DE102006042651A1

DE102006042651A1 - Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102006042651A1
Application number: DE102006042651A
Authority: DE
Inventors: Johannes Liebl; Johann Tonhauser; Michael Schreiner; Manfred Plechaty
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, umfassend drei unterschiedliche Energiewandlungseinheiten, jeweils zur Erzeugung eines auf den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs wirkenden Antriebsmoments. Gemäß der Erfindung ist eine erste Energiewandlungseinheit derart ausgebildet, dass sie durch die Verbrennung von Brennstoff ein erstes Antriebsmoment erzeugt, ist eine zweite Energiewandlungseinheit derart ausgebildet, dass sie unter Verwendung einer elektrischen Potentialdifferenz ein zweites Antriebsmoment erzeugt, und ist eine dritte Energiewandlungseinheit derart ausgebildet, dass sie durch die Umwandlung von Wärme ein drittes Antriebsmoment erzeugt. Erfindungsgemäß ist auch eine mit den Energiewandlungseinheiten wirkverbundene Steuereinrichtung vorgesehen, über die in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Betriebsstrategie mindestens eine Energiewandlungseinheit, abhängig vom Betriebszustand des Kraftfahrzeugs und abhängig von dem momentanen Wirkungsgrad mindestens einer Antriebseinheit, ein auf den Antriebsstrang wirkendes Antriebsmoment erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Energiewandlungseinheiten.
Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb, d.h. Fahrzeuge bei denen die Erzeugung von Antriebsmoment durch unterschiedliche Formen der Energiewandlung erfolgt, sind bereits hinlänglich bekannt.
Einer der bekanntesten Hybridantriebe ist ein Antrieb bestehend aus einer ersten, als Brennkraftmaschine ausgebildeten Energiewandlungs- und Antriebseinheit, und einer zweiten, als elektrische Maschine ausgebildeten Energiewandlungs- und Antriebseinheit. Bei dieser Art von Hybridantrieb wird über die Brennkraftmaschine ein erstes Antriebsmoment durch die Verbrennung von Kraftstoff erzeugt, und wird über die elektrische Maschine ein zweites Antriebsmoment, unter Verwendung einer durch einen elektrischen Energiespeicher bereitgestellten elektrischen Potentialdifferenz, erzeugt. Je nach Betriebsart des Kraftfahrzeugs, bzw. je nach Antriebskonzept des Kraftfahrzeugs, können die beiden erzeugten Antriebsmomente alternativ (elektrisches Fahren oder verbrennungsmotorisches Fahren) oder kumulativ (z.B. Mischbetrieb mit normaler Antriebsleistung oder sog. Boostbetrieb mit erhöhter Antriebsleistung, wobei das Gesamtantriebsmoment jeweils durch Addition von verbrennungsmotorischem und elektrischem Antriebsmoment bereitgestellt wird) für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden. Bei diesem so genannten elektrischen Hybrid wird die elektrische Maschine in der Regel zur Erzeugung eines positiven Antriebsmoments elektromotorisch betrieben. Bei Bremsvorgängen hingegen wird die elektrische Maschine generatorisch betrieben, derart, dass ein zusätzliches Bremsmoment bereit gestellt und gleichzeitig elektrische Energie durch die Umwandlung der mechanischen Energie beim Bremsvorgang erzeugt und in einem Energiespeicher gespeichert wird.
Des Weiteren ist aus der Fachzeitschrift MTZ 02/2006, Seite 90 unter dem Titel „Turbosteamer macht Verlustleistung nutzbar" ein Hybridantrieb bekannt, bei dem ein erstes Antriebsmoment in herkömmlicher Art über eine Brennkraftmaschine erzeugt wird und ein zweites Antriebsmoment durch einen so genannten Turbosteamer erzeugt wird. Dieser Turbosteamer ist eine Wärmekraftmaschine, die nach dem Prinzip einer Dampfmaschine arbeitet. Anfallende Verlustwärme der Brennkraftmaschine wird dabei über den Turbosteamer in positives Antriebsmoment umgewandelt. Bei der dargestellten Ausführungsform wird in zwei Kreisläufen Flüssigkeit über die Verlustwärme der Brennkraftmaschine zu Dampf erhitzt. Der erzeugte Dampf treibt nach dem Prinzip der Dampfmaschine, zur Erzeugung eines Antriebsmoments, einen Zusatzantrieb (mit der Kurbelwelle wirkverbundene Expansionsmaschine) an. Dabei wird in einem ersten Wärmekreislauf (Hochtemperaturkreislauf) die im Abgas enthaltene Wärmeenergie umgewandelt, während in einem zweiten Wärmekreislauf (Niedertemperaturkreislauf) die im Kühlmittelkreislauf vorhandene Wärmeenergie umgewandelt wird.
