WO1997015979A1

WO1997015979A1 - Hybridantrieb

Info

Publication number: WO1997015979A1
Application number: PCT/DE1996/001547
Authority: WO
Inventors: Helmut Espenschied
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1996-08-21
Publication date: 1997-05-01
Also published as: DE19539571A1; JPH11513878A; EP0857371A1; DE19539571C2; KR19990067017A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine, deren Antriebsleistung auf eine Antriebsachse des Fahrzeuges übertragbar ist. Es ist vorgesehen, daß die Brennkraftmaschine (12) und die Elektromaschine (14) mittels eines elektrodynamischen Wandlers (34) gekoppelt sind.

Description

Hybridantrieb

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Hybridantriebe für Fahrzeuge sind bekannt. Diese wei¬ sen eine Brennkraftmaschine und eine Elektromaschine auf, mittels denen wahlweise eine Antriebsachse des Fahrzeuges antreibbar ist. Ziel dieser Hybridantriebe ist es, durch die Kombination einer Brennkraftmaschi¬ ne und einer Elektromaschine den Antrieb des Fahr¬ zeuges effektiver, insbesondere Schadstoffärmer, zu gestalten. So soll bei einer relativ geringen Be¬ anspruchung des Antriebes, beispielsweise im Stadt¬ verkehr, das Fahrzeug ausschließlich mit der Elektro¬ maschine betrieben werden, während bei einer höheren Beanspruchung, beispielsweise bei Autobahnfahrten oder Bewältigung von Anstiegen, durch ein Zuschalten der Brennkraftmaschine das Antriebsverhalten verbes- sert wird. Hierzu sind Anordnungen bekannt, bei denen die Brennkraftmaschine und die Elektromaschine paral¬ lel oder seriell angeordnet sind und diese mechanisch mit einem Getriebe verbunden sind. Eine derartige Anordnung zeigt beispielsweise die DE-PS 29 43 554. Hierbei ist nachteilig, daß die Brennkraftmaschine und die Elektromaschine über mechanische Trennkupp¬ lungen in bzw. außer Eingriff gebracht werden müssen. Neben den mit den Kupplungen verbundenen Nachteilen des nicht ruckfreien Verbindens der Antriebsmaschinen ist ein weiterer Nachteil, daß bei der Kopplung der Brennkraftmaschine mit der Elektromaschine eine Dreh¬ momentaddition erfolgt. Die für den Antrieb eines Fahrzeuges notwendige Drehzahländerung geht bei der Drehmomentaddition unter, so daß die mit den be¬ kannten Hybridantrieben ausgestatteten Fahrzeuge nur eine mangelnde Effektivität und einen eingeschränkten Fahrkomfort aufweisen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Hybridantrieb mit den im An¬ spruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß der Fahrkomfort des Fahrzeuges wesent¬ lich verbessert ist. Dadurch, daß die Brennkraft¬ maschine und die Elektromaschine mittels eines elek¬ trodynamischen Wandlers gekoppelt sind, ist es vor¬ teilhaft möglich, die Brennkraftmaschine und die Elektromaschine in einer Kaskaden-Anordnung anzuord¬ nen, die ohne verschleißanfällige und Rucke produ¬ zierende mechanische Kupplungen auskommt. Der die Brennkraftmaschine und die Elektromaschine koppelnde elektrodynamische Wandler arbeitet im wesentlichen verschleißfrei, geräuschlos und unmittelbar, das heißt, ohne zeitliche Verzögerungen, so daß das An¬ triebsverhalten des Fahrzeuges sehr effektiv beein¬ flußbar ist. Ein entscheidender Vorteil des neuar¬ tigen Hybridantriebes besteht darin, daß anstelle einer Drehmomentaddition eine Drehzahlkopplung er¬ folgt, wobei mittels der Elektromaschine eine Dreh¬ zahladdition oder eine Drehzahlabsenkung zu der Dreh¬ zahl der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Hierdurch kann die Brennkraftmaschine sehr vorteilhaft ständig mit einer Drehzahl ihres größten Wirkungsgrades ge¬ fahren werden, so daß eine Variation der Antriebs¬ drehzahl ausschließlich mittels der Elektromaschine erfolgt . Durch die Summierung der Drehzahlen der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine ist ein höheres Ausfahren von Gängen eines Getriebes möglich, so daß während des Fahrens des Fahrzeuges die Anzahl der Schaltvorgänge drastisch reduziert werden kann. Darüber hinaus kann durch das höhere Ausfahren der Gänge insgesamt ein Getriebe eingesetzt werden, daß mit relativ wenig, vorzugsweise drei Gangstufen aus¬ kommt. Hierdurch ergibt sich eine Gewichtseinsparung, des Getriebes, die sich auf den Kraftstoffverbrauch des gesamten Fahrzeuges positiv auswirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs¬ beispiel an Hand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Anordnung eines Hybridantriebes;

