DE102005041634A1 - Nachrüstsatz zur parallelen Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs sowie Einbau- und Betriebsverfahren dafür - Google Patents

Nachrüstsatz zur parallelen Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs sowie Einbau- und Betriebsverfahren dafür Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nachrüstsatz zur parallelen Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs, welches eine Verbrennungskraftmaschine, ein Gaspedal, eine Batterie und einen Fahrzeuggenerator zur Ladung der Batterie beinhaltet. Der Nachrüstsatz besteht aus einer elektrischen Maschine, wobei diese als Motor- und Generator betreibbar ist, aus mindestens einer Speichervorrichtung zur Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie und aus einer Steuereinheit zur Steuerung der elektrischen Maschine und des Energieflusses zwischen Antriebsstrang und Speichervorrichtung. Dabei umfasst der Nachrüstsatz Mittel zur Ein- und Auskopplung von mechanischer Energie in die oder aus der den Fahrzeuggenerator antreibende Welle und weist weiterhin Mittel zum Abgreifen der Pedalstellung des Gaspedals auf.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nachrüstsatz zur parallelen Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs, welches eine Verbrennungskraftmaschine, ein Gaspedal, eine Batterie und einen Fahrzeuggenerator zur Ladung der Batterie beinhaltet. Der Nachrüstsatz besteht aus einer elektrischen Maschine, wobei diese als Motor- und Generator betreibbar ist, aus mindestens einer Speichervorrichtung zur Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie und aus einer Steuereinheit zur Steuerung der elektrischen Maschine und des Energieflusses zwischen Antriebsstrang und Speichervorrichtung.
  • In der DE 40 07 438 wird ein Nachrüstsatz für ein Fahrzeug offenbart, der eine Einstern-Verbrennungskraftmaschine umfasst. Diese ist durch einer schaltbare Kupplung mit der Antriebswelle der Hauptverbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs verbunden. Somit kann eine unterstützendes Antriebsmoment in den Antriebsstrang eingekoppelt werden. Diese Anordnung weist den Nachteil auf, dass ausschließlich Leistung eingekoppelt werden kann und dafür eine schaltbare Kupplung verwendet werden muss.
  • Weiterhin ist bekannt, dass ein wachsender Anteil von Neuwagen mit einem hybriden Antriebssystem ausgestattet sind. Diese Systeme umfassen sowohl eine Verbrennungskraftmaschine als auch eine elektrische Maschine, mit deren Hilfe mechanische Leistung in oder aus dem Antriebsstrang ein- bzw. ausgekoppelt werden kann. Auf diese Weise kann der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs optimiert und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. Diese Systeme haben den entscheidenden Nachteil, dass sie ausschließlich in Neuwagen zum Einsatz kommen und deshalb in existierenden Fahrzeugen nicht anwendbar sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung einen Nachrüstsatz für Kraftfahrzeuge darzustellen mit dessen Hilfe zusätzliche mechanische Energie in oder aus dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs ein- bzw. ausgekoppelt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Nachrüstsatz mit Mitteln zur Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in die den Fahrzeuggenerator antreibende Welle versehen ist und zudem Mittel zum Abgreifen des Pedalwertes des Gaspedals vorhanden sind. Diese Anordnung erweist sich als vorteilhaft, da o. g. Nachteile des Stands der Technik vermieden werden.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß Patentanspruch 2 und 3 zur Ein- oder Auskopplung von Leistung in den Antriebsstrang des Fahrzeugs die elektrische Maschine des Nachrüstsatzes mit Hilfe eines Riementriebes oder einer direkt fluchtenden Achsverbindung mit der den normalen Fahrzeuggenerator (Lichtmaschine) antreibenden Welle verbunden. Dies ist besonders günstig, da die Antriebswelle der Lichtmaschine an der Stirnseite der Verbrennungskraftmaschine baulich besonders einfach zu erreichen ist und dort bereits Riementriebe zum Antrieb der Hilfsaggregate des Fahrzeugs vorhanden sind. Diese Riementriebe bzw. deren Riemenscheiben oder Wellen können dann ohne große bauliche Eingriffe mit Hilfe eines Riementriebs oder einer fluchtenden Achsverbindung mit der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes verbunden werden.