Diese Antriebskonzepte haben sich bereits weitestgehend bewährt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb anzugeben, welches im Hinblick auf die Einsparung von Kraftstoff weiter verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind. Das erfindungsgemäße Hybridfahrzeug umfasst drei unterschiedliche Energiewandlungseinheiten (bzw. Energiewandlungs- und Antriebseinheiten) sowie mindestens eine mit den Energiewandlungseinheiten gekoppelte und diese steuernde Steuereinrichtung. Dabei ist eine erste Energiewandlungseinheit derart ausgebildet, dass über sie durch die Verbrennung von Brennstoff ein (auf einen gemeinsamen Antriebsstrang wirkendes) erstes Antriebsmoment erzeugbar ist. Über eine zweite Energiewandlungseinheit ist unter Verwendung einer Potentialdifferenz (bzw. unter Verwendung gespeicherter elektrischer Energie) ein (auf einen gemeinsamen Antriebsstrang wirkendes) zweites Antriebsmoment erzeugbar, während über eine dritte Energiewandlungseinheit durch die Umwandlung von Wärme ein (auf einen gemeinsamen Antriebsstrang wirkendes) drittes Antriebsmoment erzeugbar ist. Die Steuereinrichtung ist gemäß der Erfindung derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit von einer vorgegebenen (und in der Steuereinrichtung programmtechnisch realisierten) Betriebsstrategie mindestens eine Energiewandlungseinheit zumindest zeitweise und zumindest abhängig vom Betriebszustand des Kraftfahrzeugs (z.B. abhängig von der Temperatur der Brennkraftmaschine oder abhängig von einer hiermit korrelierenden Größe), ein auf den Antriebsstrang wirkendes Antriebsmoment erzeugt. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, eine Ansteuerung einer oder mehrerer Antriebseinheiten zusätzlich in Abhängigkeit von dem momentanen Wirkungsgrad mindestens einer Energiewandlungseinheit vorzunehmen.
Mit Vorteil ist die erste Energiewandlungseinheit als herkömmliche Brennkraftmaschine ausgebildet, die durch die Verbrennung von Kraftstoff (Diesel, Benzin, Gas, ...) ein erstes positives Antriebsmoment erzeugt. Vorzugsweise ist die zweite Energiewandlungseinheit als elektrische Maschine ausgebildet, über die mechanische Energie, beispielsweise in einem Rekuperationsbetrieb (Bremsenergierückgewinnung), in elektrische Energie umgewandelt und abgespeichert wird, und über die in einem Antriebsbetrieb ein zweites positives Antriebsmoment (zum Zwecke des rein elektrischen Fahrens oder eines Mischbetriebs, bei dem das Gesamtantriebsmoment sich aus unterschiedlichen Teil-Antriebsmomenten der Energiewandlungseinheiten zusammensetzt) erzeugbar ist. Bevorzugt ist die dritte Energiewandlungseinheit als eine nach dem Prinzip einer Dampfmaschine oder Gasturbine arbeitende Wärmekraftmaschine (so genannte Wärmekraftmaschine mit zykliertem Fluid) ausgebildet. Insbesondere ist die dritte Energiewandlungseinheit als so genannter, eingangs beschriebener, Turbosteamer ausgebildet. Im Hinblick auf die Ausgestaltung und den Aufbau der dritten Energiewandlungseinheit als Turbosteamer wird auf die eingangs zitierte Quelle (MTZ 02/2006, S. 90, Turbosteamer ...) vollinhaltlich Bezug genommen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, bzw. derart programmiert, dass in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebsphasen des Kraftfahrzeugs (bzw. Betriebsphasen einer oder mehrerer der Energiewandlungseinheiten) eine unterschiedliche Steuerung der Energiewandlungseinheiten erfolgt. In Abhängigkeit vom Ladezustand der die elektrische Maschine versorgenden elektrischen Energiespeichereinrichtung (d.h. bei einem Mindestladezustand oberhalb einer vorbestimmten Ladeschwelle) kann das Kraftfahrzeug in einer Kaltstartphase (vom Start des Fahrzeugs bei kalter Brennkraftmaschine – mit einer Brennkraftmaschinentemperatur unterhalb einer vorbestimmten Kaltstart-Grenztemperatur – bis zu einem Zeitpunkt, zu dem ein vorbestimmter Betriebszustand erreicht ist, der ein Ende der Startphase definiert) ausschließlich durch die elektrische Maschine angetrieben werden. Für den Fall, dass eine erhöhte Leistungsanforderung (Leistungsanforderung oberhalb einer vorbestimmten Leistungsanforderungsschwelle) während dieser Betriebsphase vorliegt, kann zusätzlich zum elektrischen Antrieb