DE4444545B4 - Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (1), die vorgesehen ist für den Antrieb des Hybridfahrzeuges, einem Elektromotor (5), der ebenfalls vorgesehen ist für den Antrieb des Hybridfahrzeuges, einer Batterie (6) zur Speisung des Elektromotors (5), wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem vom Elektromotor (5) verschiedenen Generator (14) zum Aufladen der Batterie (6) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1) in zwei Module (16, 17) teilbar ist, und das eines der Module (17) getrennt vom anderen Modul (16) als Generatorantriebsmodul zum Aufladen der Batterie (6) einsetzbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Hybridfahrzeuge sind Fahrzeuge, die wahlweise von einer Verbrennungskraftmaschine, einem Elektromotor oder von beiden antreibbar sind. Der Elektromotor kommt insbesondere dann als Antrieb des Hybridfahrzeuges zum Einsatz, wenn ein Schadstoffausstoss vermieden werden soll. Dies ist insbesondere in Fabrikhallen und in Gemeinden bzw. Städten bei Smoggefahr erwünscht. In manchen Gemeinden sind sogar ganze Bereiche nur noch für Elektrofahrzeuge zugelassen.
  • Das Problem von Elektrofahrzeugen ist die Reichweite, begrenzt durch die Kapazität der Batterie. Aus diesem Grund ist bei den sogenannten Serien-Hybridfahrzeugen die Verbrennungskraftmaschine rein zum Antrieb eines Generators zum Aufladen der Batterie vorgesehen, ohne dass die Verbrennungskraftmaschine zum direkten (rein mechanischen) Antrieb (der Fortbewegung des Fahrzeuges) eingesetzt werden kann. Hierdurch wird die Reichweite des Fahrzeuges vergrößert. Bei Parallel-Hybridfahrzeugen erfolgt die Ladung der Batterie über den Elektromotor, der beim Antrieb des Fahrzeuges über die Verbrennungskraftmaschine als Generator schaltbar ist. Der Nachteil des Parallel-Hybridfahrzeuges ist insbesondere die verhältnismäßig geringe Batteriekapazität, da ein großer Teil des in einem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Raumes und Eigengewichtes bereits durch die verhältnismäßig große Verbrennungskraftmaschine, die vorgesehen ist zur Fortbewegung des Hybridfahrzeuges, beansprucht werden. Ein Parallel-Hybridfahrzeug ist also ein Fahrzeug, das gewünschtenfalls über kürzere Strecken (bis ca. 100 km) als Elektrofahrzeug fungieren kann, ansonsten aber als Fahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine konzipiert ist und überwiegend auch mit dieser eingesetzt wird.
  • Aus der EP 510 582 A2 ist bereits ein Hybridfahrzeug bekannt, das wahlweise von einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor antreibbar ist.
  • Dabei ist der Verbrennungsmotor dort zudem starr mit einem Generator verbunden, der eine angeschlossenen Batterie mit Strom versorgt, über die dann der Elektromotor betrieben werden kann. Diese Lösung weist jedoch den Nachteil auf, dass der Verbrennungsmotor nur alternativ in einem optimalen Bereich zum Antrieb des Elektromotors oder zum Antrieb des zusätzlichen Generators betrieben werden kann. Somit ist ein hinsichtlich der Abgasemission optimierter Betriebsbereich des Verbrennungsmotors bei gleichzeitigem Antrieb des Fahrzeuges oder des Elektromotors und des zusätzlichen Generators nicht möglich.
  • Aus der Schrift DE 36 20 362 A1 ist ein weiteres Hybridkonzept bekannt, bei dem jedoch kein direkter Antrieb des Fahrzeuges durch die Brennkraftmaschine möglich ist, so dass dieses Fahrzeug ein Beispiel für ein eingangs erläutertes Serien-Hybridfahrzeug darstellt, bei dem die Brennkraftmaschine lediglich einen Generator antreibt, über den dann ein mit dem Antriebsstrang des Fahrzeuges verbundener Elektromotor antreibbar ist.