Figur 2 eine stark vereinfachte Darstellung des Antriebes eines Fahrzeuges;

Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen elektrodynamischen Wandler;

Figur 4 eine schematische Ansicht eines Getriebes des Hybridantriebes und

Figur 5 ein Geschwindigkeitsdiagramm des Hybridantriebes .

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt einen schematisch dargestellten Hybrid¬ antrieb 10 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug. Der Hybridantrieb 10 besitzt eine Brennkraftmaschine, im weiteren Verbrennungsmotor 12, sowie eine Elektro¬ maschine, im weiteren Elektromotor 14. Dem Verbren¬ nungsmotor 12 ist eine schaltbare Sperre 13 zuge¬ ordnet, über die der Verbrennungsmotor arretierbar ist. Der Elektromotor 14 ist als Drehstrom-Asynchron¬ motor ausgebildet. Ein sogenannter Primärrotor 16 des Elektromotors 14 ist drehfest auf einer Antriebswelle 18 des Verbrennungsmotors angeordnet. Zur Spannungs¬ versorgung des Primärrotors 16 sind hier angedeutete Schleifringe 20 vorgesehen. Der Elektromotor 14 besitzt weiterhin einen sogenannten Sekundärrotor 22, der zu dem Primärrotor 16 axial beweglich gelagert ist. Der Sekundärrotor 22 iεt drehfest auf einer Antriebswelle 18' angeordnet, die unabhängig von der Antriebswelle 18 drehbar gelagert ist. Der Primärro¬ tor 16 und der Sekundärrotor 22 sind über eine Über- brückungskupplung 24, die mit einer hier angedeuteten Kupplungsfeder 26 betätigbar ist, mechanisch verbind¬ bar. Mittels der Überbrückungskupplung 24 erfolgt so¬ mit eine mechanische Kopplung des Primärrotors 16 mit dem Sekundärrotor 22. Die Antriebswelle 18' greift in ein Automatikgetriebe 28 ein, das über hier lediglich angedeutete Stellantriebe 30 betätigbar ist. Das Automatikgetriebe 28 weist eine Abtriebswelle 32 auf, mittels der die Antriebsenergie des Hybridantriebes 10 auf die Antriebsachse des Kraftfahrzeuges über¬ tragen wird. Das hier schematisch dargestellte Auto¬ matikgetriebe 28 bildet gemeinsam mit dem Elektro¬ motor 14 eine als elektrodynamischer Wandler 34 be¬ zeichnete Triebstrangeinheit 36.

In der Figur 2 ist schematisch die gesamte Antriebs¬ anlage eines Kraftfahrzeuges dargestellt, deren Hauptbestandteil der Hybridantrieb 10 gemäß Figur 1 ist. Gleiche Teile wie in Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Der Figur 2 ist zu entnehmen, daß die Abtriebswelle 32 über ein Umsetzgetriebe 38 an eine angetriebene Fahrzeugachse 40 angreift. Weiterhin ist eine Kraft- fahrzeugbatterie 42 vorgesehen, die einen Dreiphasen- Wechselrichter 44 speist. Eine nicht dargestellte Kraftfahrzeugbatterie zur Bordnetzversorgung des Kraftfahrzeuges ist über einen hier nicht detailliert dargestellten Drehstrom-Generator 46 in bekannter Weise aufladbar. Der Drehstrom-Generator 46 ist Be¬ standteil des elektrodynamischen Wandlers 34. Wei¬ terhin ist ein elektronisches Steuergerät 48 ange¬ ordnet, das über hier nicht näher bezeichnete Steuer¬ leitungen mit dem elektrodynamischen Wandler 34, dem Wechselrichter 44, einem Geschwindigkeitssensor 50 an der Fahrzeugachse 40, einem Motordrehzahlsensor 52 an dem Hybridantrieb 10, einem Gaspedal 54 mit Kick- down- und Kick-up-Funktion sowie einem Bremspedal 56 verbunden ist.

