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Hybrid drive system for road vehicles

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Publication number
WO1995013201A1
WO1995013201A1 PCT/CH1994/000213 CH9400213W WO9513201A1 WO 1995013201 A1 WO1995013201 A1 WO 1995013201A1 CH 9400213 W CH9400213 W CH 9400213W WO 9513201 A1 WO9513201 A1 WO 9513201A1
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WO
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Application
Patent type
Prior art keywords
drive
system
hybrid
directly
box
Prior art date
Application number
PCT/CH1994/000213
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Diego Jaggi
Original Assignee
Esoro Ag
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Abstract

The proposed hybrid drive system for road vehicles is provided with an electric motor (1) which is connected directly to the drive wheels (9) via a fixed reducing gear box (2). An internal combustion engine (3) can be coupled directly to the said reducing gear box (2) via a clutch (4). A system control unit (10) with input elements (6) facilitates various running modes and charging of the battery (15) during the journey. This proposed system is a particularly simple, lightweight and efficient hybrid drive.

Description

Hybrid-Antrieb für Strassenfahrzeuge Hybrid drive for road vehicles

Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Antrieb für Strassen¬ fahrzeuge mit einem Elektromotor und einem parallel geschalteten Verbrennungsmotor. The invention relates to a hybrid drive for vehicles Strassen¬ with an electric motor and a parallel-connected internal combustion engine. Bisher bekannte Hybrid- Antriebe weisen noch erhebliche Nachteile auf. Previously known hybrid drives have even more significant disadvantages. Sie sind vor allem sehr aufwendig, teuer und relativ schwer und dennoch von beschränkter Leistungsfähigkeit im Alltagsgebrauch. They are mainly very complicated, expensive and relatively difficult and yet of limited performance in everyday use. Serien-Hybrid-Systeme benötigen drei Maschinen: einen Verbrennungsmotor mit Generator zur Stromerzeugung und einen Elektromotor als Fahrmaschine, welche alle drei im wesentlichen auf die Nennleistung des Antriebs ausgelegt sein müssen und damit ein ausgesprochen schweres und teures System bilden. Series hybrid systems require three machines: an internal combustion engine with a generator to generate electricity, and an electric motor as a driving machine, which must be designed substantially to the rated power of the drive all three, thus forming an extremely heavy and expensive system. Die Leistungen von Elektromotor und Verbrennungsmotor können dabei nicht addiert werden. The services of electric motor and internal combustion engine can not be added. Bekannte Parallel-Hybrid-Antriebe andrerseits benötigen immer mindestens ein aufwendiges mehrstufiges Schaltgetriebe oder ein automatisches Getriebe mit Drehmomentwandler. Known parallel hybrid drives on the other hand always need at least a complicated multi-stage manual transmission or an automatic transmission with torque converter. Die elektrische Leistung ist zudem meist sehr eingeschränkt und oft nicht einmal ausreichend für rein elektrisches, abgas¬ freies Fahren in Agglomerationen. The electric power is also usually very limited and often not even sufficient for purely electric, abgas¬ free driving in urban areas.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der bekannten Hybrid-Systeme zu überwinden und einen Antrieb zu schaffen, welcher sich durch niedriges Systemgewicht, geringen Platzbedarf, einfachen Aufbau, niedrige Herstell- und Betriebskosten, hohen Wirkungsgrad und gute Leistung im ganzen Geschwindigkeitsbereich auszeichnet. The object of the present invention to overcome the disadvantages of the known hybrid systems and to provide a drive, which is characterized by low system weight, small footprint, simple structure, low manufacturing and operating costs, high efficiency and good performance throughout the speed range. Er soll sich insbesondere für Leichtbau-Fahrzeuge eignen und abgasfreies, rein elektrisches Fahren in Agglomerationen ermöglichen. He should be suitable in particular for lightweight vehicles and enable emission-free, electric driving in urban areas. