi
schenwellen sind besonders für Hybrid-Antriebssysteme von Klein
kraftfahrzeugen nicht geeignet, da bei einer erwünschten Placie
rung des Hybrid-Antriebssystems oberhalb der Antriebsachse zwi
schen den angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeuges die Bauhöhe
derartiger Antriebssysteme zu groß ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes
Hybrid-Antriebssystem möglichst einfach, kompakt und mit niede
rer Bauhöhe derart auszubilden, daß dieses auch in Kleinkraft
fahrzeugen oberhalb und quer zur Antriebsachse leicht placierbar
ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebssystems liegt
darin, daß durch den separat vom Elektromotor ausgebildeten Ge
nerator und dessen Anordnung auf der Kurbelwelle nun die Mög
lichkeit besteht, das Getriebe wesentlich einfacher als im gat
tungsgemäßen Stand der Technik zu gestalten, da die Getriebestu
fen für den Generatorbetrieb des Elektromotors entfallen, wo
durch insgesamt eine kompaktere Bauweise und eine Verringerung
der Bauhöhe des Hybrid-Antriebssystems erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Bauweise liegt darin,
daß sowohl die Brennkraftmaschine als auch der Elektromotor bei
der jeweils optimalen Auslegungsdrehzahl betrieben werden können
und daß das erfindungsgemäße Hybrid-Antriebssystem dennoch mit
einem Minimum an Zahneingriffen und Lagerstellen auskommt.
Ein Vorteil für den Gesamtentwurf des Fahrzeuges ergibt sich da
durch, daß als Basisfahrzeug von einem verbrennungsmotorsich be
triebenen Fahrzeug ausgegangen werden kann, bei dem lediglich
eine bereits vorhandene Reserveradmulde durch einen Batterietrog
ersetzt wird.
In der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2
ist zwischen Antriebswelle des Elektromotors und Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine ein nichtschaltbares, wahlweise kuppelbares
Getriebe mit einer einzigen Zwischenwelle zur Kraftübertragung
auf die Antriebsachse des Kraftfahrzeuges angeordnet, wodurch
ebenfalls eine wesentliche Reduzierung der Bauhöhe erreichbar
ist.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3
stellt eine Gesamtantriebsübersetzung eines "langen Fahrganges"
(also etwa eines 4. oder 5. Ganges) dar, weshalb der Achsabstand
zwischen Antriebsachse des Kraftfahrzeuges und Zwischenwelle oh
ne eine zweite Zwischenwelle oder ein zusätzliches Über
brückungszahnrad darstellbar ist.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist eine bevor
zugte Bauausführung des Hybrid-Antriebssystems.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach den Ansprü
chen 5 und 6 liegt darin, daß das gesamte Hybrid-Antriebssystem
vormontierbar ist und als komplette Baueinheit am Kraftfahrzeug
befestigt werden kann.
Ein Vorteil der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 er
gibt sich dadurch, daß mit der zusätzlich zum Generator angeord
neten Batterie ein Betrieb des Kraftfahrzeuges im Zero-Emission-
Betrieb bzw. das bei Bremsvorgängen eine rekuperative Energie
speicherung möglich ist.
Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 ist eine
Verbesserung der Anfahrsteigfähigkeit des Kraftfahrzeuges er
reichbar, indem zwischen dem Antriebsritzel und dem weiteren
Zahnrad auf der Zwischenwelle ein Reduktionsgetriebe, beispiels
weise ein Planetengetriebe, angeordnet ist. Das Reduktionsge
triebe wird nur im Sonderfall aktiviert und erzeugt im Normalbe
trieb keine Dauerverluste.
Sofern die Abmessungen der Brennkraftmaschine ein dichtes Vor
beiführen der Antriebsachse nicht zulassen, kann zwischen dem
Antriebsritzel und dem auf der Antriebsachse befindlichen Zahn
rad ein Überbrückungszahnrad zwischengefügt werden mit der Kon
sequenz, daß aus Drehrichtungsgründen der Antriebsblock rechts-
links gewendet werden muß.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den
übrigen Unteransprüchen hervor.