In der Figur 3 ist eine schematische Schnittdar¬ stellung durch den elektrodynamischen Wandler 34 gezeigt. Erläutert werden hierbei lediglich die Hauptbestandteile des elektrodynamischen Wandlers 34, wobei klar ist, daß zum Aufbau mechanische Ver¬ bindungen, elektrische Kontaktierungen, Lager usw. gehören. Auf deren konkreten Aufbau bzw. deren An¬ ordnung soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung jedoch nicht näher eingegangen werden.

Der elektrodynamische Wandler 34 weist innerhalb eines Gehäuses 56 den auf der Antriebswelle 18 ge¬ lagerten Primärrotor 16 auf. Der Primärrotor 16 wird von dem axial verschieblich gelagerten Sekundärrotor 22 umgriffen. In das Gehäuse 56 integriert ist der Drehstromgenerator 46, wobei klar ist, daß dessen rotierende Klauenpole auf der Antriebswelle 18 ge¬ lagert sind, und dessen Statorpaket in das Gehäuse 56 integriert ist. Weiterhin weist der elektrodynamische Wandler 34 das als Dreigang-Planetengetriebe bevor¬ zugt nach Ravigneaux aufgebaute Automatikgetriebe 28 auf. Dem Automatikgetriebe 28 ist eine erste Getrie¬ bebremse Bl und eine zweite Getriebebremse B2 zu¬ geordnet. Weiterhin ist eine über den Stellantrieb 30 betätigbare Kupplungsmuffe 58, eine Parksperre 60 so¬ wie eine Kupplungsfeder 26 der Uberbrückungskupplung 24 zur Kopplung des Primärrotors 16 mit dem Sekundär¬ rotor 22 im nicht erregten Zustand angedeutet. Ein¬ gangsseitig greift in den elektrodynamischen Wandler 34 mit der Antriebswelle 18 der Verbrennungsmotor 12 ein. Ausgangsseitig ist die Abtriebswelle 32 aus das Gehäuse 56 herausgeführt.

Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Hybridantrieb 10 übt folgende Funktionen aus:

Durch die Anordnung des Verbrennungsmotors 12 und des Elektromotors 14 in einer Kaskadenanordnung über den elektrodynamischen Wandler 34 mit dem nachgeschalte¬ ten Vollautomatikgetriebe 28 sind insgesamt eine Vielzahl von Antriebsfunktionen für das Kraftfahrzeug in einfacher Weise realisierbar. Über den elektrody¬ namischen Wandler 34 können Mehrfachfunktionen für den Hybridantrieb 10 realisiert werden. Bei über die schaltbare Sperre 13 arretiertem Verbrennungsmotor 12 arbeitet der elektrodynamische Wandler 34 als Dreh¬ strom-Asynchronantrieb auf die Antriebswelle 18' . Der Dreiphasen-Wechselrichter 44 stellt hierbei die Energie für einen Vorwärts- bzw. Rückwärtsbetrieb des Elektromotors 14 bereit. Über den Wechselrichter 44 kann bekanntermaßen für einen Drehstrom-Asynchron¬ antrieb die Drehzahl des Elektromotors 14 stufenlos geregelt werden. Durch die Möglichkeit, den Elektro¬ motor 14 sowohl vorwärts als auch rückwärts zu be¬ treiben, kann in dem zugehörigen Automatikgetriebe 28 auf die Anordnung eines Rückwärtsganges mit zuge¬ höriger Kupplung und Bremse verzichtet werden. Das Getriebe 28 wird somit insgesamt einfacher und leichter aufgebaut.