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen Hybrid-Antrieb nach Anspruch 1. Durch den direkten mechanischen Anschluss einerseits des Elektromotors und andrerseits des Verbrennungsmotors auf das gemeinsame, einfache fixe Untersetzungsgetriebe und die Transmission kann die Leistung beider Motoren auf einfachste Art und mit grösstmöglichem Wirkungsgrad auf die Antriebsräder erfolgen. This object according to the invention is solved by a hybrid drive according to claim 1. Due to the direct mechanical connection of the one part of the electric motor and on the other of the engine to the common, simple fixed step-down gear and the transmission power of both motors can in the simplest way and with the highest possible efficiency on the drive wheels are. Die Systemsteuerung ermöglicht dabei den optimalen Einsatz jedes Motors einzeln und zusammengeschaltet, entsprechend der Fahrgeschwindigkeit und der momentan gewünschten Antriebsleistung. The system controller enables thereby the optimal use of each motor individually and connected together in accordance with the running speed and the currently required drive power. Mit diesem erfindungsgemässen Hybrid- Konzept kann mit relativ kleinen Elektro- und Verbrennungs¬ motoren und Fahrbatterien über den ganzen Fahrbereich ausreichend Leistung bereitgestellt werden bei entsprechend geringen Gewicht und Kosten. This novel hybrid concept can motors with relatively small electrical and Verbrennungs¬ and driving batteries over the entire operating range performance provided sufficient with correspondingly low weight and cost. Im mittleren Geschwindigkeits¬ bereich können die Batterien auch mit der Verbrennungsmotor Überschussleistung immer wieder nachgeladen werden. In the central area Geschwindigkeits¬ the batteries can be recharged again and again with the engine excess power. Damit kann die Reichweite für lange Oberlandfahrten im wesent¬ lichen durch den Verbrennungsmotorverbrauch und dessen Tankgrösse gegeben werden. Thus the range for long trips can Oberland issue in the wesent¬ by the engine consumption and the tank size are given. In diesem Hybrid-Konzept ergänzen sich die beiden Motoren optimal, indem ihre jeweiligen Stärken direkt zur Wirkung gebracht werden. In this hybrid concept, the two motors complement each other perfectly by their respective strengths are brought directly to the impact. Beide Motoren sind deshalb auch ungefähr gleich stark ausgelegt, dh es sind zwei im Prinzip gleichwertige Hauptantriebsmotoren und nicht ein Hauptmotor und ein Hilfsmotor. Both engines are therefore designed roughly equal, ie two basically equivalent main propulsion engines and not a main engine and an auxiliary engine. Der Elektromotor 1 übernimmt alle fahrdynamischen Aufgaben im hochdynamischen unteren Geschwindigkeitsbereich (Antreiben und rekuperatives Bremsen im Stadtgebiet) . The electric motor 1 takes on all dynamic driving tasks in highly dynamic lower speed range (driving and recuperative braking in urban). Damit werden die Möglichkeiten des Elektromotors, sehr gute Regelbarkeit, hoher Wirkungsgrad - auch im Teillastbereich -, optimal genutzt. So are the possibilities of the electric motor, excellent controllability, high efficiency - optimally - even in the partial load range. Der Verbren¬ nungsmotor ist im unteren Fahrgeschwindigkeitsbereich, im Stadtbereich, nicht aktiv. The Verbren¬ is voltage motor in the lower driving speed range, in the city area, not active. Im mittleren Geschwindigkeits¬ bereich wird der Verbrennungsmotor ebenfalls möglichst gleichmässig und in einem effizienten Betriebsbereich, oft im Vollastbereich, genutzt, zB bei schnelleren Bergfahrten. In the middle Geschwindigkeits¬ range, the engine is also evenly as possible and used in an efficient operating range, often in the full load, for example in rapid ascents. Im oberen Geschwindigkeitsbereich (Überland- strassen und auf Autobahnen) wird hauptsächlich der Verbrennungsmotor im Vollastbereich eingesetzt. In the upper speed range (intercity roads and motorways) of the internal combustion engine is mainly used in the full load.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung mit besonders günstigen Verhältnissen der beiden Motoren bezüglich Leistungen, Drehmomenten und Untersetzungsverhältnissen sowie mit weiteren Kombinationselementen. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention with particularly favorable conditions of the two motors with respect to services, torques and reduction ratios and with other combination elements. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert. The invention is explained in more detail below by means of examples and figures. Es zeigt: Fig. 1 einen erfindungsgemässen Hybrid-Antrieb mit It shows: Figure 1 shows an inventive hybrid drive.

