DE8602144U1

DE8602144U1 - Elektromaschinen-Gyro-Hybridantrieb für KFZ

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Publication number: DE8602144U1
Application number: DE8602144U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-01-29
Filing date: 1986-01-29
Publication date: 1992-10-29
Anticipated expiration: 1996-01-30

Claims

Ualter Schopf

Saalburgstr. 3o
637o Gberursel

f ürKFZ

Der Erfindungsgegenstand betrifft einen Fahrwerksantrieb für KFZ, vorzugsweise für einen kleinen Aktionsradius und Betriebseinsätze mit relativ/ häufig wechselnden Treib- und Bremsphasen, uie z. B. bei Bussen für den Stadtbetrieb, Post-Zustell- und Sammelfahrzeugen, Taxis etc.

Unter vorgenannten Einsatzfällen wird ein großer Teil der gesamten Antriebsenergie wieder als Bremsenergie vernichtet. Eine wesentliche Energieeinsparung wird bekannterweise erreicht, wenn die Bremsenergie gespeichert und wieder dem Fahrwerksantrieb zugeführt wird. Dieses Verfahren ist in letzten 3ahren durch Forschungsinstitute und Industrie - wesentliche Anstrengungen sind auch durch BMfT-Mittel forciert worden - gründlich erforscht und entwickelt worden. So beträgt z. B. bei Stadtbussen die durch Bremsen wieder vernichtete Antriebsenergie bis zu 4o %. Bei regenerativer wiederverwendung dieser Bremsenergie können 1o - 3o % der Treibstoffkosten eingespart werden.

Ein wesentliches Problem der regenerativen Bremsenergie-Uiederverwendung besteht nicht nur in verlustbehafteter Speicherung selbst, sondern auch in Transformation oder Übertragungsverlusten vom Fahrwerk zum Speicher und zurück. Meist wird bei den verschiedenen Forschungs- und Studienobjekten die als mechanische

Energie anfallende Bremsenergie zur Übertragung und Speicherung in verschiedene andere Energieformen, wie z. B. hydr. Druckenergie, elektrische Energie oder wieder in kinetische Energie umgewandelt und dies noch einmal zurück zum Zuecke des Antreibens. Abgesehen v/on den dafür erforderlichen konstruktiv/ aufuendigen Hilfseinrichtungen, leidet die Effektivität des Energietransportes bei solchen Transformationen stark. Eine wesentliche Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, den Energieverlust beim Energietransfer Fahruerk-Speicher-Fahruerk und den konstruktiven Aufwand möglichst klein zu halten.

Im Rahmen der Bemühungen nach verbesserten alternativen Antriebsformen steht auch das Bestreben nach abgas- und geräuschemissionsärmeren Konzeptionen im Vordergrund, dem besonders der Einsatz elektrischer Fahrzeugantriebe gerecht wird. Da der Einsatz solcher Antriebskonzeptionen wegen seines eingeschränkten Aktionsradius für den innerstädtischen Einsatz prädestiniert ist, erscheint es aus Effektivitätsgründen zwingend geboten, die Bremsenergierückgewinnung mit ihren eingangs angeführten Worteilen in das· Antriebskonzept mit einzubeziehen. Erfolgt die Bremsenergiespeicherung auf rein elektrischer Basis, d.h. mittels des eigentlichen Antriebssystems, wirken sich folgende bekannte nachteilige Effekte aus:

Durch spontane Laststöße, wie sie im KFZ-Einsatz und ganz besonders bei Bremsenergie-Rückgewinnungseinrichtungen vorkommen,

- leidet und vermindert sich die Ladekapazität und Lebensdauer der Batterien,

— 3 —

- Antriebsmaschine, Batterien souie Stell- und Steuerorgane müssen auf die maximalen Spitzenleistungen ausgelegt werden, uas einen großen Bauaufwand bedingt.

Uerden weitere, andere Energiespeichersysteme eingesetzt, bedarf es zusätzlichen Aufwandes an Übertragungselementen, Geräten, Energiespeichern usw., was besonders für kleinere Fahrzeugkonzeptionen eine ökonomisch nicht vertretbare Lösung darstellt.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Elektromotor-KFZ-Antriebskonzeption mit Bremsenergie-Rückgewinnung bei geringem Bauaufwand. Die Lösung besteht in den in den Ansprüchen und Beschreibungen angeführten Merkmalen. Die Worteile bestehen im wesentlichen darin:

- es sind keine wesentlichen zusätzlichen Aggregate zur Energiespeicherung und Transformation erforderlich; _&bgr; . , ,

- der Speicher, d. h. die^vAusbildung des obligaten Antriebsmotors erfordert einen verhältnismäßig geringen Mehraufwand;

- elegante, einfache und vor allem effektive Energietransformation zwischen Fahrwerk und Speicher mittels stufenlosem Getriebe;

- stufenloses Getriebe stellt wegen seines hyperbolischen M,-n-Uandlungscharakters ein ideales Anpassungsglied für den KFZ-Antrieb dar;

- die elektrischen Einrichtungen werden von Spitzenbelastungen verschont, sowohl Anfahr- und insbesondere Brems-Belastungen können weitgehend durch kinetische Energie abgedeckt und die elektrischen Einrichtungen schwacher ausgelegt werden;

- durch die Bremsenergie-Rückgewinnung kann generell die Batterie kleiner ausgelegt, oder der Aktionsradius des Fahrzeuges vergrößert werden.

