DE102007033575A1 - Antriebsstrang, Hybridfahrzeug und Betriebsverfahren - Google Patents

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Abstract

Ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor, ein Getriebe, eine Elektromaschine und einen elektrischen Energiespeicher, wobei die Elektromaschine als Generator zum Laden des elektrischen Energiespeichers und/oder unter Entladen des elektrischen Energiespeichers als Motor nutrzbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher als Schwungradmassenspeicher mit zugeordneter zweiter Elektromaschine ausgeführt ist, wobei der Schwungmassenspeicher über eine eigene Kupplung mit dem Verbrennungsmotor mechanisch koppelbar und damit auch mechanisch lad- und entladbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug gem. dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ein ebenfalls ein entsprechendes Hybridfahrzeug sowie Betriebsverfahren.
  • Hybridfahrzeuge weisen üblicherweise einen Verbrennungsmotor und wenigstens eine Elektromaschine auf. Dabei ist der Verbrennungsmotor entweder zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, beispielsweise der Fahrzeugbatterie (serieller Hybridbetrieb) und/oder als Motor, zum Antrieb des Hybridfahrzeugs (paralleler Hybridantrieb) vorgesehen. Häufig sind auch beide dieser Betriebszustände vorgesehen, indem zeitweise der elektrische Energiespeicher aufgeladen und dann zu anderen Zeiten zum elektrischen Antrieb des Hybridfahrzeugs verwendet wird.
  • Damit ergibt sich das Problem, einen effizienten elektrischen Energiespeicher für ein Hybridfahrzeug bereitzustellen, bei dem insbesondere die Verluste bei der Energieumwandlung minimiert werden.
  • Die erfindungsgemäße Lösung wird bereitgestellt durch einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug gem. den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Hybridfahrzeug gem. den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie durch Betriebsverfahren gem. den Ansprüchen 6 bzw. 8. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug einen elektrischen Energiespeicher aufweist der als Schwungmassenspeicher mit zugeordneter zweiter Elektromaschine ausgeführt ist, wobei der Schwungmassenspeicher über eine eigene Kupplung mit dem Verbrennungsmotor mechanisch koppelbar ist, womit der Schwungmassenspeicher auch mechanisch lad- und entladbar ist. Dabei bietet ein Schwungmassenspeicher gegenüber der üblicherweise verwendeten Batterie bereits die Vorteile einer verschleißfreien Energiespeicherung bei hoher Energiedichte. Durch die Erfindung wird der Schwungmassenspeicher nun nicht nur elektrisch, sondern zusätzlich auch mechanisch nutzbar. Damit entfallen die Verluste bei der Umwandlung von mechanischer in elektrischer Energie und umgekehrt. Des Weiteren kann der Energiespeicher optimal an einen jeweiligen Energieverbraucher bzw. -lieferanten angepasst werden, indem beispielsweise im Bereich hoher Drehzahlen des Schwungmassenspeichers eine Elektromaschine (elektrische Nutzung) und im Bereich niedriger Drehzahlen der Verbrennungsmotor (mechanische Nutzung) eingesetzt werden.
  • In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind der Schwungmassenspeicher, die zugeordnete zweite Elektromaschine sowie die eigene Kupplung als eine Einheit vorgesehen, insbesondere auf einer Welle zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe des Hybridfahrzeugs. Damit ergibt sich eine universell verwendbare Einheit, bei der eine mechanische Verbindung zum Verbrennungsmotor über den Schwungmassenspeicher bzw. die eigene Kupplung vorgesehen ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Schwungmassenspeicher, beide Elektromaschinen sowie Kupplung als eine Einheit vorgesehen sind, insbesondere auf einer Welle zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe des Hybridfahrzeugs. Dies ermöglicht ein einfach aufzubauendes Hybridfahrzeug bei dem wesentliche Komponenten bereits mit einer Einheit baubar sind.