Stillstandskupplung; Arrest clutch; Fig. 2 einen Leistungsverlauf von Elektromotor und Fig. 2 is a power profile of the electric motor and

Verbrennungsmotor in Funktion der Geschwindigkeit; Internal combustion engine in function of speed; Fig. 3 einen Leistungsverlauf bei einem zweistufigen Fig. 3 shows a performance curve for a two-stage

Hybrid-Antrieb; Hybrid drive; Fig. 4 einen Momentverlauf von Elektromotor und Fig. 4 is a torque characteristic of the electric motor and

Verbrennungsmotor in Funktion der Geschwindigkeit; Internal combustion engine in function of speed; Fig. 5 ein Beispiel mit unterschiedlichem Fig. 5 shows an example of different

UntersetzungsVerhältnis von Elektromotor und Reduction ratio of electric motor and

Verbrennungsmotor; Internal combustion engine; Fig. 6 ein Beispiel mit umschaltbarem zweistufigem Fig. 6 shows an example with two-stage switchable

Kettengetriebe; Chain transmission; Fig. 7 das Zusammenwirken beider Antriebe an einem Fig. 7 shows the interaction of the two drives on a

Fahrbeispiel. Driving example.

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemässen Hybrid- Antrieb mit einem Elektromotor 1, welcher mit einem fixen Untersetzungsgetriebe 2 verbunden ist. Fig. 1 shows schematically an inventive hybrid drive with an electric motor 1, which is connected to a fixed reduction gear unit 2. Ein Verbrennungsmotor 3 ist über eine Kupplung 4 direkt an eine Welle des fixen Untersetzungsgetriebes 2 einkuppelbar. An internal combustion engine 3 is engageable by a coupling 4 directly to a shaft of the fixed gear reducer. 2 Der Ausgang des Untersetzungsgetriebes führt über eine im Stillstand ein- und ausschaltbare Kupplung 5 auf eine Transmission 7, zB mit Differential und Halbwellen, welche die Antriebsleistung von beiden Motoren auf die Antriebsräder 9 überträgt. The output of the reduction gear via a one at a standstill and disengageable clutch 5 to a transmission 7, for example with differential and half-shafts, which transmits the drive power of the two motors to the drive wheels. 9 Die gesamte Leistungs- und Funktionssteuerung wird durch eine Systemsteuerung 10 ausgeführt, welche auch eine Elektro¬ motorsteuerung 16 und eine Verbrennungsmotorsteuerung 17 enthält. The overall performance and function control is performed by a system controller 10 which controls a motor Elektro¬ 16 and includes an engine control 17th Die Systemsteuerung 10 ist mit Elektromotor 1, Verbrennungsmotor 3, Kupplung 4, Batterie 15 und mit Eingabeelementen 6 verbunden, zB mit einem Gaspedal 31, einem Bremspedal 32 und einem Programmwählschalter 12. Durch die Systemsteuerung 10 ist der Elektromotor 1 auch als Generator zur Aufladung der Fahrbatterie 15 betreibbar. The system controller 10 is connected to electric motor 1, the internal combustion engine 3, the clutch 4, the battery 15 and with input elements 6, for example with an accelerator pedal 31, a brake pedal 32, and a program selector 12 by the system controller 10 of the electric motor 1 is also as a generator for charging the driving battery 15 operable. Dies einmal als Rekuperationsbremse, gesteuert über das Bremspedal 32, und auch im Fahrbetrieb, wenn der Verbrennungsmotor im optimalen Vollastbereich betrieben mehr Leistung abgibt als zum Fahren benötigt wird, kann mit der Überschussleistung über den Elektromotor die Batterie nachgeladen werden. This once again as a regenerative braking is controlled via the brake pedal 32, and also during driving, when the engine is operated in the optimum full-load range more outputs power than is needed for driving, can be reloaded with the excess power via the electric motor the battery. Anzeigegeräte 8 informieren über den Ladezustand der Batterie 15 und über Verbrauchs- und Betriebsdaten beider Motoren 1, 3. Mit einer zusätzlichen, im Stillstand schaltbaren Kupplung 5, zB in Form eines Verschieberitzels, kann die Transmission 7 vom Unter¬ setzungsgetriebe 2 getrennt werden. Display devices 8 information on the state of charge of the battery 15 and consumption and operating data of both motors 1, 3. With an additional, switchable at a standstill clutch 5, eg in the form of a sliding pinion, the transmission 7 may reducers from Unter¬ 2 are separated. Dann kann über einen Starterknopf 14 der Verbrennungsmotor mit dem Elektromotor als Anlasser gestartet werden, um anschliessend als Standgeneratormaschine mit dem Verbrennungsmotor über den Elektromotor die Batterie 15 aufzuladen. Then, as the starter can be started via a starter button 14 of the internal combustion engine with the electric motor to charge then as a stand generator machine with the engine via the electric motor, the battery 15th Dies als Reservelösung, falls einmal kein Netzanschluss für das Ladegerät 18 vorhanden ist (Betriebsmodus SL: Stillstand Laden) . This reserve solution, if even no network connection is available for the charger 18 (operating mode SL: stop shop).

Mit dem Programmvorwählschalter 12 werden zB folgende weitere, automatisch ablaufende Fahrprogramme eingestellt: With the Programmvorwählschalter 12, for example, the following additional, self-running travel programs are set:

Elektroantrieb Modus E: Rein elektrische Fahrt mit Rekuperationsfunktion als zusätzliches Bremssystem. Electric drive mode E: pure electric ride recuperation as an additional braking system. Der Verbrennungsmotor ist ausgeschaltet und ausgekuppelt. The combustion engine is switched off and disengaged.

Hybrid-Antrieb Modus H: Im unteren Geschwindigkeitsbereich wiederum rein elektrische Fahrt, bei Überschreiten einer einstellbaren Innerorts-Grenzgeschwindigkeit von zB 60 bis 65 km/h wird der Verbrennungsmotor 3 automatisch eingekuppelt und übernimmt die volle Fahrleistung, soweit seine Leistung dazu ausreicht. Hybrid drive mode H: In the lower speed range again purely electric drive, when an adjustable City consumption limit speed of, for example 60 to 65 km / h, the internal combustion engine 3 is automatically engaged and assumes full driving performance, in so far as its performance is sufficient to do so. Beide Motoren werden durch den Sollwertgeber (Gaspedal) 31 so angesteuert, dass insgesamt die gewünschte Gesamtleistung PSOLL erbracht wird. Both motors by the desired-value transmitter (accelerator) 31 driven so that a total of the desired total power PSOLL is provided. Ist die gewünschte Leistung PSOLL kleiner als die mögliche Vollastleistung PVM des Verbrennungsmotors bei dieser Geschwindigkeit, so wird der Verbrennungsmotor in Teillast betrieben. If the desired power PSOLL smaller than the possible full-load PVM the internal combustion engine at this speed, the engine is operated in partial load. Unter einer einstellbaren Minimalgeschwindigkeit VMIN von zB 45 bis 50 km/h wird der Verbrennungsmotor automatisch ausgekuppelt und nach einer kurzen Standby-Zeit von zB 10 bis 20 Sek. abgestellt. Under an adjustable minimum speed VMIN of, for example 45 to 50 km / h, the internal combustion engine is automatically disengaged and after a short standby time off of, for example 10 to 20 sec.. Bei Betätigung des Bremspedals 32 wird die Betriebsstoffzufuhr zum Verbren¬ nungsmotor abgestellt, und der Elektromotor geht als Rekuperationsbremse in den Generatorbetrieb über. Upon actuation of the brake pedal 32, the fuel supply to the Verbren¬ is turned off voltage motor, and the electric motor passes over into the generator operation as recuperation. Bei Umschalten vom Hybrid-Modus H in den Elektro-Modus E wird immer die Betriebsmittelzufuhr zum Verbrennungsmotor unterbrochen, ausgekuppelt und dieser ausgeschaltet. When switching from the hybrid mode H in the electric mode E, the equipment supply is always interrupted to the combustion engine, disengaged and off this.