Schematische_Ausführungsbeisgiele

Fig» 1: Elektroantrieb für KFZ mit Zusatzschwungmasse und einem stufenlosen Getriebe .

Fig&ldquor; 2: Elektroantrieb mit besonders effektiv ausgebildeter Motor.- schwungmasse.

Fig. 3: Elektroantrieb mit einer die Elektromaschine topf.förmig umschließenden Schwungmasse.

Fig. 4: Elektroantrieb, bestehend aus einer Elektromaschine mit vergrößerter Schwungmasse, einem Nullregelüberlagerungsgetriebe und einer zweiten Elektromaschine mit hochdynamischem Betriebsverhalten.

Fig. 5: Elektroantrieb mit einer Elektromaschine mit erhöhter Schwungmasse, einer nachgeschalteten Kombination aus stufenlosem Getriebe und einem Planetengetriebe zur Fahrtrichtungsumkehr.

Fig. 6: Elektromaschine mit einer über ein Planetengetriebe zugeordneten Schwungmasse.

Beschreibungen zu schematischen Ausführungsbeispielen

Zu Fig. 7

Die Elektromaschine mit einer als Gyrospeicher dienenden Schwungmasse 2 oder einer erhöhten eigenen Rotationsmasse steht über die Schaltkupplung 3 , einem stufenlosen Getriebe 4 und einer nachgeschalteten Kupplung 5 , welche als Anfahrkupplung auch zur Fahrtrichtungsumkehr geeignet ist, mit dem KFZ-Fahrwerk 6 in Verbindung. Eine nicht dargestellte, z. B. wie in Fig. -5 aufgeführte oder ähnl ich -arbeitende Steuer- und Regeleinrichtung sorgt für eine belastungsgerechte Motorleistung. Sinnvoll dabei ist, die Motorleistung einerseits in einem günstigen Kennlinienbereich zu betreiben, andererseits das Drehzahl Spektrum auch auf Energiespeicherkiterien abzustimmen. Die Fahrgeschwindigkeit wird hauptsächlich durch das stufenlose Getriebe 4 variiert. Angefahren und reversiert wird durch die Anfahr- und Wendekupplung 5 . Bei Fahrtunterbrechung ist es zwecks Verminderung von LeerlaufVerlusten vorteilhaft, mittels Kupplung 3 den Gyrospeicher vom Antriebspfad zu trennen. Durch zweckentsprechendes Variieren der Übersetzung des stufenlosen Getriebes 4 wird ein Energietransfer zwischen Fahrwerk und Gyrospeicher bewirkt. Somit kann auf einfache Weise kinetische Energie des Fahrzeuges in den Gyrospeicher und umgekehrt -.somit den alleinigen Einrichtungen des Hauptantriebes - transformiert werden. Zusätzlich kann auch Bremsenergie durch generatorisehen Betrieb der Elektromaschine 1 in die Batterie gespeist werden.

Zu Fig. 2:

Eie Elektromaschine 1 ist zur Erzielung eines hohen Schwungmomentes als Trommelläufer ausgebildet, d. h. die

inneren Pole stehen fest, die äußeren rotieren. Damit lässt sich die Schwungmasse von Elektromaschinen auf ein Mehrfaches gegenüber herkömmlichen Ausführungen steigern.

Zu Fig. 3:

Die Elektromaschine weist eine topfförmige, das Elektroschminengehäuse mindestens teilweise umschließende Schwungmasse 8 auf. Sie ist bevorzugt aus Festigkeitsgründen aus Verbundwerkstoff ausgeführt. Durch diese Schwungradform lässt sich gewichts- und raummäßig ein Optimum an Schwunmoment unterbringen.