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels näher erläutert. Sie zeigt ein schematisch dargestelltes
Hybrid-Antriebssystem 1 für ein nicht dargestelltes Kraftfahr
zeug mit einer Brennkraftmaschine 2, einem Elektromotor 3 und
einem Schwungrad 12, das auf einer Kurbelwelle 11 der Brenn
kraftmaschine 2 angeordnet ist. Das Hybrid-Antriebssystem 1 ist
quer zur Fahrtrichtung und im Bereich einer Antriebsachse 6 des
Kraftfahrzeuges angeordnet.
Eine Antriebswelle 7 des Elektromotors 3 ist mit der Antriebs
achse 6 des Kraftfahrzeuges über ein Getriebe 9 permanent ver
bunden. Die Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine 2 und die An
triebswelle 7 des Elektromotors 3 sind über eine Schaltkupplung
8 und das Getriebe 9 nebst Zwischenwelle 10 wahlweise verbind
bar.
Ein vom Elektromotor 3 baulich getrennter Generator 4 ist im ge
zeigten Beispiel neben dem Schwungrad 12 direkt auf der Kurbel
welle 11 angeordnet, wobei ein Teil der Kurbelwelle 11 gleich
zeitig als Generatorwelle 5 dient. Der Generator 4 kann aber
auch auf der mit der Kurbelwelle 11 kuppelbaren Zwischenwelle 10
angeordnet sein. In einer bevorzugten Bauausführung sind das
Schwungrad 12 und Generator 4, die beide auf der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine 2 angeordnet sind, zu einer Baueinheit zusam
mengefaßt.
Das Getriebe 9 ist nicht schaltbar ausgeführt und besitzt nur die
mit der Schaltkupplung 8 wahlweise kuppelbare Zwischenwelle 10.
Diese ist in Verlängerung der Drehachse der Kurbelwelle 11 ange
ordnet und ist mit dieser durch die Schaltkupplung 8 verbunden,
wobei die Schaltkupplung 8 beispielsweise als Reibkupplung oder
auch als Klauenkupplung ausgebildet sein kann. Auf der Zwischen
welle ist ein Antriebsritzel 13 und ein weiteres Zahnrad 14 an
geordnet, wobei das Antriebsritzel 13 direkt mit einem auf der
Antriebsachse 6 des Kraftfahrzeuges sitzenden Zahnrad 15 und das
weitere Zahnrad 14 mit einem Ritzel 16 der Antriebswelle 7 des
Elektromotors 3 verbunden ist.
Die Antriebsachse 6 des Kraftfahrzeuges ist in üblicher, nicht
näher dargestellter Weise im Kraftfahrzeug gelagert und umfaßt
einen mittleren Achsabschnitt 6a und zwei Achsschenkel 6b und
6c. Auf dem Achsabschnitt 6a sitzt das einem Ausgleichsgetriebe
18 zugeordnete Zahnrad 15. Der Achsenabschnitt 6a verbindet mit
tels Gelenken 19 und 20 die zwei Achsschenkel 6b und 6c der An
triebsachse 6, die wiederum durch Gelenke 21 und 22 mit den an
getriebenen Rädern 23 und 24 des Kraftfahrzeuges verbunden sind.
Das Hybrid-Antriebssystem ist modular aufgebaut. Der Elektromo
tor 3 und die Brennkraftmaschine 2 sind an einem Getriebegehäuse
17 anflanschbar.