  • In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst der Nachrüstsatz zusätzlich Mittel zum Abgreifen der Pedalstellung des Bremspedals. Aus Sicht der Fahrzeugsicherheit ist die Verwendung solcher Mittel besonders günstig, da auf diese Weise bei einem Bremsmanöver der zusätzliche Antrieb der elektrischen Maschine sofort abgeschaltet und sogar ein zusätzliches Bremsmoment bereitgestellt werden kann.
  • Die o. g. vorteilhaften Anordnungen werden nach Anspruch 5 dadurch unterstützt, dass die Speichervorrichtung zur Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie des Nachrüstsatzes als Batterie- und/oder Kondensatorenanordnung ausgebildet ist. Besonders günstig sind dabei die Batterie- und Kondensatorenanordnungen, da die kapazitive Speicherung sehr schnell sehr viel Energie bereitstellen kann und die etwas trägere Batterie ideal ergänzt.
  • Des Weiteren wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Nachrüstsatzes zur parallelen Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs offenbart. Dieses beinhaltet, dass zur Steuerung der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes der Pedalwert des Gaspedals verwendet wird. Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass auf diese besonders einfache Art die gesamte Steuerung der elektrischen Maschine realisiert werden kann und eine weitere Einbindung anderer Signale nicht notwendig ist, da der Pedalwert direkt die Anforderung an Antriebsleistung wiedergibt. Je nach Stellung des Gaspedals kann die abgegebene Leistung der elektrischen Maschine entweder in diskreten Schritten oder kontinuierlich erhöht oder verringert werden.
  • Gemäß Anspruch 7 wird in einer günstigen Variation des o. g. Verfahrens sowohl der absolute Pedalwert auch der zeitliche Gradient bzw. die zeitliche Änderung der Pedalstellung zur Steuerung der elektrischen Maschine verwendet. Dies weist den entscheidenden Vorteil auf, dass so differenziert werden kann, ob die Leistungsanforderung sprunghaft (Kick-down) oder langsam ist. Dementsprechend wird dann die elektrische Maschine gesteuert. D. h. bei einer sprunghaften Leistungsanforderung wird sofort die volle Zusatzleistung der elektrischen Maschine bereitgestellt und bei langsamer und gemächlicher Anforderung wird die Zusatzleistung langsam zugeschaltet und erhöht bzw. verringert, um ein ruckhaftes Fahrverhalten zu verhindern.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren zum Betrieb des Nachrüstsatzes, dass die elektrische Maschine erst ab Erreichen eines einstellbaren Schwellenwertes des Gaspedals zugeschaltet wird. Dies hat den Vorteil, dass das somit der Fahrer das Betriebsverhalten des Nachrüstsatzes persönlich einstellen kann und er eines Leistungsbereich definieren kann, in welchem der Nachrüstsatz nicht auf das System eingreift. Besonders günstig ist dies z. B. bei Anfahrvorgängen, bei denen der Fahrer ein kontinuierliches Antriebsverhalten kennt und aus Sicherheitsgründen dringend benötigt. Dabei ist denkbar, dass der Schwellenwert auf ,unendlich' gesetzt werden kann und so der Nachrüstsatz komplett abgeschaltet ist.
  • Bei einer weiterführenden Ausführungsform des Betriebsverfahrens werden gemäß Anspruch 9 und 10 zur Steuerung der elektrischen Maschine wahlweise oder in Kombination die Stellung des Bremspedals, die Drehzahl und/oder der momentane Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs hinzugezogen. Auf diese Weise kann der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine verbessert werden. Dabei fungiert die elektrische Maschine je nach Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine entweder als Generator, und koppelt somit ein Bremsmoment in die Welle der Verbrennungskraftmaschine ein. Oder sie wird als Motor betrieben und stellt so ein zusätzliches Antriebsmoment bereit. Auf diese Weise kann der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine in Richtung des optimalen Betriebs bewegt werden.
  • Zur Steigerung des Fahr- bzw. Bedienungskomfort des Fahrzeuges wird eine weitere günstige Ausprägung des Betriebsverfahrens offenbart. Dabei greift die elektrische Maschine zur Begrenzung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ein. Indem bei einem unteren Drehzahlwert ein zusätzliches Antriebsmoment bereitgestellt wird, kann ein Absterben des Motors verhindert werden. Ebenso wird bei Erreichen einer oberen Drehzahlgrenze ein bremsendes Moment eingekoppelt, wodurch die Drehzahl gesenkt wird und die Verbrennungskraftmaschine vor Beschädigung bewahrt wird.