Zu Fig. 4:

Die Elektromaschine 1 mit ihrer als Gyrospeicher dienenden Schwungmasse 2 und der nachgeschalteten Kupplung 3 steht über dem als Doppelplanetengetriebe 9 mit Leistungsverzweigung über Übertragungspfad 1o

sa ntri'ek,

mit dem Fahrwerk" 6 in Verbindung. Die Getriebeauslegung ist vorteilhafterweise so abgestimmt, daß bei einem relativ engen Betriebsdrehzahlbereich des Antriebsmotors 1 und Gyrospeicheri 2 und b ei einem relativ großen Betriebsdrehzahlbereich eines zweiten Kraftpfades \]durcA einem elastischen, massearmen Elektromotor 12 das Fahrgeschwindigkeitsspektrum des Fahrwerkes 6 bestritten wird. Während an Elektromaschine 12 hauptsächlich elektrische Energie zu oder abgeführt wird, kann in Elektromaschine 1 und Gyrospeicher 2 Energie in elektrischer und kinetischer Form eingespeist und ge-

m &agr; ß 5 txibtitoen

speichert werden. Bei vorliegenden'Planetenverhältnissen wird leistungsmäßig Elektromaschine 12 meist nur ein Bruchteil der (Haupt-)Maschine 1 , 2 abverlangt, so daß &zgr;. B. bei Bremsaktionen der größte spontan anfallende Energieanteil in kinetischer Form transformiert und gespeichert werden kann.

Iu Fi₉. S

Die Elektromaschine 1 und ihre als Gyrospeicher dienende Zusatzmasse 2 und der im Kraftpfad angeordnete Schaltkupplung 3 steht mit Fahrwerk 6 über das stufenlose Getriebe 4 in Verbindung. D/e stufenlos^ Getriebe 16 , 17 bildet mit nachgeschaltetem Planetendoppelgetriebe 13 und den Schaltkupplungen 14 , 15 ein NuI1regelgetriebe &eegr;&eegr;&iacgr; erweitertem Regelbereich. Dadurch kann bei relativ kleinem Elektromaschinen-Gyrospeicher-Betriebsdrehzah1spektrum ein relativ großer Fahrgeschwindigkeitsbereich, einschließlich Rückwärts-Betriebsphasen, bestritten werden. Leistungs- und Funktionsweise der Elektromaschine 1 die die Regelaktivitäten des Getrieb es 16, 17 werden vorteilhafterweise von einer zentralen Steuer- und Regeleinrichtung 18 gesteuert. Hierzu gehören auch verschiedene Istwert erfassende Sensoren 2o , 21 , 22 , 23 . Deren Arbeitsweise können sowohl als auch Verbrauchs- oder leistungsoptimierende Kriterien und bzw. oder Speicher-Ladezustände zu Grunde liegen. Bei Bremsvorgängen wird die elektrische Leistung des Antriebes 1 weitgehend zurückgenommen, die anfallende Energie wird hauptsächlich dem Gyrospeicher 2 überlassen bzw. nach einem vorbestimmten Programm je nach Füllungsgrad des Speichers aufgeteilt. Bei spontanen Beschleunigungsvorgängen erfolgt d fQ/ViVfr/ra/jrV'iö weitgehend -&&$ durch Gyrospeicher 2. Die gewünschte Fahrgeschwindigkeit wird durch mdivid&^ e((e Betätigung des Gaspedals 29 durch den Fahrer über den Sensor 3o an die Steuerung 18 vermittelt. Signalgabe für spontane Bremsmanöver erfolgt mittels

Bremspedals 31 über Sensor 32 an die Steuerung 18 . Damit bei nicht vollem Gyrospeicher 2 oder erforderlichen Notbremsungen die Bremsfunktion ausreichend sichergestellt ist, werden nach überschreiten eines vorbestimmten Bremspedalweges die Radbremsen 35 in Betrieb gesetzt.

Ualter Schqpf

Saalburgstr. 3o
637o Gberursel

fürKFZ

Ansprüche:

1. Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einer Elektro-Kraftmaschine und einer Energiespeichereinrichtung, in welcher Bremsenergie souQhl gespeichert als auch uieder dem Fahruerksantrieb zugeführt u/erden kann, dadurch gekennzeichnet, daß

die Kraftmaschine eine als Motor und Generator betreibbare Elektromaschine 1 ist und zwischen dieser und dem Fahrwerksantrieb 6 sich ein stufenloses Getriebe befindet, ferner die Elektromaschine 1 eine das Übliche überschreitende Schuungmasse aufweist oder direkt daran eine Zusatzmasse 2 angeordnet ist, wobei die Summe der Schwungmassen dieser Elektromaschinen-Gyrospeicherkombination 1^2 so groß ist, daß mindestens die Bremsenergie die beim Abbremsen des Fahrzeuges aus dem oberen Fahrgeschwindigkeitsbereich anfällt oder zum Anfahren aus dem Stillstand und Beschleunigen bis zu einer mittleren Fahrgeschwindigkeit erforderlich ist, gespeichert werden kann.