  • Mit Vorteil wird vorgeschlagen, eine weitere Kupplung zum Abkuppeln der zugeordneten zweiten Elektromaschine vom Schwungmassenspeicher vorzusehen. Durch den Entfall der Leerlaufbestromung ergibt sich hiermit eine weitere Energieeinsparung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Hybridfahrzeugs sieht vor, dass die eigene Kupplung geöffnet wird damit der Schwungmassenspeicher über die zugeordnete zweite Elektromaschine elektrische Energie aufnimmt bzw. abgibt, d. h. elektrisch genutzt wird. Bei diesem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren sind verschiedene übliche Hybridfunktionalitäten problemlos realisierbar. Insbesondere sind ein rein elektrisches Fahren bzw. die Unterstützung des Verbrennungsmotors durch die Elektromaschine (elektrisches Boosten) und das elektrische Laden des Energiespeichers über den Verbrennungsmotor möglich. Zum rein elektrischen Fahren treibt nur die als Motor betriebene Elektromaschine, zum elektrischen Boosten die als Motor betriebene Elektromaschine zusammen mit dem Verbrennungsmotor das Hybridfahrzeug an. Dabei gibt jeweils der Schwungmassenspeicher mechanische Energie an die zugeordnete zweite Elektromaschine ab, die als Generator betrieben wird und somit die elektrische Energie zum Antrieb der Elektromaschine liefert. Zum Laden des Energiespeichers wird die als Generator betriebene Elektromaschine vom Verbrennungsmotor angetrieben, wobei die von der Elektromaschine abgegebene elektrische Energie die dem Schwungmassenspeicher zugeordnete zweite Elektromaschine antreibt. Mithin wird die dem Schwungmassenspeicher zugeordnete zweite Elektromaschine als Motor genutzt, zum mechanischen Antreiben des Schwungmassenspeichers und damit zu dessen Aufladung. Hier ist auch eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors zu dessen Verbrauchsoptimierung möglich. Ein Rekuperieren ist im Schubbetrieb des Hybridfahrzeugs darstellbar, also z. B. wenn zu dessen Verzögerung oder bei einer Talabfahrt der Verbrennungsmotor ausgekuppelt bzw. abgeschaltet (nicht befeuert) und die Elektromaschine als Generator betrieben wird. Die dabei gelieferte elektrische Energie treibt dann die dem Schwungmassenspeicher zugeordnete zweite Elektromaschine an. Diese wird mithin als Motor betrieben, zum mechanischen Antrieb des Schwungmassenspeichers und damit zu dessen Aufladung.
  • Die laufende Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie kann entweder durch die als Generator betriebene und vom Verbrennungsmotor angetriebene Elektromaschine, oder aber durch Abgabe von mechanischer Energie des Schwungmassenspeichers an die als Generator betriebene zugeordnete zweite Elektromaschine vorgesehen sein. Insbesondere kann durch eine entsprechende Regelung sichergestellt werden, dass der Verbrennungsmotor stets mit gutem Wirkungsgrad betrieben wird. Dazu kann auch eine Aufteilung derart vorgesehen sein, dass die vom Verbrennungsmotor angetriebene Elektromaschine nur soviel elektrische Energie liefert dass ein Betrieb des Verbrennungsmotors mit optimalem Wirkungsgrad sichergestellt ist. Der vom Bordnetz benötigte Rest an elektrischer Energie wird dann bedarfsweise durch Abgabe von mechanischer Energie des Schwungmassenspeichers an die zugeordnete zweite Elektromaschine zugeliefert. Dementsprechend kann auch die Aufladung des Schwungmassenspeichers geregelt werden, zur Sicherstellung eines Betriebs des Verbrennungsmotors mit optimalem Wirkungsgrad. Beispielsweise wird der Lastpunkt des Verbrennungsmotors angehoben, zum Betrieb der Elektromaschine als Generator. Die gelieferte elektrische Energie treibt dann die dem Schwungmassenspeicher zugeordnete zweite Elektromaschine an. Diese wird mithin als Motor betrieben, zum mechanischen Antrieb des Schwungmassenspeichers und damit zu dessen Aufladung.
  • Vorteilhaft ist ein elektrischer Energiespeicherbetrieb, in dem bei näherungsweise Stillstand des Hybridfahrzeugs der Schwungmassenspeicher durch Öffnen der eigenen Kupplung durch den Verbrennungsmotor elektrisch aufgeladen wird. Die Elektromaschine wird dabei über den Verbrennungsmotor angetrieben, zum Betrieb als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie. Diese elektrische Energie wird dann zum Antrieb der dem Schwungmassenspeicher zugeordneten zweiten Elektromaschine genutzt. Die zweite Elektromaschine wird mithin als Motor betrieben, zum mechanischen Antrieb des Schwungmassenspeichers und damit zu dessen Aufladung.