Bei einer weiteren Betriebsart des Hybridantriebes 10 kann der elektrodynamische Wandler 34 mit seiner Elektromaschine 14 die Funktion eines Anlassers für den Verbrennungsmotor 12 übernehmen. Hierbei sind das Anlassen des Verbrennungsmotors 12 aus dem Stand und das Anlassen bei Fahrt zu unterscheiden. Beim Anlas¬ sen aus dem Stand muß die Antriebswelle 18' und die Antriebswelle 32 im Automatikgetriebe 28 blockiert sein. Durch das Schließen der bereits im Automatik¬ getriebe 28 vorhandenen Bremsen Bl und B2 wird die Blockierung erreicht. Sekundärrotor 22 und das Fahr¬ zeug werden standfest verbunden. Mit der für den An¬ laßvorgang nötigen Erregerfrequenz wird der Elektro¬ motor 14 gespeist, und der Primärrotor 16 dreht sich. Für einen Sanftanlauf des Verbrennungsmotors 12 und zur Erleichterung des Anlaßvorgangs erfolgt eine kurze Wegnahme der Kompression des Verbrennungsmotors 12. Eine Wegnahme der Kompression kann beispielsweise durch einen schaltbaren Anschlag an den Auslaßven¬ tilen des Verbrennungsmotors 12 realisiert werden. Mit dem Anspringen des Verbrennungsmotors 12 wird ein Lastwechsel signalisiert, und die Wechselrichter¬ frequenz wird gegenläufig zum Verbrennungsmotor 12 geschaltet, so daß Leerlauf entsteht. Nach Lüften der Bremse B2 im Automatikgetriebe 28 ist mit Bl der 1. Gang definiert und die gegenläufige Wechselrichter¬ frequenz wird auf Null verzögert zurückgenommen. Die Dauer des Anfahrvorganges erfolgt dann nach der Art des Durchtretens des Gaspedals. Mit der bei Null an¬ gekommenen Wechselrichterfrequenz entfällt die Er¬ regung des Primärrotors 16, und die Uberbrückungs¬ kupplung 24 schaltet sich dadurch selbsttätig ein. Der Anhaltevorgang mit Leerlauf kann mit gleichen Mitteln erfolgen.

Soll bei einem mittels des Elektromotors 14 ange¬ triebnen, fahrenden Fahrzeug der Verbrennungsmotor 12 angelassen werden, wird die durch den Wechselrichter 44 erzeugte Frequenz reduziert, um die kinetische Energie des Fahrzeuges für den Anlaßvorgang mitheran¬ ziehen zu können. Dazu wird die Sperre 13 aufgehoben, und der Primärrotor 16 treibt über die Welle 18 den Verbrennungsmotor 12 für den Anlaßvorgang an. Soll der Verbrennungsmotor 12 alleine weiterlaufen, dann wird Gleichlauf zwischen Primärrotor 16 und Sekundär¬ rotor 22 hergestellt, der Wechselrichter wird abge¬ schaltet, und die Uberbrückungskupplung 24 schaltet sich automatisch ein. Sollen der Verbrennungsmotor 12 und der Elektromotor 14 gemeinsam weiterlaufen, wird die Drehzahl des Elektromotors 14 und des Verben- nungsmotors 12 der gewünschten Fahrtgeschwindigkeit angepaßt. Rückführungen in vorhergehende Konstel¬ lationen erfolgen in entsprechender Weise vornehmlich mit Unterstützung durch den Elektromotor 14.