  • Eine Übertragung der mechanischen Energie der Brennkraftmaschine über ein Getriebe auf die Antriebsräder des Fahrzeuges ist mit diesem Konzept nicht möglich.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antriebsstrang für ein Parallel-Hybridfahrzeug mit vergrößerter Reichweite im Elektrobetrieb bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst bei einem gattungsgemäßen Antriebsstrang mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
  • Die Verbrennungskraftmaschine ist in zwei Module teilbar, wobei ein erstes Modul vorgesehen ist zur Fortbewegung des Hybridfahrzeuges und ein zweites Modul entweder ebenfalls vorgesehen ist zur Fortbewegung des Hybridfahrzeuges oder zum Betreiben des Generators zum Aufladen der Batterie. Dies erlaubt, wie weiter unten geschildert, den universellen Einsatz der Verbrennungskraftmaschine in dem Hybridfahrzeug mit flexibler Anpassung der einzelnen Fahrzeugkomponenten an den jeweiligen Einsatz des Hybridfahrzeuges. Eine entsprechende Verbrennungskraftmaschine und eine Kurbelwellentrennung sind grundsätzlich aus der DE 27 53 480 C2 und DE 28 28 298 A1 bekannt.
  • Der erfindungsgemäße Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug ist grundsätzlich als Parallel-Hybridantrieb ausgelegt, enthält jedoch neben dem Elektromotor, der üblicherweise auch als Generator schaltbar ist , noch einen eigenständigen Generator, der also vom Elektromotor verschieden ist. Dieser eigenständige Generator ist optimiert zur Stromerzeugung und üblicherweise nicht vorgesehen zum Einsatz auch als Elektromotor (z. B. als Anlasser), sondern dient zum Aufladen der Batterie. Der Generator wird hierzu von zumindest einem Modul der Verbrennungskraftmaschine angetrieben. In dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang besteht somit gegenüber einem Parallel-Hybridantrieb die Möglichkeit, die Batterie, die zur Speisung des Elektromotors dient, über den Generator mit zumindest einem Modul der Verbrennungskraftmaschine zusätzlich zu laden. Dies wird ganz besonders vorteilhaft, wenn beim Ladevorgang der Batterie durch den Generator das ladende Modul der Verbrennungskraftmaschine nicht zur Fortbewegung des Hybridfahrzeuges eingesetzt wird. Hierzu sind Mittel zur Trennung des einen Moduls der Verbrennungskraftmaschine, das zum Antrieb des Generators dient, von der Fortbewegung vorgesehen, d. h. dass eine mechanische Trennung vom Antrieb vorgenommen wird. Diese Trennung erfolgt vorteilhaft mit einer Kurbelwellentrennung.
  • Insbesondere wenn ein Modul abgetrennt ist von der Fortbewegung und zum Aufladen der Batterie über den Generator dient, ist es vorteilhaft, wenn Mittel zum Betreiben des einen ladenden Moduls der Verbrennungskraftmaschine im Einpunktbetrieb vorgesehen sind. Der Einpunktbetrieb ist vorzugsweise ein Idealbetrieb hinsichtlich Wirkungsgrad und/oder Abgasverhalten. Für diesen Fall wird vorteilhaft eine Steuerung bereitgestellt, die das Modul der Verbrennungskraftmaschine hinsichtlich der Stromerzeugung mittels des Generators in einem günstigen Wirkungsgrad betreibt. Hierdurch wird erreicht, das während der Aufladung der Batterie über den Generator geringere Abgasmengen freigesetzt werden als bei einer Ladung der Batterie über den als Generator geschalteten Elektromotor. Gleichzeitig ist ein Antrieb des Hybridfahrzeuges mit dem Elektromotor analog dem Serien-Hybridantrieb möglich.
  • Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist es günstig, wenn die Verbrennungskraftmaschine von der Schwungmasse, die für den Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine notwendig ist, getrennt aufgebaut ist und diese Schwungmasse einerseits in dem Elektromotor und andererseits in dem Generator integriert ist bzw. als separate Baueinheit mit diesem verbunden ist.
  • Außerdem ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Generator und der Verbrennungskraftmaschine eine Kupplung angeordnet ist, wodurch beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine als Fortbewegungsmittel des Hybridfahrzeuges zum einen eine Trennung vom im Generator integrierten bzw. mit diesem verbundenen Schwungrades möglich ist und zum anderen eine leeres Mitlaufen des Generators vermieden wird.
    •
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher beschrieben.
  • Die Figur gibt schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs für ein Hybridfahrzeug wieder.
  • Eine Verbrennungskraftmaschine 1, die über Gemischaufbereiter 2a und 2b von einem Tank 3 gespeist wird, ist über eine erste Kupplung 4 mit einem Elektromotor 5 verbunden, der zum Erzeugen von Strom, insbesondere zum Aufladen einer Batterie 6 auch als Generator schaltbar ist. Der Elektromotor 5 enthält integriert eine Schwungmasse 7, die ausgelegt ist zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1. Über eine zweite Kupplung 8 ist der Elektromotor 5 verbindbar mit einem Getriebe 9, das auf eine Achse 10 wirkt. Zur Steuerung des Elektromotors 5 und zum Laden der Batterie ist ein Controller 11 vorgesehen.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist außerdem über eine dritte Kupplung 12 mit einem Schwungrad 13 und einem Generator 14 verbunden, wobei die Schwungmasse 13 und der Generator 14 analog dem Elektromotor 5 und der Schwungmasse 7 zusammengefasst sein können. Zudem ist die Verbrennungskraftmaschine 1 über eine Kurbelwellentrennung 15 in ein erstes Modul 16 und ein zweites Modul 17 teilbar. Der Generator 14 ist entweder a direkt oder b über den Controller 11 mit der Batterie 6 verbunden.
  • Zum Betrieb des Generators 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel nur das Modul 17 vorgesehen, das über den Gemischbildner 2a gespeist wird. Entsprechend kann das Schwungrad 13 verhältnismäßig klein (beispielsweise um 0,3 kgm2) und auf Betrieb mit dem zweiten Modul 17 im Einpunktbereich abgestimmt sein. Grundsätzlich kann der Generator 14 auch als Anlasser für das zweite Modul 17 und gewünschtenfalls auch für beide Module 16, 17 der Verbrennungskraftmaschine 1 dienen, da jedoch der Generator 14 vorzugsweise auf die Erzeugung von Strom optimiert ist, wird das erste Modul 16 und auch das zweite Modul 17 über den Elektromotor 5 angelassen. Hierzu ist die zweite Kupplung 8 außer Eingriff und die erste Kupplung 4 in Eingriff. Vorteilhaft ist auch die dritte Kupplung 12 außer Eingriff. Wenn nur das erste Modul 16 angelassen werden soll, ist vorzugsweise auch die Kurbelwellentrennung 15 außer Eingriff, zum Starten der beiden Module 16, 17 der Verbrennungskraftmaschine 1 oder auch nur des zweiten Moduls 17 ist vorzugsweise die Kurbelwellentrennung 15 in Eingriff. Wenn nur der Betrieb des zweiten Moduls 17 gewünscht ist, werden nach dem Anlassen der Verbrennungskraftmaschine 1 die erste Kupplung 4 und die Kurbelwellentrennung 15 außer Eingriff genommen, wodurch dem ersten Modul 16 die für den Betrieb erforderliche Schwungmasse des Schwungrades 7 fehlt und es entsprechend von selbst anhält. Gewünschtenfalls kann auch über den Gemischbildner 2b oder die Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine das erste Modul 16 angehalten werden.
