DE19532128A1 - Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und Verfahren zum Betreiben desselben - Google Patents

Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und Verfahren zum Betreiben desselben

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DE19532128A1
DE19532128A1 DE19532128A DE19532128A DE19532128A1 DE 19532128 A1 DE19532128 A1 DE 19532128A1 DE 19532128 A DE19532128 A DE 19532128A DE 19532128 A DE19532128 A DE 19532128A DE 19532128 A1 DE19532128 A1 DE 19532128A1
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DE
Germany
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control
electrical machine
drive
machine
drive system
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Withdrawn
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DE19532128A
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English (en)
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Ullrich Dr Masberg
Thomas Pels
Klaus-Peter Zeyen
Andreas Dr Gruendl
Bernhard Hoffmann
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Gruendl und Hoffmann GmbH Gesellschaft fuer Elektrotechnische Entwicklungen
Original Assignee
Clouth Gummiwerke AG
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Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Insbesondere bei Antriebssystemen, die einen Verbrennungs­ motor als Antriebsaggregat haben, treten i.a. Un­ gleichförmigkeiten in der Drehung der Triebwelle des Ver­ brennungsmotors auf, welche in erster Linie von den Gas- und Massenkräften des Verbrennungsmotors herrühren. Der­ artige Drehungleichförmigkeiten können den Fahrkomfort beeinträchtigen und zum Verschleiß des Antriebssystems sowie anderer Teile z. B. eines Kraftfahrzeugs führen.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen, einen Verbrennungs­ motor eines Kraftfahrzeugs mit einem System zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten auszustatten. Die Wirkung eines solchen Systems beruht darauf, daß eine elek­ trische Maschine oder eine elektrische Bremse ein wechseln­ des oder auch nur in einer Richtung pulsierendes Drehmoment erzeugt, welches den Drehungleichförmigkeiten entgegenge­ richtet ist und diese dadurch mindert. Beispiele solcher Systeme offenbaren Patent Abstracts of Japan, Band 11, Nr. 28 (M-557), 27. Januar 1987 & JP-A-61 200 333 (NISSAN I), Patent Abstracts of Japan, Band 4, Nr. 29 (M-002), 14. März 1980 & JP-A-55 005 454 (TOYOTA) EP-B-0 427 568 (ISUZU), DE-A-32 30 607 (VW), EP-B-0 175 952 (MAZDA), Patent Ab­ stracts of Japan, Band 7, Nr. 240 (M-251), 25. Oktober 1983 & JP-A-58 126 434 (NISSAN II) und DE-A-41 00 937 (FICHTEL & SACHS).
Bei entsprechend ausgerüsteten Antriebssystemen ist also eine aktive Verringerung von Drehungleichförmigkeiten grundsätzlich möglich.
Die Erfindung geht von dem technischen Problem aus, solche Antriebssysteme weiterzubilden und/oder zu vereinfachen.
Sie löst dieses Problem mit einem Antriebssystem, insbeson­ dere für ein Kraftfahrzeug, mit
  • - einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Verbren­ nungsmotor, und
  • - wenigstens einer mit dem Antriebsaggregat, und zwar insbesondere dessen Triebwelle, gekoppelten oder kop­ pelbaren elektrischen Maschine zur aktiven Verringe­ rung von Drehungleichförmigkeiten,
wobei wenigstens ein Sensor des Antriebssystems und/oder wenigstens eine aus Sensorinformation abgeleitete Größe sowohl der Steuerung des Antriebsaggregats als auch der Steuerung der elektrischen Maschine dient, und/oder
wobei eine für die Steuerung der elektrischen Maschine oder des Antriebsaggregats zuständige Steuereinrichtung auch das Antriebsaggregat bzw. die elektrische Maschine teilweise oder ganz steuert (Anspruch 1). Die Begriffe "Steuerung" und "steuern" werden hier in einem weiten Sinn verstanden, der auch "Regelung" und "regeln" umfaßt.