Hybrid-Antrieb Laden Modus HL: Hier wird der Verbrennungs¬ motor nicht in Teillast betrieben, sondern falls die Vollastleistung PVM des Verbrennungsmotors grösser ist als die abgerufene Soll-Leistung PSOLL, wird immer die Überschussleistung zur Aufladung der Batterie eingesetzt, wie zB in Fig. 7 erläutert. Hybrid drive loading mode HL: Here the Verbrennungs¬ motor is not operated in partial load, but if the full-load PVM of the engine is greater than the retrieved target power PSOLL, the surplus power is always used for charging the battery, such as in Fig. 7 explained.

Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Verlauf der Vollast¬ leistungen P von Elektromotor (PE) und Verbrennungsmotor (PV) in Funktion der Geschwindigkeit V für einen Hybrid- Antrieb mit einer fixen Untersetzungsstufe. Fig. 2 shows an example of a course of the Vollast¬ powers P of the electric motor (PE) and internal combustion engine (PV) in function of the velocity V for a hybrid drive with a fixed reduction step. Die kurzzeitig abrufbare Maximalleistung bzw. Vollastleistung PEM des Elektromotors ist im unteren Geschwindigkeitsbereich mit 20 kW sehr hoch und sinkt erst im oberen Bereich etwas ab. The briefly callable maximum power and full-load PEM of the electric motor is very high in the lower speed range of 20 kW and drops only in the upper area somewhat. Die Dauerleistung PE von 9 kW ist bis zur Höchstgeschwindigkeit, hier 120 km/h, einsetzbar und kann über den ganzen Geschwin¬ digkeitsbereich, zB zum Überholen und an Steigungen, eingesetzt werden. The continuous power PE of 9 kW up to top speed, here 120 km / h, and can be used over the entire rate range Geschwin¬, eg for overtaking and on gradients used. Beim Verbrennungsmotor entspricht die Vollastleistung VM auch der Dauerleistung, welche ca. ab 60 km/h bis zu einem Höchstwert von zB 11 kW im Bereich der Höchstgeschwindigkeit ansteigt. When the full-load engine VM also corresponds to the continuous output power about 60 km / h to a maximum value of eg 11 kW increase in the speed limit. Die Kurve R zeigt den Leistungsbedarf für ebene Fahrt, dh den Fahrwiderstand. The curve R shows the power requirement for plane travel, ie the running resistance. Die Motoren sind hier so ausgelegt und übersetzt, dass der Elektromotor allein eine Steigfähigkeit von zB 20 25% bei voller Zuladung ermöglicht und dass der Verbrennungsmotor seine Maximalleistung im Bereich der Höchstgeschwindigkeit, entsprechend dem Fahrwiderstand R, abgibt. The motors are designed here and translates, the electric motor enables only a climbing ability of eg 20 25% at full load and that the engine its maximum performance in terms of maximum speed corresponding to the running resistance R, to write. Ausserorts, zB an Bergstrecken ab ca. 50 km/h können die Leistungen beider Motoren addiert gemäss Kurve PE + PVM eingesetzt werden. Outside Cities, for example on mountain roads from 50 km / h, the power of both engines can be added according to curve PE + PVM be used. Bei ebener Fahrt liegt der Leistungsbedarf R bei mittleren Geschwindigkeiten wesentlich tiefer als die Vollastleistung PVM des Verbrennungsmotors. When the power demand level stretch R is substantially lower than the full-load PVM of the engine at medium speeds. Die resultierende Differenz DP = PVM - R kann dann durch Betrieb des Elektromotors als Generator zum Nachladen der Batterie genutzt werden. The resulting difference DP = PVM - R can then be used as a generator to recharge the battery by operating the electric motor. Der Einsatzbereich EM, VM der beiden Motoren ist in der Figur ebenfalls dargestellt: für den Elektromotor EM von 0 bis 80 km/h und nach Bedarf auch bis zur Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h. The application area EM, VM of the two motors is also shown in the figure: for the electric motor EM from 0 to 80 km / h as required even up to the maximum speed of 120 km / h. Der Einsatzbereich des Verbrennungsmotors VM erstreckt sich normalerweise von 60 bis 120 km/h, bei Bedarf ab der Minimalgeschwindigkeit VMIN von zB 50 km/h. The application range of the engine VM normally extends from 60 to 120 km / h if necessary from the minimum speed VMIN of eg 50 km / h. Eine andere Leistungsauslegung zeigen die Kurven PEM2 und PVM2 mit einer höheren Leistung des Verbrennungsmotors gemäss Kurve PVM2 bis zu einem Höchstwert von 14 kW, welches auch eine höhere Maximalgeschwindigkeit von ca. 130 km/h ermöglicht, entsprechend dem höheren Fahrwiderstand R. Der Elektromotor weist gemäss Kurve PEM2 eine reduzierte Maximalleistung von zB 14 kW auf. Another performance design the curves P em2 and PVM2 with a higher power of the engine according to curve PVM2 up to a maximum of 14 kW, which also allows a higher maximum speed of about 130 km / h accordingly has the higher running resistance R. The electric motor according to curve P em2 a reduced maximum power from, for example, 14 kW. Dies entspricht einer Auslegung, bei der im unteren Geschwindigkeitsbereich geringere Beschleunigungs- und Steigleistungen erforderlich sind. This corresponds to a configuration in the lower acceleration and climbing performance required in the lower speed range. Dementsprechend kann auch die Batteriegrösse und deren Gewicht zB von 200 kg auf 120 kg reduziert werden. Accordingly, the battery size and weight thereof can be reduced, for example, of 200 kg to 120 kg.

Diese Motorauslegungen beziehen sich auf ein Leichtbau- Fahrzeug von zB 500 - 600 kg Leergewicht. This motor designs relate to a lightweight vehicle of, for example 500-600 kg tare weight.