  • Ein erfindungsgemäßes alternatives Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Hybridfahrzeugs sieht vor, dass die eigene Kupplung geschlossen wird damit der Schwungmassenspeicher mit dem Verbrennungsmotor mechanisch gekoppelt wird, womit der Schwungmassenspeicher mechanische Energie aufnimmt bzw. abgibt. Dies ermöglicht eine Nutzung der im Schwungmassenspeicher gespeicherten mechanischen Energie ohne elektrische Umwandlungsverluste. Hierbei kann aus Komfortgründen vorgesehen sein, dass vor dem Schließen der eigenen Kupplung die Differenz der Drehzahlen zwischen Schwungmassenspeicher und Verbrennungsmotor durch die als Motor betriebene dem Schwungmassenspeicher zugeordnete zweite Elektromaschine elektrisch minimiert wird. Insbesondere ist ein Seriellhybridbetrieb realisierbar, indem der Schwungmassenspeicher durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird und über die zugeordnete zweite Elektromaschine elektrische Energie für die Elektromaschine zum Antrieb des Hybridfahrzeugs liefert. Dies ermöglicht einen leistungsgeregelten Betrieb des Verbrennungsmotors am Verbrauchsoptimum. Die Elektromaschine zum Antrieb des Hybridfahrzeugs variiert das Moment in Abhängigkeit von der Drehzahl und das zugeordnete Getriebe schaltet wirkungsgradoptimal (Eta der Elektromaschine mal Eta des Getriebes). Mit anderen Worten ermöglicht dies ein elektrisches stufenloses Getriebe (E-CVT-Betrieb).
  • In vorteilhafter Weise ist ein Start bzw. Wiederstart des Verbrennungsmotors auf mechanischem Wege durch den Schwungmassenspeicher vorgesehen. Dazu kann das Getriebe des Hybridfahrzeugs in die Neutralstellung geschaltet bzw. die Kupplung zwischen Getriebe und Verbrennungsmotor geöffnet werden. Sodann wird über schleifenlassen der zugeordneten eigenen Kupplung der Verbrennungsmotor durch den Schwungmassenspeicher mechanisch angestartet. Alternativ ist ein Start bzw. Wiederstart des Verbrennungsmotors auf elektrischem Wege vorgesehen. Zum Start wird dabei in herkömmlicher Weise der elektrische Energiespeicher genutzt, während zum Wiederstart die zugeordnete eigene Kupplung geöffnet und der Verbrennungsmotor durch die Elektromaschine angestartet wird. Dabei wird zur Erhöhung der Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers (z. B. Zyklusfestigkeit der Fahrzeugbatterie) der Verbrennungsmotor bevorzugt auf mechanischem Wege gestartet. Falls dies nicht möglich sein sollte, z. B. wenn nach langer Stillstandszeit der Schwungmassenspeicher nicht mehr genügend Energie aufweist, wird der Verbrennungsmotor auf elektrischem Wege angestartet. Die Auswahl zwischen elektrischem und mechanischem Weg wird insbesondere automatisiert, z. B. durch eine entsprechende elektronische Schaltung mit Überwachung des Schwungmassenspeichers, realisiert. Alternativ oder zusätzlich ist eine manuelle Selektion, z. B. über einen Schalter, vorgesehen.
  • In vorteilhafter Weise ist ein mechanischer Energiespeicherbetrieb vorgesehen, in dem bei näherungsweise Stillstand des Fahrzeuges der Schwungmassenspeicher durch Schließen der eigenen Kupplung durch den Verbrennungsmotor mechanisch aufgeladen wird. Dazu kann das Getriebe des Hybridfahrzeugs in die Neutralstellung und die eigene Kupplung schleifend geschaltet werden.