Bei einem mit dem Verbrennungsmotor 12 angetriebenen Fahrzeug kann der Elektromotor 14 zugeschaltet wer¬ den, indem über den Wechselrichter 44 eine An¬ steuerung des Elektromotors 14 derart erfolgt, daß dieser in gleicher Drehrichtung wie die Antriebswelle 18 des Verbrennungsmotors 12 dreht. Hierdurch findet eine Addition der Drehzahlen des Verbrennungsmotors 12 und des Elektromotors 14 statt. Durch eine stufen¬ lose Regelung der Drehzahl des Elektromotors 14 über den Wechselrichter 44 kann die Abtriebswelle 32 mit einer variablen Drehzahl betrieben werden. Der Ver¬ brennungsmotor 12 kann hierbei ständig mit einer Drehzahl betrieben werden, bei der dessen größter Wirkungsgrad eintritt. Die Änderung der Drehzahl der Abtriebswelle 32 erfolgt hierbei ausschließlich durch eine Regelung der Drehzahl des Elektromotors 14. So sind bei konstanter Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 an der Abtriebswelle 32 Drehzahlen erreichbar, die beispielsweise über der Maximaldrehzahl des Verbren¬ nungsmotors 12 liegen. Durch eine entsprechende An¬ steuerung des Elektromotors 14 kann die Drehzahl der Antriebswelle 18 auch verringert werden, so daß eine Nutzbremsung an der Abtriebswelle 32 erfolgt. Die von dem Verbrennungsmotor 12 bereitgestellte konstante Drehzahl kann somit verringert werden. Soll das Fahrzeug ausschließlich über den Verbren¬ nungsmotor 12 angetrieben werden, kann der Erreger¬ strom für den Elektromotor 14 abgeschaltet werden. Für diesen Fall wird über die Uberbrückungskupplung 24 der Primärrotor 16 mit dem Sekundärrotor 22 über¬ brückt, so daß die Antriebswelle 18 des Verbrennungs¬ motors 12 schlupffrei mit der Antriebswelle 18' und somit mit dem Getriebe 28 und der Abtriebswelle 32 verbunden werden kann. Die Uberbrückungskupplung 24 ist hierbei mittels der Kupplungsfeder 26 betätigbar und als mechanisch synchronisierende, vorzugsweise formschlüssige Kupplung ausgebildet. Durch die somit stattfindende Überbrückung des Elektromotors 14 ist beispielsweise ein An- bzw. Abschleppen des Fahr¬ zeuges problemlos möglich.

Soll während des Fahrens des Fahrzeuges in dem Ge¬ triebe 28 ein Gangwechsel erfolgen, erfolgt eine Syn¬ chronisierung zur Überbrückung der Gangsprünge mit Hilfe des Elektromotors 14. Hierzu wird der Elektro¬ motor 14 über den Wechselrichter 44 beim Umschalt¬ vorgang von einem Gang in einen anderen Gang gezielt in einen Freilauf geschaltet. Dies ist sowohl bei Hoch- als auch Rückschaltvorgängen möglich. Diese Synchronisierung arbeitet vorteilhafterweise ohne Verschleiß der Schaltelemente der Kupplung 58, der Bremse 1 oder Bremse 2 und sichert einen ruckfreien Schaltübergang. Durch das synchronisierte Schalten wird ein drehmomentabhängiger Steuerdruck der heuti¬ gen Getriebeautomaten vermieden, so daß die Verwen¬ dung einer formschlüssigen Kupplung hier möglich ist. Darüber hinaus ist bei dem Automatikgetriebe 28 die Verwendung teurer Spezialautomatiköle nicht notwen¬ dig.

Während des Betriebes des Hybridantriebes 10 wird das Klauenpolrad des Drehstromgenerators 46 für das Bordnetz über die Antriebswelle 18 mit angetrieben, so daß auf die zusätzliche Anordnung eines eigenen Lagers und von Antriebsmitteln, beispielsweiεe Keil¬ riemen oder ähnliches, verzichtet werden kann. Der Stator des Drehstromgenerators 46 ist gleichzeitig in das Gesamtgehäuse 56 des elektrodynamischen Wandlers 34 integriert. Mittelε deε Drehstromgenerators 46 kann in bekannter Weise eine Bordnetzbatterie für eine elektrisch bzw. elektronisch betriebene Ausstat¬ tung des Kraftfahrzeuges geladen werden. Die Bord¬ netzbatterie ist hierbei zusätzlich zu der Kraft¬ fahrzeugbatterie 42 vorgesehen, die für den Antrieb des Elektromotors 14 dient.