Fig. 3 zeigt den Leistungsverlauf für ein Beispiel mit zwei umschaltbaren fixen Untersetzungsstufen 21, 22. Die Stufe 21 ist hier auf eine Maximalgeschwindigkeit von 80 km/h und die Stufe 22 auf eine Maximalgeschwindigkeit von 130 km/h ausgelegt. Fig. 3 shows the power curve for an example with two switchable fixed reduction stages 21, 22. The stage 21 is here at a maximum speed of 80 km / h, and designed the step 22 to a maximum speed of 130 km / h. Das Übersetzungsverhältnis beträgt damit 1.625. The transmission ratio amounts to 1,625. Im allgemeinen liegt das Untersetzungsverhältnis von erster zu zweiter Stufe zwischen 1.4 und 2 vorzugsweise im Bereich von 1.5 bis 1.7. In general, the reduction ratio of first to second stage is between 1.4 and 2, preferably in the range of 1.5 to 1.7. Damit wird eine höhere Steigfähigkeit bzw. Beschleunigung im unteren Geschwindigkeitsbereich durch den Elektromotor und im mittleren Geschwindigkeitsbereich bis 80 km/h durch den Verbrennungsmotor erreicht. Thus a higher climbing ability and acceleration at lower speeds by the electric motor and in the medium speed region to 80 km / h achieved by the internal combustion engine. Ebenso wird die mögliche Nachladeleistung DP = PVM - R erhöht. Similarly, the possible charging power DP = PVM is - R increases. Mit einer solchen Zweistufenversion wird eine grössere Überlappung der Haupteinsatzbereiche EM, VM beider Motoren erreicht und VMIN reduziert. With such a two-stage version of a greater overlap of the main areas of application EM, VM is achieved both motors and VMIN reduced.

Fig. 4 zeigt den Momentverlauf M in Funktion der Geschwindigkeit für eine fixe Untersetzungsstufe. Fig. 4 shows the torque curve M as a function of speed for a fixed reduction step. Das Dauermoment ME mit Relativwert 1.0 und das kurzzeitig einsetzbare Maximalmoment MEM mit Maximalmoment-2.0 des Elektromotors sind vom Stillstand an sehr hoch und fallen ab ca. 30 km/h entsprechend der Leistungskurve von Fig. 2 mit steigender Geschwindigkeit V ab. The continuous torque ME with relative value 1.0 and briefly applicable maximum torque MEM with maximum torque 2.0 of the electric motor from standstill to very high and fall off approximately 30 km / h corresponding to the power curve of FIG. 2 with increasing speed V from. Umgekehrt verläuft die Vollastmoment-Kurve MVM des Verbrennungsmotors, zB von 50 bis 120 km/h steigend bis zu einem Maximalwert von hier 0.8 und dann fallend. Conversely, the curve Vollastmoment MVM of the engine, for example, extends from 50 to 120 km / h ascending up to a maximum value of 0.8 and then decreasing here. Das einsetzbare addierte Dauermoment MVM + ME beider Motoren ergibt, ergänzt durch das hohe maximale Moment MEM des Elektromotors im untersten Bereich, hohe Werte über den ganzen Geschwindigkeitsbereich mit Reserve für Steigungen und zum Überholen. The insertable added Continuous torque MVM + ME both engines results, supplemented by the high maximum torque MEM of the electric motor in the lowest range, high values ​​over the entire speed range with reserve for gradients and to overtake. Andere Auslegungsbeispiele zeigen die Kurven MEM2 und MEM3. Other design examples show the curves MEM 2 and MEM 3. Für Anwendungen vor allem in ebenen Gebieten kann das Maximalmoment mit zB Relativ¬ wert 1.5 gemäss Kurve MEM2 kleiner gewählt sein, während eine Anwendung, die hohe Steigfähigkeit und Beschleunigung erfordert, auf einen Maximalwert von zB 2.5 gemäss Kurve MEM3 ausgelegt ist. For applications mainly in flat areas with the maximum torque eg Relativ¬ may be worth 1.5 according to curve MEM2 selected smaller while an application, the high climbing ability and acceleration requires, is designed for a maximum value of 2.5, for example according to curve MEM 3. Die Kurve MVM 0.8 illustriert ein Beispiel, in dem eine Drehzahluntersetzung zwischen Elektromotor und Verbrennungsmotor von zB 1 : 0.8 vorgesehen ist, so dass bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h der Elektromotor zB 10'000 U/min und der Verbren¬ nungsmotor 8'000 U/min erreicht. The curve MVM 0.8 illustrates an example in which a speed reduction between the electric motor and internal combustion engine of, for example 1: provided 0.8, so that, for a speed of 120 km / h, the electric motor, for example, 10,000 U / min and the Verbren¬ voltage motor 8 ' 000 U / min achieved. Durch die kürzere Untersetzung wird das auf die Elektromotorachse bezogene maximale Moment des Verbrennungsmotors auf 1.0 erhöht (wie in Fig. 5) . Due to the shorter the reduction related to the electric motor axis maximum torque of the engine is increased to 1.0 (as in Fig. 5).

Fig. 5 zeigt ein solches Beispiel mit einem Stirnrad- Untersetzungsgetriebe 26, wo zwischen Elektromotor-Welle 27 und gemeinsamer Welle 28 eine Untersetzung von zB i = 0.8 vorliegt. Fig. 5 shows such an example with a spur gear reducer 26 where between the electric motor shaft 27 and common shaft 28 there is a gear reduction of i = 0.8, for example. Der Verbrennungsmotor 3 ist über eine elastische Koppelung 29 und über eine elektromagnetische Kupplung 4 mit der Welle 28 verbunden. The internal combustion engine 3 is connected via a flexible coupling 29 and through an electromagnetic clutch 4 with the shaft 28th Untersetzungsgetriebe 26 mit Kupplung 4 und Elektromotor 1 bilden eine kompakte Einheit. Reduction gear 26 with clutch 4 and the electric motor 1 form a compact unit.