  • Der elektrische bzw. mechanische Energiespeicherbetrieb bei näherungsweise Fahrzeugstillstand ermöglicht eine Schnellaufladung des Energiespeichers im Stand mit anschließendem „Rennstart" des Hybridfahrzeugs. Hierzu wird von den Vorteilen des Schwungmassenspeichers als elektrischer Energiespeicher Gebrauch gemacht. Insbesondere beim mechanischen Aufladen kann die dafür erforderliche elektrische Energie sehr schnell bereitgestellt werden. Dies kann etwa beim Warten vor einer Lichtsignalanlage realisiert werden, wenn dem Fahrer bekannt ist, dass in Kürze ein Fahrzeugstart ansteht. In diesem Falle lädt er beispielsweise während der Rotphase den Schwungmassenspeicher auf, um beim Umspringen der Lichtsignalanlage auf grün einen schnellen Start durchzuführen. Beim schnellen Start wird die im Schwungmassenspeicher gespeicherte Energie in Abhängigkeit der maximal möglichen Traktion über die Elektromaschine dem Getriebe zugeführt und somit ein Rennstart ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich ist ein elektrischer Energiespeicherbetrieb vorgesehen. Insbesondere kann eine optimierte Schnellaufladung des Schwungmassenspeichers vorgesehen sein, indem zuerst (also im Bereich niedriger Drehzahlen des Schwungmassenspeichers) der Verbrennungsmotor und danach (also im Bereich hoher Drehzahlen des Schwungmassenspeichers, auch deutlich höher als die Drehzahl des Verbrennungsmotors) eine Elektromaschine eingesetzt werden. Hierzu kann eine automatische bzw. manuelle Umschaltung verwendet werden, ggf. kombiniert mit einer Bedienschnittstelle zum Einleiten der Schnellaufladung wie z. B. einem entsprechenden Schalter oder Pedal.
  • Zusammenfassend ermöglicht die vorliegende Erfindung, ein Hybridfahrzeug mit Schwungmassenspeicher, eine besondere vorteilhafte Speicherung von Energie. Dies erfolgt annähernd verschleißfrei, mit hoher Energiedichte und bei gutem Wirkungsgrad der Speicherung bzw. Abgabe von Energie. Durch die Anordnung des Schwungmassenspeichers im Antriebsstrang ist ein elektrischer und/oder mechanischer Antrieb bzw. Abtrieb realisierbar.
  • Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
  • In 1 ist die Erfindung schematisch dargestellt. Dabei werden verschiedene Komponenten eines herkömmlichen Antriebsstrangs verwendet, wie der Verbrennungsmotor VM, das über eine Kupplung K1 angebundene Getriebe G sowie die elektrischen Komponenten Bordnetz B und Starterbatterie S.
  • Als zusätzliche Komponenten sind nun eine erste und zweite Elektromaschine E1 und E2, der Schwungmassenspeicher SM, eine weitere Kupplung K2 sowie die Leistungselektronik LE vorgesehen. Dabei ist der Schwungmassenspeicher SM über die eigene Kupplung K2 an den Verbrennungsmotor VM mechanisch angebunden. Weiterhin ist dem Schwungmassenspeicher SM die zweite Elektromaschine E2 zugeordnet. Diese zugeordnete zweite Elektromaschine E2 kann entweder als Generator betrieben werden und damit elektrische Energie abgeben, oder als Motor und damit elektrische Energie aufnehmen. Anders ausgedrückt wird die zugeordnete zweite Elektromaschine E2 beim mechanischen Entladen des Schwungmassenspeichers SM als Generator und beim elektrischen Laden des Schwungmassenspeichers SM als Motor betrieben.
  • Wenn die eigene Kupplung K2 geöffnet ist, besteht keine mechanische Anbindung des Schwungmassenspeichers SM an den Verbrennungsmotor VM. In dieser Konfiguration verhält sich die Kombination aus Schwungmassenspeicher SM und zweiter Elektromaschine wie ein rein elektrischer Energiespeicher. Wird jedoch die eigene Kupplung K2 geschlossen, so wird eine mechanische Anbindung des Schwungmassenspeichers SM und damit auch der zugeordneten zweiten Elektromaschine E2 an den Verbrennungsmotor VM ermöglicht.
  • In 2 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier sind der Schwungmassenspeicher SM, die zugeordnete zweite Elektromaschine E2 sowie die eigene Kupplung K2 als eine Einheit 1 auf der Welle zwischen dem Verbrennungsmotor VM und dem Getriebe G des Hybridfahrzeugs vorgesehen. Die über die Kupplung K1 angebundene Elektromaschine E1 sowie Getriebe G sind als weitere Einheit 2 ausgeführt. Damit ergibt sich eine für verschiedene Kupplungen K1 bzw. Elektromaschinen E1 verwendbare integrierte Einheit, die bei kompakter Bauweise einen minimierten Platzbedarf zwischen Verbrennungsmotor VM und dem Getriebe G erfordert.