Bei den Drehungleichförmigkeiten kann es sich insbesondere um solche handeln, die bei einem Verbrennungsmotor, ins­ besondere einem Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung, durch die auf die Triebwelle (d. h. insbesondere die Kur­ belwelle) wirkenden Gas- und Massenkräfte der einzelnen Hubkolben auftreten. Beispielsweise treten bei einem Vier­ zylinder-Viertaktmotor relativ große Drehungleichförmig­ keiten in der zweiten Ordnung (d. h. dem zweifachen der Drehfrequenz des Motors) auf; entsprechend bei einem Sechs­ zylinder-Viertaktmotor in der dritten Ordnung. Daneben gibt es Drehungleichförmigkeiten bei höheren Ordnungen sowie stochastisch auftretende Ungleichförmigkeiten. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich z. B. um einen Zweitakt- oder Viertaktmotor mit gerader Zylinderzahl (z. B. 2, 4, 8, 10, 12 Zylinder usw.) oder ungerader Zylinderzahl (1, 3, 5, 7, 9, 11 usw. Zylinder) handeln (der z. B. nach dem Otto- oder dem Dieselprinzip arbeitet). Grundsätzlich kann es sich auch um einen andersartigen Verbrennungsmotor, wie z. B. einen Hubkolbenmotor mit äußerer Verbrennung (sog. Stir­ ling-Motor) handeln. Eine andere Möglichkeit ist ein Kreis­ kolbenmotor (z. B. ein Wankelmotor), bei dem zumindest die Gaskräfte zu Drehungleichförmigkeiten führen können. Da­ neben kommen Turbinen, insbesondere Gas- oder Dampfturbinen in Frage. Bei ihnen sind die Drehungleichförmigkeiten im allgemeinen zwar nur klein; für bestimmte Anwendungen kann es jedoch auch bei ihnen auf besonders guten Rundlauf an­ kommen.
Die Drehungleichförmigkeiten müssen aber nicht (ausschließ­ lich) von dem Antriebsaggregat (z. B. eines Kraftfahrzeugs, Schienenfahrzeugs oder Schiffes) herrühren. Es kann sich vielmehr auch um Drehungleichförmigkeiten handeln, die in einem Antriebsstrang - also zwischen dem Antriebsaggregat und dem Abtriebspunkt entstehen, etwa durch Kardangelenke, räumliche Wellenschwingungen oder Getriebeverschleiß.
Das Antriebssystem kann auch mit mehreren elektrischen Maschinen zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmig­ keiten ausgerüstet sein, z. B. könnte bei einem Kraftfahr­ zeug eine erste Maschine direkt auf die Triebwelle des An­ triebsaggregats wirken, während eine zweite Maschine ab­ wärts einer Kupplung, z. B. zwischen Kupplung und Getriebe zum Verringern von Drehungleichförmigkeiten des Trieb­ strangs dient.
Eine "elektrische Maschine" ist jede Art von Maschine für Rotationsbewegungen, die sowohl als elektrischer Motor wie auch als elektrische Bremse, ggf. als Generator betrieben werden kann.
Grundsätzlich kann die Kopplung der elektrischen Maschine mit dem Antriebsaggregat mittelbar sein, z. B. über ein Getriebe. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um eine di­ rekte Kopplung, bei der z. B. der Läufer der elektrischen Maschine - ähnlich einem Schwungrad - unmittelbar auf der Triebwelle des Antriebsaggregats oder einer ggf. koppel­ baren Verlängerung dieser Welle sitzt.
Während bei dem eingangs zitierten Stand der Technik das Drehungleichförmigkeits-Verringerungssystem als vom Antriebsaggregat unabhängiges Zusatzsystem konzipiert ist, lehrt die Erfindung statt dessen, eines oder mehrere Ele­ mente des Antriebssystems gemeinsam zur Steuerung der bei­ den Teilsysteme, also des Antriebsaggregats und der elek­ trischen Maschine zu nutzen. Auch eine Getriebesteuerung, etwa eines automatischen Getriebes, wird hier der An­ triebsaggregat-Steuerung zugerechnet. Die gemeinsame Nut­ zung von Steuerelementen bezieht sich also auch auf das Paar "elektrische Maschine - Getriebe".
Bei dem gemeinsam genutzten Element kann es sich einerseits um einen Sensor (z. B. einen (Kurbel-)Wellenwinkel-Sensor oder eine Drehmomentmeßeinrichtung) und/oder um aus Sen­ sorinformation abgeleitete Größen (z. B. eine daraus abge­ leitete Drehgeschwindigkeit bzw. Drehmomentänderung) han­ deln, die gemeinsam gesonderten Steuereinrichtungen für das Antriebsaggregat und die elektrische Maschine zugeordnet sind. Andererseits kann es sich hierbei auch um eine Steu­ ereinrichtung selbst handeln, welche für die Steuerung der elektrischen Maschine oder des Antriebsaggregats zuständig ist und daneben auch das Antriebsaggregat bzw. die elek­ trische Maschine teilweise oder ganz steuert. Selbstver­ ständlich ist es auch möglich, diese beiden Aspekte gemein­ samer Nutzung miteinander zu vereinen, d. h. wenigstens einen Sensor bzw. eine aus Sensorinformation abgeleitete Größe und eine Steuereinrichtung gemeinsam für die Steue­ rung der elektrischen Maschine und des Antriebsaggregats zu nutzen.