ein Antriebsmoment über die Brennkraftmaschine erzeugt und additiv zu einem Gesamtantriebsmoment aufgeschaltet werden. Während der Kaltstartphase ersetzt oder unterstützt die elektrische Maschine das geringe Drehmoment der Brennkraftmaschine bei unteren Drehzahlen. Die Kaltstartphase des Kraftfahrzeugs ist vorzugsweise durch einen vorbestimmten Temperaturbereich der Brennkraftmaschine definiert. Dabei gilt als Kaltstartphase eine Betriebphase des Kraftfahrzeugs während der die Brennkraftmaschine eine vorbestimmte erste Grenztemperatur nicht erreicht bzw. überschreitet. Beispielsweise kann die erste Grenztemperatur eine feste vorbestimmte Temperatur oder eine in Abhängigkeit von der Außentemperatur (Umgebungstemperatur des Fahrzeugs) automatisch variierende Temperatur sein. Ein weiteres Kriterium für das Vorliegen der Kaltstartphase ist der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers. Die Kaltstartphase dauert in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers nur solange an, wie ein vorbestimmter Ladezustand des elektrischen Energiespeichers nicht unterschritten ist.
An die Kaltstartphase schließt sich eine so genannte Warmlaufphase des Kraftfahrzeugs an. Die Warmlaufphase (in der i.d.R. mittlere Drehzahlen der Brennkraftmaschine vorherrschen und die von einem mittleren Leistungsbedarf gekennzeichnet ist) kennzeichnet sich dadurch aus, dass die Brennkraftmaschine während der Dauer dieser Betriebsphase eine vorbestimmte zweite Grenztemperatur (diese kann gleich der ersten Grenztemperatur sein) stets erreicht bzw. überschreitet und eine dritte Grenztemperatur nicht erreicht oder überschreitet (die Brennkraftmaschinentemperatur also in einem Temperaturkorridor zwischen zweiter und dritter Grenztemperatur sich befindet). Für die Dauer dieser Betriebsphase, während der die Brennkraftmaschine im Bereich ihres besten Wirkungsgrades betrieben wird, kann über die Brennkraftmaschine alleine das Gesamtantriebsmoment erzeugt werden. Mit Vorteil wird das Gesamtantriebsmoment während der Warmlaufphase zu jedem Zeitpunkt, gemäß einem vorbestimmten Aufteilungsverhältnis, anteilig durch die elektrische Maschine und anteilig durch die Brennkraftmaschine erzeugt. Das vorbestimmte Aufteilungsverhältnis kann unveränderbar oder in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter zumindest einer der Energiewandlungseinheiten variabel ausgebildet sein.
Im Anschluss an die Warmlaufphase schließt sich bei Erreichen oder Überschreiten einer vierten Grenztemperatur (die wiederum auch gleich der dritten Grenztemperatur sein kann) eine Normalbetriebsphase an. Das Kraftfahrzeug wird dabei gemäß der Normalbetriebsphase betrieben, solange die Brennkraftmaschine diese vierte Grenztemperatur erreicht oder überschreitet. Mit Erreichen der vorbestimmten vierten Grenztemperatur ist die Wärmekraftmaschine durch die genutzte Verlustwärme der Brennkraftmaschine soweit erhitzt, dass die durch die Erzeugung eines eigenen Antriebsmoment-Anteils zum Gesamtantriebsmoment beitragen kann. Während der Normalbetriebsphase wird stets ein Anteil (so genannter Grundlastanteil) des Antriebsmoments durch die Wärmekraftmaschine erzeugt. Mit Vorteil ist dieser Anteil variabel ausgebildet. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass ab Überschreiten oder Erreichen der Grenztemperatur für die Normalbetriebsphase, für die Dauer der Normalbetriebsphase (also für die Dauer während der die Grenztemperatur erreicht oder überschritten ist), stets ein Anteil an Antriebsmoment in Abhängigkeit von der Temperatur der Wärmekraftmaschine oder einer mit dieser Temperatur korrelierenden Größe erzeugt und bereitgestellt wird. Für den Fall, dass die Lastanforderung (zumindest an die Wärmekraftmaschine) kleiner ist als die Lastanforderung, die durch die Wärmekraftmaschine erfüllt werden kann, kann das überschüssige Antriebsmoment der Wärmekraftmaschine zum Antrieb der elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Die zusätzlich erzeugte elektrische Energie kann in einem Energiespeicher gespeichert und/oder anteilig sofort dem Bordnetz bereitgestellt werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein möglichst hohes Ausmaß an thermischer Energie genutzt wird.