Die Übersetzung i zwischen Antriebsritzel 13 der Zwischenwelle
10 und dem Zahnrad 15 auf der Antriebsachse 6 des Kraftfahrzeu
ges beträgt 3-5. Somit ist für Brennkraftmaschinen von Hybrid-
Antriebssystemen für Kleinkraftfahrzeuge, je nach geforderter
Bodenfreiheit und dem durch diese Forderung begrenzten Durchmes
ser des Zahnrades 15 ein Achsabstand a zwischen Antriebsachse 6
des Kraftfahrzeuges und Zwischenwelle 10 von ca. 100-150 mm
problemlos ohne eine zweite Zwischenwelle oder durch ein Über
brückungszahnrad darstellbar.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann zum Betreiben
des Kraftfahrzeuges im Zero-Emission-Betrieb und zur rekuperati
ven Energiespeicherung bei Bremsvorgängen zusätzlich zum Elek
tromotor 3 und dem Generator 4 eine nicht dargestellte Batterie
angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Brenn
kraftmaschine 2, der Elektromotor 3 und das Getriebe 9 nebst
Schwungrad 12 und Generator 4 zu einer Baueinheit zusammengefaßt
und durch ein Gehäuse miteinander verbunden.
Des weiteren kann der Elektromotor statt in der dargestellten La
ge auch in anderer Lage montiert sein, also vor, oberhalb oder
winkelig zur Brennkraftmaschine. Bei einer Bauweise gemäß Dar
stellung ist darauf zu achten, daß das Rad beim Lenkungsaus
schlag vor und hinter dem Elektromotor schwenkt. Je nach zur
Verfügung stehendem Bauraum ist die Schaltkupplung 8, der Gene
rator 4 und das Schwungrad 12 auch rechts neben dem Zahnrad 14
placierbar, wobei die Zwischenwelle 10 dann als Hohlwelle ausge
führt ist.
Im folgenden werden Funktionsweise und Betriebsarten des erfin
dungsgemäßen Hybrid-Antriebssystems beschrieben. Die Unterein
heit Brennkraftmaschine 2 nebst Generator 4 liefert den Strom,
der im Betriebseinsatz eines herkömmlichen Serienhybriden
(geöffnete Schaltkupplung 8) über einen nicht dargestellten Um
richter an die Batterie und über einen weiteren Umrichter an den
Elektromotor 3 weitergeleitet wird. Der Fahrbetrieb beim Serien
hybriden erfolgt über den Elektromotor 3, der über das Getriebe
9 eine Antriebsverbindung zur Antriebsachse 6 besitzt.
In der erfindungsgemäßen Anordnung des Hybrid-Antriebssystems 1
treibt bei eingekuppelter Schaltkupplung 8 die Brennkraftmaschi
ne 2 über die Schaltkupplung S die Zwischenwelle 10 des Getrie
bes 9 an. Hierbei stellt die Zahnradpaarung 13-15 eine Gesamtan
triebsübersetzung i (Schaltgetriebeübersetzung mit Achsüberset
zung) eines "langen Fahrganges", also z. B. eines 4. oder 5. Gan
ges, eines herkömmlichen Fahrzeuges dar. Durch diese Gesamtan
triebsübersetzung (i = 3-5) ist es möglich, daß der Achsab
stand a ohne zusätzliches Überbrückungszahnrad zwischen der Zwi
schenwelle 10 und der Antriebsachse 6 darstellbar ist.
Bei einer Bauausführung mit Batterie kann das Hybrid-Antriebssy
stem 1 auch als Zero-Emission-Fahrzeug mit reinem Elektroantrieb
betrieben werden. Die Nachladung der Batterie erfolgt über die
Steckdose oder im Fahrbetrieb über den Generator 4.