  • Gemäß Anspruch 12 wird ein Verfahren zum Einbau des o. g. Nachrüstsatzes offenbart, bei dem der Fahrzeuggenerator (Lichtmaschine) entfernt wird und so in besonders vorteilhafter Art Bauraum die Verbauung der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes freigeben wird. Zusätzlich erweist sich dieses Einbauverfahren als günstig, da vorhandene Riementriebe zur Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang des Kraftfahrzeugs verwendet werden können.
  • Eine weitere günstige Ausführung des Verfahrens zu Einbau des Nachrüstsatzes beinhaltet, dass die Welle der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes achsparallel zu der den Fahrzeuggenerator antreibenden Welle der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist oder mit ihr fluchtet. Auf diese Weise können vorhandene Riementriebe oder freie Wellenenden an der Verbrennungskraftmaschine besonders einfach zur Ein- oder Auskopplung mechanischer Leistung verwendet, bzw. erweitert werden.
    •
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt als Blockschaltbild des Nachrüstsatzes im Zusammenspiel mit der Verbrennungskraftmaschine, dem Gaspedal und weiteren Bauteilen eines Kraftfahrzeuges.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 sind schematisch verschiedene Komponenten eines Fahrzeuges im Verbund mit dem Nachrüstsatz zur parallelen Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang (100) dargestellt. Dabei sind die verschiedenen Komponenten im Motorraum (160), im Innenraum (110) und im Kofferraum (140) angesiedelt. Direkt im Motorraum (160) befindet sich die elektrische Maschine (164) des Nachrüstsatzes, die den Fahrzeuggenerator baulich ersetzt und über einen Riementrieb (174) mit der Antriebswelle (176) der Verbrennungskraftmaschine (162) verbunden ist. Des Weiteren sind dort die Fahrzeugelektronik (172), die Steuereinheit (166) des Nachrüstsatzes, die Hauptbatterie (170) des Fahrzeugs und eine Hochleistungskondensatorenanordung (Supercaps) (168) zu finden. Im Fahrzeuginnenraum (110) ist das Motorsteuergerät (112) und das Gaspedal (114) des Fahrzeugs angebracht. Alle weiteren Einrichtungen des Fahrzeugs, die ein herkömmliches Kraftfahrzeug aufweist, sind wegen der fehlenden Relevanz hier nicht weiter erwähnt. Im Innenraum (110) werden weiterhin die Betriebsanzeige (122), ein An- und Ausschalter (120), die Einstellvorrichtung (118) des Nachrüstsatzes und Mittel (116) zum Abgreifen der Stellung des Gaspedals verbaut. Diese Mittel bestehen im wesendlichen aus einem Potentiometer, welches ein zur Gaspedalstellung proportionales Spannungssignal von 0 bis 5 Volt DC erzeugt. Im Kofferraum (140) sind die zusätzlichen Batterien (142) eingebracht.
  • Das Steuergerät des Nachrüstsatzes ist mit dem Motorsteuergerät (112) verbunden und erfasst so die Stellung des Bremspedals. Zudem erfasst es das Spannungssignal des Potentiometers am Gaspedal, den Schwellenwert der Einstellvorrichtung (118) zur Einschaltung des Nachrüstsatzes und ist mit den Zusatzbatterien (142), den Supercaps (168) und der Hauptbatterie (170) verbunden.
  • Die Anzeige (122) im Innenraum teilt dem Fahrer mit, ob der Nachrüstsatz betriebsbereit ist. Wenn der Verbund aus Batterien (142, 170) und Supercaps (168) genügend elektrische Energie für den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine (164) gespeichert haben und das Steuergerät (166) des Nachrüstsatzes keinen fehlerhaften Betriebszustand feststellt, so wird vom Steuergerät (166) an der Anzeige (122) im Fahrzeug Betriebsbereitschaft angezeigt. Der Fahrer kann dann über den Schalter (120) den Nachrüstsatz aktivieren, welcher dann je nach Stellung des Gaspedals zusätzliche Antriebsleistung in den Antriebsstrang des Fahrzeuges einkoppelt. Dies geschieht nur, wenn die Stellung des Gaspedals (114) einen gewissen Schwellenwert überschreitet. Dieser Schwellenwert ist vom Fahrer an der Einstellvorrichtung (118) im Innraum je nach Bedarf einstellbar. Möglich ist, dass Anzeige (122), Schalter (120) und die Einstellvorrichtung (118) als eine Baueinheit ausgeführt sind.