  • Für die Verbrennungskraftmaschine 1 kommen grundsätzlich alle Motorensystem, die in Module aufteilbar sind, in Frage. Bei Zylindermotoren ist beispielsweise ein Aufteilung gemäß Tabelle I möglich.
  • Tabelle I
    Figure 00050001
  • Die unsymmetrische Aufteilung der letzten beiden Beispiele ist zwar in der Zündfolge schwierig, hat aber den Vorteil, dass ein Generator begrenzter Leistung, insbesondere für begrenzte Traktionsbatteriegrößen, günstig eingesetzt werden kann.
  • Mit einer Kurbelwellentrennung ergibt sich ein optimaler Einsatz der Motormodule und des Elektromotors gemäß Tabelle II. Tabelle II
    Motor Funktion
    a) Elektromotor kleine Last und Bremsenergierückspeicherung
    b) erstes Modul mittlere Last, insbesondere mit voller Zylinderfüllung
    c) erstes Modul + Elektromotor wie b), Bremsenergierückspeicherung, Batterieladen oder zusätzliche Elektrotraktion (Beschleunigen)
    d) erstes und zweites Modul volle Last und Leistung
    e) erstes und zweites Modul + Elektromotor wie d), Bremsenergierückspeicherung, Batterieladen oder zusätzliche Elektrotraktion (starkes Beschleunigen)
    f) zweites Modul + Generator Laden der Batterie, Notstromaggregat
    g) zweites Modul + Generator + Elektromotor wie a), Laden der Batterie mit zweitem Modul im Einpunktbetrieb während der Elektrotraktion
  • In Tabelle III ist eine Zuordnung der Komponentengrößen im Vergleich mit den bekannten Parallel- und Serien-Hybridantrieben wiedergegeben.
  • Figure 00070001
  • Beim Schubbetrieb werden die nicht benötigten Module 16 und 17 durch Außereingriffsetzen der ersten Kupplung 4 stillgesetzt.
  • Abgesehen von dem größeren Strukturaufwand einschließlich Regelaufwand bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang ergeben sich folgende Vorteile:
    • – sehr flexibler und angepasster Komponenteneinsatz;
    • – optimaler Einsatz der Verbrennungskraftmaschine über drei additiv einsetzbare Kennfelder (kleine, mittlere bzw. große Last);
    • – elektrisches Fahren und Laden gleichzeitig zu beliebiger Zeit;
    • – zweites Modul im Einpunktbetrieb mit guter Anpassung an die Batteriegröße und mit besonders niedrigen Emissionen;
    • – emissionsfreies oder besonders emissionsniedriges Fahren über längere Distanzen;
    • – Notstromaggregat.

Claims (5)

  1. Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (1), die vorgesehen ist für den Antrieb des Hybridfahrzeuges, einem Elektromotor (5), der ebenfalls vorgesehen ist für den Antrieb des Hybridfahrzeuges, einer Batterie (6) zur Speisung des Elektromotors (5), wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem vom Elektromotor (5) verschiedenen Generator (14) zum Aufladen der Batterie (6) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1) in zwei Module (16, 17) teilbar ist, und das eines der Module (17) getrennt vom anderen Modul (16) als Generatorantriebsmodul zum Aufladen der Batterie (6) einsetzbar ist.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (4, 15) zur Trennung zumindest eines Moduls (17) der Verbrennungskraftmaschine (1) vom Antrieb des Hybridfahrzeuges während des Aufladens der Batterie (6) über den Generator (14) vorgesehen sind.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (2a) zum Betreiben zumindest eines Moduls (17) der Verbrennungskraftmaschine (1) im Einpunktbetrieb während des Aufladens der Batterie (6) über den Generator (14) vorgesehen sind.
  4. Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Generator (14) und den Elektromotor (5) Schwungräder (13, 7) integriert sind, die mit den Modulen (16, 17) der Verbrennungskraftmaschine (1) korrespondieren.
  5. Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Generator (14) und der Verbrennungskraftmaschine (1) eine Kupplung (12) angeordnet ist.
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