Insgesamt ist mit dem elektrodynamischen Wandler 34 eine sehr kompakte Einheit geschaffen, die aus den einzelnen Bestandteilen, wie dem Elektromotor 14, dem Drehstromgenerator 46 und dem Automatikgetriebe 28 separat montiert werden kann. Der elektrodynamische Wandler 34 kann somit als Kompletteinheit bei der Kraftfahrzeugmontage mit dem Verbrennungsmotor 12 gekoppelt werden.

Ein weiterer Vorteil des elektrodynamischen Wandlers 34 besteht darin, daß dieser bei einem lediglich über den Verbrennungsmotor 12 angetriebenen Fahrzeug als Generator geschaltet werden kann, und somit ein selbsttätiges Aufladen der Kraftfahrzeugbatterie 42 erfolgen kann. Somit kann die Einsatzdauer des Elektromotorteiles des gesamten Hybridantriebes ohne Zwischenaufladen mit der Kraftfahrzeugbatterie 42 wesentlich verlängert werden.

Durch die Kaskadenanordnung des Verbrennungsmotors 12 und des Elektromotors 14 kann das Automatikgetriebe 28 auf einen minimalen Aufbau beschränkt werden. Die einzelnen Gänge des Getriebes 28 können - wie bereits erwähnt - durch die Drehzahladdition des Verbren- nungεmotorε 12 und des Elektromotors 14 höher ausge¬ fahren werden, so daß für ein durchschnittliches Kraftfahrzeug ein dreistufiges Planetengetriebe ohne Rückwärtsgang ausreichend ist. Ein Schaltschema des in dem elektrodynamischen Wandler 34 eingesetzten Automatikgetriebes 28 ist zur Verdeutlichung in Figur 4 gezeigt .

Mittels der in Figur 2 beispielhaft gezeigten Sensoren 50 bzw. 52, des Steuergerätes 48 sowie des Gaspedals 54 und des Bremspedals 56 kann ein äußerer Eingriff in den Hybridantrieb 10 zur Erreichung eines bestimmten gewünschten Antriebes des Kraftfahrzeuges erfolgen. Der wesentliche Eingriff erfolgt über das Gaspedal 54 zum Abrufen einer gewünschten Fahr¬ leistung. Bei der Bereitstellung der gewünschten Fahrleistung aus dem Verbrennungsmotor 12 und dem Elektromotor 14 wird die Drehzahl des Verbrennungsmo¬ tors 12 mit der Stellung des Gaspedals 54 vorzugs¬ weise drehzahlgeregelt . Das Drehmoment des Verbren- nungεmotorε 12 stellt sich hierbei nach dem über das Steuergerät 48 fest vorgegebenen Motormanagement ein, das durch die gewünschte Leistungshöhe vorgegeben wurde und sich durch die vorliegende Last ergibt. Hierbei ergibt sich eine Ausgangεdrehzahl deε elek¬ trodynamischen Wandlers 34 an der Abtriebswelle 32, die gleich der Drehzahl des Elektromotors 14 zuzüg¬ lich der Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 ist. Die nach der Leistungshöhe zu bestimmende Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 kann hierbei in die Bereiche verschoben werden, in denen der Verbrennungsmotor 12 einen günstigen Wirkungsgrad aufweist. Die Schalt¬ punkte des Automatikgetriebes 28 werden in üblicher Weise gemäß der gewählten Fahrzeuggeschwindigkeit und der abgerufenen und verfügbaren Leistung des elektro¬ dynamischen Wandlers 34 bestimmt. Über die Erfassung von Fahrzeugdaten, wie beispielsweise Beschleunigung oder Verzögerung über die Sensoren 50 bzw. 52, kann das Management des Hybridantriebes 10, daε heißt, das Zu- und/oder Abschalten des Verbrennungsmotors 12 bzw. des Elektromotors 14 optimiert werden.