Bei höherem Fahrleistungsbedarf oder auf längeren Strecken kann
die Brennkraftmaschine 2 kontinuierlich oder intermittierend zur
Stromerzeugung zugeschaltet werden. Oberhalb von Fahrgeschwin
digkeiten, die einer Durchkupplungsdrehzahl von z. B. 1800 1/min
an der Kurbelwelle 11 entsprechen, wird die Kupplung vorzugs
weise geschlossen, damit die Brennkraftmaschine 2 die Antriebs
achse 6 direkt antreiben kann. Da die elektrischen Komponenten,
insbesondere der Elektromotor 3 und der Generator 4, mittels de
ren Steuerelektronik freischaltbar sind (keine nennenswerte
elektrische und magnetische Verlustleistung beim Mitlaufen), er
folgt der Antrieb hier unter Umgehung der Verluste vom Generator
4, dem Elektromotor 3, der beiden nicht dargestellten Wechsel
richter (Umrichter) und ggf. Be- und Entladungsverlusten der
Batterie. Bei höherem Fahrleistungsbedarf ist auch eine Be
triebsweise der Brennkraftmaschine 2 abseits des optimalen Ver
brauchspunktes noch lohnend, solange die Wirkungsgradeinbußen
der Brennkraftmaschine 2 die der elektrischen Antriebskette
nicht übersteigen.
Solange die Brennkraftmaschine 2 im durchgekuppelten langen Gang
(Zahnradpaar 13-15) nicht stark genug ist, Steigungen zu über
winden, kann sie der Elektromotor 3 unterstützen. Die entnommene
Betterieladung kann bei einer anschließenden Talfahrt vom Gene
rator 4 nachgespeist werden.
Sofern bei Bergfahrt und voller Zuladung und z. B. niederer Fahr
geschwindigkeit die Motorleistung im durchgekuppelten Zustand
nicht ausreicht, kann eine überwachende Steuereinheit die
Schaltkupplung 8 automatisch öffnen und den Vortrieb wegen des
günstigen Drehmomentverlauf s des Elektromotors 3 (maximales
Drehmoment bei Drehzahl n = 0 bis ca. 1/3 nmax; mit nmax = maxi
male Drehzahl des Elektromotors) von diesem durchführen lassen.
Die Brennkraftmaschine 2 kann zwecks Leistungssteigerung auf ei
ne höhere Drehzahl gebracht werden.
Im niederen und mittleren Geschwindigkeitsbereich liegt das
Drehmoment des Elektromotors 3 (z. B. frequenzgesteuerter Asyn
chronmotor) so hoch, daß es für Beschleunigungsvorgänge und
Steigungen ausreicht. Erst bei höheren Geschwindigkeiten
(Drehzahlen) fällt dessen Drehmoment ab. Aus der Kombination der
Drehmomentcharakteristik des Elektromotors 3 und jener der
Brennkraftmaschine 2 ergibt sich ein wesentlicher Auslegungsvor
teil des erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebssystems 1, denn der
Elektromotor 3 muß nicht für höhere Geschwindigkeiten ausgelegt
werden. Die Dauerhöchstgeschwindigkeit wird ausschließlich von
der Brennkraftmaschine 2 aufgebracht und nur bei kurzzeitiger
Geschwindigkeit über Dauerhöchstgeschwindigkeit oder bei Stei
gungen wird der Elektromotor 3 zugeschaltet.
Somit können die elektrischen Antriebskomponenten (Elektromotor
3, Generator 4 und die nicht dargestellten Umrichter) relativ
klein ausgelegt werden. Lediglich die Anfahrsteigfähigkeit muß
alleine mit dem Elektromotor bewältigt werden können und zwar in
beiden Fahrtrichtungen, da in der beschriebenen einfachsten Aus
führung des Hybrid-Antriebssystems 1 eine Rückwärtsfahrt nur
elektromotorisch (bei ausgekuppelter Brennkraftmaschine 2) mög
lich ist.
Zur Vergrößerung der Anfahrsteigfähigkeit kann in einer weiteren
Ausführung der Erfindung ein Reduktionsgetriebe (z. B. Planeten
getriebe) zwischen den Zahnrädern 13 und 14 auf der Zwischen
welle 10 implementiert werden, das nur im Sonderfall aktiviert
wird und im Normalfall keine Dauerverluste erzeugt.