  • In 2 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier sind der Schwungmassenspeicher SM, die zugeordnete zweite Elektromaschine E2 sowie die eigene Kupplung K2 als eine Einheit 1 auf der Welle zwischen dem Verbrennungsmotor VM und dem Getriebe G des Hybridfahrzeugs vorgesehen. Die über die Kupplung K1 angebundene Elektromaschine E1 sowie Getriebe G sind als weitere Einheit 2 ausgeführt. Damit ergibt sich eine für verschiedene Kupplungen K1 bzw. Elektromaschinen E1 verwendbare integrierte Einheit, die bei kompakter Bauweise einen minimierten Platzbedarf zwischen Verbrennungsmotor VM und dem Getriebe G erfordert und dennoch relativ universell verwendbar ist.
  • In 3 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier sind der Schwungmassenspeicher SM, beide Elektromaschinen E1 und E2 sowie Kupplungen K1 und K2 als eine Einheit auf der Welle zwischen dem Verbrennungsmotor VM und dem Getriebe G des Hybridfahrzeugs vorgesehen. Dies ermöglicht eine hoch integrierte Einheit für ein einfach aufzubauendes Hybridfahrzeug, bei dem wesentliche Komponenten bereits mit einer einzigen besonders kompakten Einheit zwischen Verbrennungsmotor VM und dem Getriebe G baubar sind.

Claims (10)

  1. Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor, ein Getriebe, eine Elektromaschine und einen elektrischen Energiespeicher, wobei die Elektromaschine als Generator zum Laden des elektrischen Energiespeichers und/oder unter Entladen des elektrischen Energiespeichers als Motor nutzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher als Schwungmassenspeicher mit zugeordneter zweiter Elektromaschine ausgeführt ist, wobei der Schwungmassenspeicher über eine eigene Kupplung mit dem Verbrennungsmotor mechanisch koppelbar und damit auch mechanisch lad- und entladbar ist.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei der Schwungmassenspeicher, die zugeordnete zweite Elektromaschine sowie die eigene Kupplung als eine Einheit vorgesehen sind, insbesondere auf einer Welle zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei der Schwungmassenspeicher, beide Elektromaschinen sowie die eigene Kupplung als eine Einheit vorgesehen sind, insbesondere auf einer Welle zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe.
  4. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zum Abkuppeln der zweiten Elektromaschine vom Schwungmassenspeicher eine weitere Kupplung vorgesehen ist.
  5. Hybridfahrzeug, aufweisend einen Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs gemäß Anspruch 5, bei dem die eigene Kupplung geöffnet wird damit der Schwungmassenspeicher über die zugeordnete zweite Elektromaschine elektrische Energie aufnimmt bzw. abgibt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein Parallelhybridbetrieb vorgesehen ist, insbesondere indem die dem Schwungmassenspeicher zugeordnete zweite Elektromaschine elektrische Energie abgibt zum Betreiben der Elektromaschine als Motor zum rein elektrischen Fahren bzw. zusätzlich zum Verbrennungsmotor (elektrisches Boosten), die dem Schwungmassenspeicher zugeordnete zweite Elektromaschine elektrische Energie aufnimmt die von der als Generator betriebenen und vom Verbrennungsmotor angetriebenen Elektromaschine abgegeben wird (elektrisches Laden), bzw. die dem Schwungmassenspeicher zugeordnete zweite Elektromaschine elektrische Energie aufnimmt die von der als Generator betriebenen Elektromaschine im Schubbetrieb des Hybridfahrzeugs abgegeben wird (Rekuperation).
  8. Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs gemäß Anspruch 5, bei dem die eigene Kupplung geschlossen wird damit der Schwungmassenspeicher mit dem Verbrennungsmotor mechanisch gekoppelt wird und von diesem mechanische Energie aufnimmt bzw. an diesen mechanische Energie abgibt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Seriellhybridbetrieb vorgesehen ist, indem der Schwungmassenspeicher durch den Verbrennungsmotor mechanisch angetrieben wird und über die zugeordnete zweite Elektromaschine elektrische Energie, für die Elektromaschine zum Antrieb des Hybridfahrzeugs, liefert.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem ein Wiederstart des Verbrennungsmotors auf mechanischem Wege durch den Schwungmassenspeicher vorgesehen ist.
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