Als weitere Variante ist hier ein zusätzlicher kleiner, leichter und kostengünstiger Generator 20 fest mit der Motorwelle 28 des Verbrennungsmotors 3 verbunden. As a further variant, an additional small here, lighter and less expensive generator 20 fixed to the motor shaft 28 of the engine. 3 (Diese Variante ist auch in Figur 1 dargestellt.) Der Generator kann auch auf der anderen Seite zwischen Kupplung 4 und Motor 3 angebracht sein. (This variation is also shown in FIG. 1) The generator may also be mounted on the other side between the clutch 4 and the motor. 3 Damit wirkt diese Kombination als zusätzlicher kleiner Serie-Hybrid-Antrieb. Thus, this combination acts as an additional small series hybrid drive. Bei offener Kupplung 4 kann so der Verbrennungsmotor unabhängig vom Elektromotor laufen und den Generator 20 antreiben. With open clutch 4 so the engine can be run independently from the electric motor and drive the generator 20th So ist es auch bei niedrigen Geschwindigkeiten von zB 0 - 50 km/h, wo der Verbrennungsmotor nicht zur Traktion eingesetzt wird, möglich, mit dem Verbrennungsmotor über den Generator Strom zu erzeugen zum Nachladen der Batterien bzw. direkt zur Speisung des Elektromotors 1. Zur Illustration dieser weiteren möglichen Betriebsart ist in Figur 2 die Horizon¬ tale PGM mit einer Leistung von zB 4 kW eingezeichnet. Thus, it is even at low speeds of, for example 0 - 50 km / where the engine is not used for traction h, possible to the combustion engine via the generator to produce electricity for recharging the batteries, or directly to the supply of the electric motor 1. In order to Illustration of these further possible mode of operation is shown in Figure 2, the PGM Horizon¬ tale with an output of 4 kW, for example. Dies entspricht einem Bruchteil der maximalen Verbrennungs¬ motorleistung PVM, wobei das Leistungsverhältnis von Generator zu Verbrennungsmotor PGM / PVM vorzugsweise zwischen 0.2 und 0.5 liegt. This corresponds to a fraction of the maximum engine power Verbrennungs¬ PVM, wherein the duty ratio of the generator to the internal combustion engine PGM / PVM is preferably between 0.2 and 0.5. Damit kann also im Bedarfsfall im sehr niedrigen Geschwindigkeitsbereich praktisch eine Reichweite erzielt werden, welche nur durch den Tankinhalt begrenzt ist. So therefore may, if necessary, in the very low speed range practically a range can be achieved, which is limited only by the tank contents.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei fixen Untersetzungsstufen 21, 22. Dieses Getriebe wird gebildet von zwei permanenten Kettentrieben 24 mit je zwei Zahn¬ kränzen. Fig. 6 shows an embodiment with two fixed reduction stages 21, 22. This transmission is formed by two permanent chain drives 24 rings with two toothed. Die Kraftschluss-Umschaltung zwischen den beiden Kettenstufen 21, 22 erfolgt über eine elektromagnetische Umschaltkupplung 23 auf der Elektromotorwelle 27. Die Abtriebswelle 30 trägt einen Freilauf 35 des langsameren Kettentriebes 21. Anstelle des Freilaufs könnte auch eine elektromagnetische Kupplung auf der Abtriebswelle 30 eingesetzt sein. The power circuit-switching between the two chain stages 21, 22 via an electromagnetic switching 23 on the electric motor shaft 27. The output shaft 30 carrying a freewheel 35 of the slower chain drive 21. Instead of the freewheel could also be an electromagnetic clutch on the output shaft 30 may be used. Die Zahnkränze sind leicht und fein abgestuft auswechselbar, so dass die Untersetzungen 21, 22 optimal auf den gewünschten Haupteinsatzbereich eines Fahrzeugs ausgelegt werden können. The sprockets are easily and finely graded interchangeable, so that the reduction gears 21, 22 can be adapted to the desired main application area of ​​a vehicle optimal.