An Hand des in Figur 5 beispielhaft dargeεtellten Geschwindigkeitsdiagrammes soll das Antriebsverhalten des erfindungsgemäßen Hybridantriebes 10 verdeutlicht werden. In dem Geschwindigkeitsdiagramm ist die Dreh¬ zahl der Abtriebswelle 32 über der Fahrgeschwindig¬ keit des mit dem Hybridantrieb 10 ausgestatteten Kraftfahrzeuges dargestellt. Insgeεamt sind drei Kurven dargestellt, wobei die durchgezogene Linie 70 für einen kombinierten Antrieb über den Verbrennungs¬ motor 12 und den Elektromotor 14, die Strich-Punkt- Linie 72 für einen Antrieb über den Verbrennungsmotor 12 und die Punkt-Linie 74 für einen Antrieb über den Elektromotor 14 steht. Bei der Darstellung der Kenn¬ linie wurde jeweils von Vollast ausgegangen.

Ein mit dem Hybridantrieb 10 ausgestattetes Kraft¬ fahrzeug fährt in der Regel im Zug- und Schubbetrieb bis ca. 55 kmh ausschließlich mit dem Elektroantrieb. Zur Bewältigung von Steilstrecken schaltet sich der Verbrennungsmotor 12 dazu und kann bei entsprechender Fahrt Schaltvorgänge des Getriebes 28 bis ca. 75 kmh vermeiden. Im Normalbetrieb fährt das Kraftfahrzeug bei einer Geschwindigkeit von ca. 55 kmh bis ca. 80 kmh mit einem gemischten Antrieb über den Verbren¬ nungsmotor 12 und den Elektromotor 14. Die Haupt- leistung stellt hierbei der Verbrennungsmotor 12 zur Verfügung, der je nach Bedarf drehzahlgeregelt in seinem verbrauchsgünstigen Bereich läuft. Die Differenz zur notwendigen Fahrdrehzahl der Abtriebs- welle 32 wird durch den Elektromotor 14 erbracht. Die Differenz zwischen der Drehzahl des Verbren¬ nungsmotors 12 und der Drehzahl der Abtriebswelle 32 kann auch negativ sein, das heißt, der Elektromotor 14 läuft im Generatorbetrieb. Hierdurch kann sehr vorteilhaft die bereits erwähnte Aufladung der Kraftfahrzeugbatterie 42 erfolgen.

Der Wechsel zwischen den einzelnen Gängen des Ge¬ triebes 28 und der Zu- bzw. Abschaltung des Ver¬ brennungsmotors 12 bzw. des Elektromotors 14 erfolgt automatisch und wird von dem Steuergerät 48 geregelt. Ab einer Geschwindigkeit von ca. 80 kmh bis 150 kmh erfolgt - wie in Figur 5 verdeutlicht - ein Betrieb des Hybridantriebes 10 ausschließlich mit dem Ver¬ brennungsmotor 12. Während dieseε Betriebes notwen¬ dige Zuεatzleiεtungen, beiεpielsweise bei Überhol¬ vorgängen, werden über den Elektromotor 14 bereitge¬ stellt, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 überlagert und somit eine höhere Drehzahl an der Abtriebswelle 32 bereitstellt. Die Zuschaltung des Elektromotors 14 kann hierbei über ein Kick-Down des Gaεpedalε 54 abgerufen werden. Bei gleichzeitig vor¬ liegenden Steilstrecken erfolgt eine entsprechende Gangumschaltung in dem Getriebe 28, so daß eine Leistungsanpassung des Hybridantriebes 10 erfolgt.

Bei einem Schubbetrieb des Hybridantriebes 10 erfolgt die bekannte Bremsunterstützung durch den Verbren¬ nungsmotor 12 und/oder den Elektromotor 14. Die Kraftstoffzufuhr zu dem Verbrennungsmotor 12 wird hierbei unterbrochen. Das Steuergerät 48 stellt hier¬ bei sicher, daß eine Nutzbremsung über den Elektro¬ motor 14 gegenüber einer Motorbremsung über den Ver¬ brennungsmotor 12 Vorrang hat. Hierdurch kann gleich¬ zeitig ein Aufladen der Fahrzeugbatterie 42 betrieben werden. Durch die Kick-up-Funktion des Gaεpedales 54 bzw. durch das Bremspedal 56 kann selbεtverständlich aktiv in das Bremsgeschehen des Hybridantriebes 10 eingegriffen werden.