  • Wenn der Verbund aus Batterien (142, 170) und Supercaps (168) nicht genügend elektrische Energie für den Motorbetrieb der elektrischen Maschine (164) bereithält, so wird dem Fahrer keine Betriebsbereitschaft angezeigt und eine Aktivierung des Nachrüstsatz ist nicht möglich. Stattdessen wird die elektrische Maschine (164) dann im Generatorbetrieb gefahren und so der Verbund aus Batterien (142, 170) und Supercaps (168) aufgeladen.

Claims (13)

  1. Nachrüstsatz zur parallelen Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs, welches eine Verbrennungskraftmaschine, ein Gaspedal, eine Batterie und einen Fahrzeuggenerator zur Ladung der Batterie beinhaltet, wobei der Nachrüstsatz a) eine elektrische Maschine, die als Motor- und Generator betreibbar ist b) mindestens eine Speichervorrichtung zur Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie c) und eine Steuereinheit zur Steuerung der elektrischen Maschine und des Energieflusses zwischen Antriebsstrang und Speichervorrichtung umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass darin d) Mittel zur Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in die oder aus der den Fahrzeuggenerator antreibende Welle vorgesehen und e) Mittel zum Abgreifen des Pedalstellung des Gaspedals vorhanden sind.
  2. Nachrüstsatz nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie die elektrische Maschine des Nachrüstsatzes über einen Riementrieb mit der den Fahrzeuggenerator antreibenden Welle verbunden ist.
  3. Nachrüstsatz nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie die Welle der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes fluchtend mit der den Fahrzeuggenerator antreibenden Welle verbunden ist.
  4. Nachrüstsatz nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Abgreifen der Pedalstellung des Bremspedals vorgesehen sind.
  5. Nachrüstsatz nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung zur Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie als Batterie- und/oder Kondensatorenanordnung ausgebildet ist.
  6. Verfahren nach vorgenommenen Ansprüchen zum Betrieb eines Nachrüstsatzes zur parallelen Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs bestehend aus einer elektrischen Maschine, mindestens einer Speichervorrichtung für elektrische Energie, einer Steuereinheit, aus Mitteln zur Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in die den Fahrzeuggenerator antreibende Welle und Mitteln zum Abgreifen des Pedalwertes des Gaspedals dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes der Pedalwert des Gaspedals verwendet wird.
  7. Verfahren nach vorgenommenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes der zeitliche Gradient des Pedalwerts des Gaspedals verwendet wird.
  8. Verfahren nach vorgenommenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine des Nachrüstsatzes in Abhängigkeit von einem einstellbaren Schwellenwert der Gaspedalstellung ein- oder abgeschaltet wird.
  9. Verfahren nach vorgenommenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der elektrischen Maschine wahlweise oder in Kombination die Stellung des Bremspedals, die Drehzahl und/oder der momentane Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs hinzugezogen werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung des Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine die elektrische Maschine des Nachrüstsatzes in Abhängigkeit vom Wirkungsgrades der Verbrennungskraft maschine entweder im Generatorbetrieb läuft und somit ein Bremsmoment in die Welle der Verbrennungskraftmaschine einkoppelt oder als Motor betrieben wird und so ein zusätzliches Antriebsmoment bereitstellt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine mit Hilfe der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes ein Bremsmoment bzw. ein zusätzliches Antriebsmoment in die Welle der Verbrennungskraftmaschine eingekoppelt wird.
  12. Verfahren nach vorgenommenen Ansprüchen für den Einbau eines Nachrüstsatzes bestehend aus einer elektrischen Maschine, mindestens einer Speichervorrichtung für elektrische Energie, einer Steuereinheit, aus Mitteln zur Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in die den Fahrzeuggenerator antreibende Welle und Mitteln zum Abgreifen des Pedalwertes des elektronischen Gaspedals zur parallelen Ein- oder Auskopplung von mechanischer Energie in oder aus dem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeuggenerator entfernt und dessen Bauraum für die Verbauung der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes verwendet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Welle der elektrischen Maschine des Nachrüstsatzes achsparallel zu der den Fahrzeuggenerator antreibenden Welle der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist oder mit ihr fluchtet.
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