Fig. 7 illustriert das optimal kombinierte Zusammenwirken beider Motoren an einem Fahrbeispiel, gefahren ausserorts im Modus HL = Hybrid - Laden. Fig. 7 illustrates the optimal combined interaction of the two motors on a driving example, driven on the highway mode HL = Hybrid - store. Die Kurve PVM zeigt die der gefahrenen Geschwindigkeit entsprechende Vollastleistung des Verbrennungsmotors in Funktion der Fahrzeit. The curve shows the corresponding PVM the driving speed full-load of the engine as a function of travel time. PVM verläuft hier ungefähr proportional zur Geschwindigkeit. PVM runs approximately proportional to the velocity here. Die Kurve PSOLL entspricht dem mittels Gaspedal 31 vorgegebenen gewünschten Leistungs-Sollwert. The curve PSOLL corresponds to the predetermined accelerator pedal 31 by means of desired power set value. Im ersten Teil der Fahrt bis Tl wird eine höhere Leistung verlangt, als der Verbrennungs¬ motor bei dieser Geschwindigkeit abgeben kann: PSOLL > PVM, zB an einer Steigung. In the first part of the drive to Tl higher performance is required than the Verbrennungs¬ engine can deliver at this speed: PSOLL> PVM, for example, on a slope. In einer anschliessenden Gefäll¬ strecke bis T2 ist PSOLL = O, der Verbrennungsmotor läuft jedoch weiter und lädt über den Elektromotor die Energie F2- in die Batterie. In a subsequent Gefäll¬ distance until T2 is PSOLL = O, but the engine continues to run and load on the electric motor, the energy F2 in the battery. Bei T2 wird eine hohe Leistung PSOLL zum Überholen und Beschleunigen verlangt: Fläche F3+. At T2, a high power is required PSOLL for overtaking and acceleration: area F3 +. Ab T3 wird zB im Modus H nur noch mit dem VM gefahren, solange PSOLL < PVM ist. From T3, for example, will only run in the mode H to the VM as long PSOLL <PVM is. Die Energien F1+ und F3+ werden also der Batterie 15 entnommen, während die Energie F2- zurückgespiesen wird (additive und subtraktive Schaltung der beiden Motoren) . The energies and F1 + F3 + So the battery 15 is removed while the energy F2 is zurückgespiesen (additive and subtractive circuit of the two motors). Dies wird mittels einer Kapazitätsanzeige der Batterie überwacht, so dass immer ein angestrebter ausreichender Ladezustand der Batterie erhalten bleibt (bis zur nächsten Netzaufladung) . This is monitored by means of a capacity indicator of the battery, so that always an intended sufficient charge state of the battery is maintained (until the next charging network). Ein optimiertes, den Ladezustand und die Charakteristik der Batterie berücksichtigendes Batterie¬ management kann ins Steuerprogramm 11 integriert sein. An optimized, the charging status and the characteristic of the battery considered forming Batterie¬ management can be integrated into the control program. 11 Bei genügendem Ladezustand der Batterie kann im Modus H, dh ohne Nachladen der Fläche F2-, gefahren werden. When a sufficient charge state of the battery in the H mode can, ie without reloading of the area F2, driven. Die Motorensteuerung kann auch direkt manuell beeinflusst werden, zB durch Ein- und Ausschalten des Verbrennungs¬ motors bei T2 bzw. Tl. (Wahl einer Betriebsart M = manuell) The motor control can also be affected directly manually, for example by switching on and off of the motor at Verbrennungs¬ T2 and Tl. (Selection of a mode M = manual)

Ein wesentlicher Vorteil des erfinderischen Hybrid-Konzepts liegt auch darin, dass der Verbrennungsmotor, entgegen den bisher bekannten Parallel-Hybrid-Antrieben zum Anfahren und im unteren Geschwindigkeitsbereich bis VMIN, nicht einge¬ setzt wird. A significant advantage of the inventive hybrid concept is also that of the internal combustion engine is not einge¬ contrary to the previously known parallel hybrid drives for start-up and at lower speeds to VMIN is located. Der Verbrennungsmotor kann damit entsprechend optimal auf seinen beschränkten Einsatzbereich ausgelegt sein. The combustion engine can thus be designed to best meet his limited field of application. Dies ist auf besonders effiziente Art zB mit einem einfachen, kostengünstigen und leichten Zweitaktmotor möglich. This is possible in a particularly efficient way for example with a simple, inexpensive and lightweight two-stroke engine. Es sind generell neben Otto- und Dieselmotoren, aber auch andere Verbrennungsmotoren wie Stirlingmaschinen oder Gasturbinen einsetzbar - da der Verbrennungsmotor nur langsam veränderlichen Lastwechseln folgen muss. There are generally alongside petrol and diesel engines as well as other internal combustion engines such as Stirling engines or gas turbines used - since the engine only slowly varying load changes must follow. Das neue Hybrid-Konzept ergibt insgesamt einen leistungsfähigen und effizienten, einfachen, leichten, kompakten und vor allem kostengünstigen Antrieb. The new hybrid concept for a total of a powerful, efficient, simple, lightweight, compact and above all cost-effective drive.