Ferner kann in einer besonderen Ausführungsform die Brennkraft
maschine 2 einschließlich Schaltkupplung 8 über einen Schnell
verschluß abkoppelbar und demontierbar gestaltet sein, sofern
das Fahrzeug vorwiegend als Elektrofahrzeug genutzt wird
(sogenannter range extender).
Des weiteren kann auch der Elektromotor 3 nebst Elektronik und
Batterie schnellabkoppelbar gestaltet sein, sofern das Fahrzeug
vorwiegend mit der Brennkraftmaschine 2 betrieben werden soll.
Claims (11)
1. Hybrid-Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, das mindestens eine
Brennkraftmaschine, einen Elektromotor und einen Generator um
faßt, wobei das Hybrid-Antriebssystem quer zur Fahrtrichtung und
im Bereich einer Antriebsachse des Kraftfahrzeuges angeordnet
ist und wobei die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über eine
Schaltkupplung und ein Getriebe nebst Zwischenwelle mit der An
triebsachse des Kraftfahrzeuges wahlweise verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Antriebswelle (7) des Elektromotors (3) mit der An
triebsachse (6) des Kraftfahrzeuges über das Getriebe (9) perma
nent verbunden ist und der Generator (4) vom Elektromotor (3)
baulich getrennt auf der Kurbelwelle (11) angeordnet ist.
2. Hybrid-Antriebssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe (9) nichtschaltbar ist und nur eine wahlweise
kuppelbare Zwischenwelle (10) mit einem Antriebsritzel (13) und
einem weiteren Zahnrad (14) aufweist, wobei das Antriebsritzel
(13) direkt oder mittelbar mit einem auf der Antriebsachse (6)
des Kraftfahrzeuges sitzenden Zahnrad (15) verbunden ist und das
weitere Zahnrad (14) mit einem Ritzel (16) der Antriebswelle (7)
des Elektromotors (3) verbunden ist.
3. Hybrid-Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Übersetzung (i) zwischen Antriebsritzel (13) der Zwi
schenwelle (10) und dem Zahnrad (15) auf der Antriebsachse (6)
des Kraftfahrzeuges 3-5 beträgt.
4. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenwelle (10) in Verlängerung der Drehachse der
Kurbelwelle (11) angeordnet ist und mit dieser durch die Schalt
kupplung (8) verbunden ist.
5. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektromotor (3) und die Brennkraftmaschine (2) an einem
Getriebegehäuse (17) anflanschbar sind.
6. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkraftmaschine (2), der Elektromotor (3), das Ge
triebe (9) nebst Schwungrad (12) und Generator (4) zu einer Bau
einheit zusammengefaßt und durch ein Gehäuse miteinander verbun
den sind.
7. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum Betreiben des Kraftfahrzeuges im Zero-Emission-Betrieb,
zur rekuperativen Energiespeicherung bei Bremsvorgängen, zum
Beschleunigungen und zur Bergfahrt zusätzlich zum Elektromotor
(3) und dem Generator (4) eine Batterie angeordnet ist.
8. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Verbesserung der Anfahrsteigfähigkeit des Kraftfahrzeu
ges zwischen dem Antriebsritzel (13) und dem weiteren Zahnrad
(14) ein Reduktionsgetriebe angeordnet ist.
9. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltkupplung (8), der Generator (4) und das Schwungrad
(12) rechts neben dem Zahnrad (14) placiert und die Zwischen
welle (10) als Hohlwelle ausgebildet ist.
10. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur vorwiegenden Nutzung des Fahrzeuges als Elektrofahrzeug
die Brennkraftmaschine (2) einschließlich der Schaltkupplung (8)
über einen Schnellverschluß abkoppelbar und demontierbar ist.
11. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum vorwiegenden Betrieb des Fahrzeuges mit der Brennkraft
maschine (2) der Elektromotor (3) nebst Elektronik und Batterie
schnellabkoppelbar ist.
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