Im Sinne der Erfindung ist unter Betriebstemperatur oder Grenztemperatur der Brennkraftmaschine auch jede hiermit korrelierende Temperatur bzw. Größe zu verstehen. Insbesondere bei der Unterscheidung zum Normalbetrieb kann auch die Temperatur der Wärmekraftmaschine oder eine hiermit korrelierende Größe herangezogen werden.
Durch die Erfindung wird eine Verteilung des Antriebsdrehmoments erreicht, die gewährleistet, dass alle Energiewandlungseinheiten stets mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad betrieben werden können. Hierdurch kann bei Einsparung von Kraftstoff das Gesamtantriebsmoment und die Maximalleistung des Fahrzeugs erhöht werden. Das Kraftfahrzeug kann wahlweise leistungsoptimiert oder verbrauchsoptimiert betrieben werden. Hierfür können unterschiedliche Kennfelder in der Steuereinrichtung hinterlegt sowie eine über einen Fahrzeugbenutzer bedienbare Auswahleinrichtung vorhanden sein. Durch die Erfindung kann somit neben einem möglichen elektrischen Boostbetrieb (insbesondere bei niedriger Lastanforderung bzw. niedrigen Drehzahlen) auch ein thermischer Boostbetrieb (insbesondere bei hoher Lastanforderung bzw. hohen Drehzahlen) umgesetzt werden. Dabei wird während des Boostbetriebs jeweils die Leistung der Brennkraftmaschine zumindest teilweise durch die elektrische Maschine ersetzt bzw. durch diese ergänzt.

Claims

Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb umfassend: – drei unterschiedliche Energiewandlungseinheiten, jeweils zur Erzeugung eines auf den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs wirkenden Antriebsmoments, wobei – eine erste Energiewandlungseinheit derart ausgebildet ist, dass sie durch die Verbrennung von Brennstoff ein erstes Antriebsmoment erzeugt, – eine zweite Energiewandlungseinheit derart ausgebildet ist, dass sie unter Verwendung einer elektrischen Potentialdifferenz ein zweites Antriebsmoment erzeugt, und – eine dritte Energiewandlungseinheit derart ausgebildet ist, dass sie durch die Umwandlung von Wärme ein drittes Antriebsmoment erzeugt, – sowie eine mit den Energiewandlungseinheiten wirkverbundene Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Energiewandlungseinheiten derart, dass in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Betriebsstrategie mindestens eine Energiewandlungseinheit, abhängig vom Betriebszustand des Kraftfahrzeugs, ein auf den Antriebsstrang wirkendes Antriebsmoment erzeugt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Ansteuerung der Energiewandlungseinheiten in Abhängigkeit von dem aktuellen Wirkungsgrad mindestens einer Antriebseinheit erfolgt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiewandlungseinheit als Brennkraftmaschine ausgebildet ist, die zweite Energiewandlungseinheit als mit einem elektrischen Energiespeicher gekoppelte elektrische Maschine ausgebildet ist und die dritte Energiewandlungseinheit als eine nach dem Prinzip einer Dampfmaschine arbeitende Wärmekraftmaschine ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, – dass während einer Kaltstartphase des Kraftfahrzeugs, innerhalb der die Brennkraftmaschine eine Temperatur kleiner oder gleich einer vorbestimmten ersten Grenztemperatur aufweist und innerhalb der die Energiespeichereinrichtung der elektrischen Maschine einen vorbestimmten Ladezustand nicht unterschreitet, das Gesamtantriebsmoment ausschließlich durch die elektrische Maschine erzeugt wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Warmlaufphase des Kraftfahrzeugs, innerhalb der die Brennkraftmaschine eine Temperatur größer oder gleich einer vorbestimmten zweiten Grenztemperatur und kleiner oder gleich einer vorbestimmten dritten Grenztemperatur aufweist, das Gesamtantriebsmoment durch die elektrische Maschine und die Brennkraftmaschine gemeinsam, gemäß einem vorbestimmten Aufteilungsverhältnis erfolgt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Normalbetriebsphase des Kraftfahrzeugs, innerhalb der die Brennkraftmaschine oder die Wärmekraftmaschine eine Temperatur größer oder gleich einer vorbestimmten vierten Grenztemperatur aufweist, die Erzeugung eines Grundlastanteils durch die Wärmekraftmaschine erfolgt.