Insgesamt ist mit dem Hybridantrieb 10 ein Antrieb für Kraftfahrzeuge geschaffen, der die Vorteile von Verbrennungsmotoren mit denen von Elektromotoren mit¬ einander kombiniert und insgesamt einen kraftstoff¬ sparenden und einen hohen Fahrkomfort aufweisenden Antrieb realisiert. Der Elektromotor 14 ermöglicht als hoch- oder runterlaufender Servomotor, ohne Un¬ terbrechungen durch Kupplungen εowohl bei ein- als auch ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 12 eine Syn¬ chronisierung beim Gangwechsel im Automatikgetriebe 28. Hierdurch wird die Schaltqualität wesentlich ver¬ bessert und der technische Aufwand für das Getriebe 28 wesentlich verringert. Insbesondere durch die Addition der Drehzahlen des Verbrennungsmotors 12 und des Elektromotors 14 kann eine wesentliche Steigerung des Leistungsgewichtes des gesamten Hybridantriebes 10 erreicht werden.

Claims

Patentansprüche

1. Hybridantrieb für ein Fahrzeug, mit einer Brenn¬ kraftmaschine und einer Elektromaschine, deren An¬ triebsleistung auf eine Antriebsachse des Fahrzeuges übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (12) und die Elektromaschine (14) mittels eines elektrodynamischen Wandlers (34) gekop¬ pelt sind.

2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der elektrodynamische Wandler (34) die Elektromaschine (14) und ein Automatikgetriebe (28) umfaßt und eine Triebstrangeinheit (36) bildet, deren Antriebswelle (18) mit der Brennkraftmaschine (12) und deren Abtriebswelle (32) mit einer Fahrzeugachse

(40) in Kaskade mit einem mechanischen und elek¬ trischen Drehfeld gekoppelt sind.

3. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro¬ dynamische Wandler (34) einen drehfest mit der An¬ triebswelle (18) verbundenen Primärrotor (16) und einen auf einer zu der Antriebswelle (18) unabhängig drehbar gelagerten Antriebswelle (18') angeordneten Sekundärrotor (22) aufweist.

4. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswel¬ len (18, 18') eine gemeinsame Drehachse (19) be¬ sitzen.

5. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundär- rotor (22) und der Primärrotor (16) zueinander axial beweglich gelagert sind.

6. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärrotor (16) und der Sekundärrotor (22) und damit die An¬ triebswellen (18, 18') über eine Uberbrückungskupp¬ lung (24) mechanisch miteinander koppelbar sind, das Schließen durch eine Feder (26) und das Öffnen durch Erregen des Verschiebe-Sekundärrotors (22) gegen die Feder (26) erfolgt.

7. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro¬ dynamische Wandler (34) einen Drehstrom-Generator

(46) aufweist, dessen Rotor drehfest auf der An¬ triebswelle (18) gelagert ist.

8. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Automatik¬ getriebe (28) ein Dreigang-Planetengetriebe ohne Rückwärtsgang ist.

9. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraft¬ maschine (12) und die Elektromaschine (14) ohne äußere Unterbrechung des Triebstrangs auch einzeln laufen können.

10. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraft¬ maschine (12) vorzugsweise im günstigsten Drehzahlbe¬ reich betrieben werden kann, die Elektromaschine (14) den Mehr- oder Minderbedarf der geforderten Antriebs¬ drehzahl liefert und das durchgehend gleiche Drehmo¬ ment durch die Brennkraftmaschine (12) bestimmt wird.

11. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Minderbedarf durch Bremsenergieanfall automatisch als Batterie¬ ladestrom zurückfließt.

12. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroma¬ schine (14) als Anlasser aus dem Stand bei der Brenn¬ kraftmaschine (12) eingesetzt werden kann.

13. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroma¬ schine (14) die mechanische Stufung des vorzugsweise verwendeten Planetengetriebes vorteilhaft ergänzen kann.

14. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gangwechsel die Synchronisierung zur Überbrückung der Gangsprünge durch die Elektromaschine (14) erfolgt.