Claims

Patentansprüche claims
1. Hybrid-Antrieb für Strassenfahrzeuge mit einem Elektromotor (1) und einem parallel geschalteten Verbrennungsmotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) über ein fixes Untersetzungsgetriebe (2), welches höchstens zwei umschaltbare Untersetzungsstufen (21, 22) aufweist, mit den Antriebsrädern (9) direkt verbindbar ist, und dass der Verbrennungsmotor (3) über eine Kupplung (4) direkt an eine Welle des fixen Untersetzungsgetriebes (2) einkuppelbar ist, mit einer Transmission (7) vom Ausgang des Untersetzungsgetriebes (2) zu den Antriebsrädern (9) und mit einer Systemsteuerung (10), welche mit Elektromotor (1), mit Verbrennungsmotor (3), mit Kupplung (4) und mit Eingabe¬ elementen (6) verbunden ist, und dass der Elektromotor durch die Systemsteuerung (10) als Generator zur Aufladung einer Fahrbatterie (15) betreibbar ist. 1. Hybrid drive for road vehicles having an electric motor (1) and a parallel-connected internal combustion engine (3), characterized in that the electric motor (1) via a fixed reduction gear (2), which at most two switchable reduction stages (21, 22) , with the drive wheels (9) is directly connectable, and in that the internal combustion engine (3) via a coupling (4) directly to a shaft of the fixed reduction gear (2) is engageable with a transmission (7) from the output of the reduction gear (2) to the drive wheels (9) and with a system controller (10) connected to the electric motor (1) with a combustion engine (3), with coupling (4) and elements with Eingabe¬ (6) is connected, and that the electric motor by the system controller (10) is operable as a generator for charging a traction battery (15).
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Maximalleistungen von Elektromotor zu Verbrennungsmotor PEM / PVM zwischen 1 und 1.8 liegt. 2. Drive according to claim 1, characterized in that the ratio of the maximum power of the electric motor to the internal combustion engine PEM / PVM between 1 and 1.8 is located.
3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Momente von Elektromotor zu Verbrennungsmotor MEM / MVM bezogen auf eine gemeinsame Abtriebswelle zwischen 1.5 und 3 liegt 3. Drive according to claim 1, characterized in that the ratio of maximum moments of the electric motor to the internal combustion engine MEM / MVM is based on a common output shaft between 1.5 and 3
4. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsverhältnis von Verbrennungsmotor zu Elektromotor bezogen auf eine gemeinsame Abtriebswelle zwischen 0.7 und 1 liegt. 4. Drive according to claim 1, characterized in that the reduction ratio of the internal combustion engine to the electric motor based on a common output shaft is between 0.7 and. 1
5. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Transmission (7) und Untersetzungsgetriebe (2) eine weitere, im Stillstand schaltbare Kupplung (5) vorgesehen ist. 5. Drive according to claim 1, characterized in that between the transmission (7) and reduction gear (2) comprises a further switchable at a standstill clutch (5) is provided.
6. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingabeelemente (6) mindestens ein Gaspedal (31), ein Bremspedal (32) und ein Betriebswahlschalter (12) vorgesehen sind. 6. The drive according to claim 1, characterized in that as input elements (6) at least an accelerator pedal (31), a brake pedal (32) and a mode switch (12) are provided.
7. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemsteuerung (10) ein Steuerprogramm (11) zugeordnet ist, mit welchem -über einen Wählschalter (12) verschiedene Betriebsarten (E, H, HL) einstellbar sind. 7. The drive according to claim 1, characterized in that the system controller (10) is associated with a control program (11) with which -over a selector switch (12) different operating modes (E, H, HL) are adjustable.
8. Antrieb nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Steuerprogramm mit einer Betriebsart E für reinen Elektro- antrieb und eine Betriebsart H für Hybridantrieb. 8. The drive according to claim 7, characterized by a control program with a mode E drive for pure electric and a mode H for hybrid drive.
9. Antrieb nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Betriebsart HL bei der der Verbrennungsmotor sowohl die Fahrleistung als auch eine Überschussleistung (DP) abgibt, mit welcher der Elektromotor als Generator betrieben wird. 9. Drive according to claim 7, characterized by a mode HL in which the combustion engine emits both the driving performance and a surplus power (DP), with which the electric motor is operated as a generator.
10. Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zweitaktmotor als Verbrennungsmotor .(3) dessen Brennstoff¬ zufuhr durch die Systemsteuerung (10) gesteuert ist. 10. The drive according to claim 1, characterized by a two-stroke engine as an internal combustion engine. (3) whose Brennstoff¬ feed by the system controller (10) is controlled.
11. Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Asynchronmotor als Elektromotor (1) . 11. The drive according to claim 1, characterized by an induction motor as an electric motor (1).
12. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (2) nur eine fixe Untersetzungs¬ stufe (21) aufweist. having 12. Drive according to claim 1, characterized in that the reduction gear (2) only a fixed stage Untersetzungs¬ (21).
13. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (2) zwei, über die Systemsteuerung (10) umschaltbare fixe Untersetzungsstufen (21, 22) aufweist. 13. The drive according to claim 1, characterized in that the reduction gear (2) two, via the system controller (10) switchable fixed reduction stages (21, 22).
14. Antrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsverhältnis der zwei Stufen (21, 22) zuein¬ ander zwischen 1.4 und 1.8 liegt. 14. The drive according to claim 13, characterized in that the reduction ratio of the two stages (21, 22) is located an zuein¬ between 1.4 and 1.8.
15. Antrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierung beim Umschalten von einer zur anderen Untersetzungsstufe (21, 22) durch Steuerung des Elektro¬ motors über die Systemsteuerung (10) erfolgt. via the system controller (10) is performed 15. The drive according to claim 13, characterized in that the synchronization when switching from one to the other reduction stage (21, 22) motors by controlling the Elektro¬.
16. Antrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stufen je dauernd im Eingriff stehen und dass der Kraftfluss mittels einer Kupplung (23) von einer Stufe (21) auf die andere Stufe (22) umschaltbar ist. 16. Drive according to claim 13, characterized in that both stages are each in meshing and that the flow of force by means of a clutch (23) from one stage (21) on the other stage (22) is switchable.
17. Antrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung manuell wählbar oder programmgesteuert automatisch ausführbar ist. 17. Drive according to claim 13, characterized in that the changeover is manually selectable or programmatically automatically executed.
18. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (28) des Verbrennungsmotors (3) ein zusätzlicher kleiner Generator (20) angeordnet ist. 18. Drive according to claim 1, characterized in that on the shaft (28) of the internal combustion engine (3) an additional small generator (20) is arranged.
19. Antrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (20) auch als Anlasser für den Verbrennungs¬ motor einsetzbar ist. 19. Drive according to claim 18, characterized in that the generator (20) is motor used as a starter for the Verbrennungs¬.
20. Antrieb nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Maximalleistungen von Generator (20) zu Verbrennungsmotor (3) PGM : PVM zwischen 0.2 und 0.5 liegt. 20. Drive according to claim 18, characterized in that the ratio of the maximum power of the generator (20) to the internal combustion engine (3) PGM: PVM is between 0.2 and 0.5.
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