- 2-
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnnet, daß

die Elektromaschine 1 mit einem hochtourigen Läufer ausgestattet ist, der eine entsprechend große oder bzw. und zusätzliche Schwungmasse aufweist.
3. Hybridantrieb nach Ans -;pruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Elektromaschine 1 als Trommelläufer ausgebildet ist, d. h. die äußeren Polpaare 7 rotieren und die üblicherweise die Uelle umschließenden inneren Polpaare feststehen.
4. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Elektromaschine 1 oder ein Teil dauon &ugr;&ogr;&eegr; einer topfförmigen, wellenfesten Schwungmasse B umschlossen wird.
5. Hybridantrieb nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die topfförmige Schwungmasse 8 aus Verbundwerkstoff hergestellt ist, wobei die die im wesentlichen aus Metall bestehende topfförmige Schwungmasse außen mit einer hochfesten Faser niedrigeren spezifischen Gewichtes bandagiert ist.
6. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

zu der, eine den Hauptanteil der Antriebsleistung übernehmenden Elektromaschinen-Gyrokombination 1, 2 über ein Überlagerungsgetriebe 9 an dessen

— 3 —

drittem Kraftpfad 11 eine weitere Elektromaschine

12 mit vorzugsweise niedrigem Schwungmoment und elastisch-dynamischem Funktionsverhalten angeordnet ist und das Funktionsverhalten bzw. die Auslegung des vorzugsweise als Doppelplanetengetriebe ausgeführten Überlagerungsgetriebes 9 derart ist, daß mittels Drehzahlvariation und -umkehr der Elektromaschine 12 bei. relativ geringen Drehzahländerungen am Hauptantrieb 1/2 (innerhalb seines Betriebsdrehzahlbereiches) die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, einschließlich Reversierbewegungen innerhalb seines Betriebsgeschwindigkeitsbereiches bewirkt wird.
7. Hybridantrieb nach Anspruch 1 bis 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß

das im Übertragungspfad zwischen der Elektromaschinen-Gyrospeicherkombination 1/2 angeordnete stufenlose Getriebe 4 ein Kegelscheibenumschlingungsgetriebe ist.
8. Hybridantrieb nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Antriebsbasis Elektromaschina 1 - Gyrospeicher 2 direkt anschließend im Kraftpfad zum Fahrwerk eine Schaltkupplung 3 angeordnet ist.
9. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

dem zwischen der Elektromaschinen-Gyrospeicherkombination 1/2 und dem Fahrwerksantrieb 6 angeordneten Getriebe 4 ein Planetengetriebe'

13 so zugeordnet und ausgelegt ist, daß der Werstellbereich dieser Übertragungsstrecke 4/13 erweitert und Drehrichtungsumkehr er-

reicht wird, um bei jedem Drehzahlbetriebspunkt
der Elektromaschinen-Gyrospeicherkombination 1/2 das volle Fahrgeschuindigkeitsspektrum abzudecken.

1o. Hybridantrieb nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß

zur Funktions- und Leistungssteuerung der Elektromaschine 1 und zum Verstellen des stufenlosen
Getriebes 4 , womit die Fahrgeschwindigkeit und der Energietransfer zwischen Gyrospeicher 1/2
und Fahrwerk 6 bewirkt wird und sonstige , die Funktion beeinflussende Elemente, wie z. B.
Kupplungen 9, 14, 15 eine Steuer-und Regeleinrichtung 18 zugeordnet ist, sowie zweckentsprechende Istwert erfassende Sensoren z. B. 2o ,

Wcbri

21 , 22 , 23 , 3o , 32 , angeordnet sind, die
Steuer- und Regeleinrichtung 18 folgende
Funktionsmerkmale aufweist:

- in statischen Betriebszustähden wird die Drehzahl der Elektromaschine 1 weitgehend in
einem optimalen Kennwertegebiet betrieben,
unter Berücksichtigung ausreichender Speicherreseruen und -kapazitäten des Gyrospeichers 2;

Aufnahme- und Entladefunktionen"der Gyrospeicherkombination 1/2 werden von seinem momentanen Ladezustand bestimmt;

dynamische, d. h. spontane Leistungsspitzen
sowohl für den Antrieb als auch bei Bremsenergie-Rückspeisung werden vorrangig und hauptsächlich durch die Speicherenergie abgedeckt
bzw. in diesen rückgeführt

während intermittierender oder periodischer Arbeitsweise des Antriebsmotors 1 wird das dabei sich verändernde Drehzahlniveau der Elektromaschinen-Gyrospeicherkombination 1/2 durch automatisches zueckentsprechendes Werregeln des stufenlosen Getriebes 4 oder des zweiten Elektromotors 12 kompensiert.

die Fahrgeschwindigkeit ist von der manuellen Betätigung des Gaspedals 29 oder von einer sonstigen, vorbestimmbaren Sollwerteinstellung abhängig.