Die Tatsache, daß die beiden Teilsysteme völlig unter­ schiedliche Funktionen haben, scheint zunächst für deren unabhängige Steuerung zu sprechen, wie es im Stand der Technik vorgeschlagen wird. Die erfindungsgemäße gemeinsame Nutzung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß auf­ grund der völlig unterschiedlichen Anforderungen an die beiden Teilsysteme manche Sensoren bzw. aus Sensorinforma­ tion abgeleitete Größen des einen Teilsystems genauer und/ oder schneller als die des anderen arbeiten müssen, sowie daß die Steuereinrichtung eines der beiden Teilsysteme i.a. des einen Teilsystems zumindest hinsichtlich mancher Steuer­ aufgaben genauer und schneller arbeitet als die des ande­ ren Teilsystems. Beispielsweise kann zur Drehungleichför­ migkeits-Verringerung ein sehr hochauflösender Kurbelwel­ lenwinkelsensor bereitstehen, von dem schnell und genau der momentane Triebwellenwinkel und ggf. auch die momentane Drehgeschwindigkeit abgeleitet wird; die Verwendung dieser Steuerelemente kann bei der Antriebsaggregatsteuerung (z. B. Steuerung des Zünd- und/oder Einspritzbeginn-Zeitpunkts) vorteilhaft sein. Entsprechendes gilt, wenn beispielsweise eines der Teilsysteme eine sehr leistungsfähige und schnel­ le Steuer- bzw. Regeleinrichtung, z. B. in Form eines Hoch­ leistungscomputer-Systems aufweist. Zum Beispiel kann eine sehr hochfrequente Steuereinrichtung der elektrischen Ma­ schine zu einem Geschwindigkeitszuwachs in der Steuerung bzw. Regelung des Antriebsaggregats führen. Ferner kann es - falls in einem oder beiden Teilsystemen eine Steuerung auf (rückgekoppelter) Regelung beruht - bei unabhängiger Steue­ rung der beiden Teilsysteme in bestimmten Fällen zu Steuer­ interferenzen und -instabilitäten kommen, was durch die gemeinsame Steuerung vermieden wird.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem hat somit folgende Vorteile:
  • - es erlaubt eine genauere und schnellere Steuerung;
  • - es hilft, Steuerinterferenzen und -instabilitäten zu vermeiden; und
  • - es vereinfacht das Gesamtsystem und führt so zu einer Kosteneinsparung und Reduzierung von Störquellen.
Vorzugsweise mißt der gemeinsam genutzte Sensor eine oder mehrere der folgenden Größen und/oder ist die aus Sensor­ information abgeleitete, gemeinsam genutzte Größe eine der folgenden Größen: Triebwellen-Winkelstellung, Drehzahl, Winkelbeschleunigung, Lastzustand, Temperatur, Abgaszusam­ mensetzung, Verbrennungsluftmenge bzw. -masse, Drosselklap­ penstellung, Kraftstoffmenge, Einspritzzeitpunkt, Gasdruck, jeweils des Antriebsaggregats; zum Antrieb der elektrischen Maschine dienender Strom, Zwischenkreisspannung, Frequenz, Phase, Schaltzustände von Wechselrichterschaltern, jeweils des Wechselrichters (falls vorhanden); Winkelstellung, Drehzahl, Winkelbeschleunigung, Drehmoment, jeweils der elektrischen Maschine; Geschwindigkeit, Längs- und Querbe­ schleunigung, jeweils des Fahrzeugs; Drehzahl der Getrie­ beabtriebswelle; Winkelstellung, Drehzahl, Winkelbeschleu­ nigung, jeweils eines oder mehrerer Fahrzeugräder; Schlupf eines oder mehrerer Antriebsräder; Zylinderabschalt- und/oder -anschaltsignal (Anspruch 2). Aus den elektrischen Größen Strom, Zwischenkreisspannung Frequenz, Phase, und/ oder Schaltzustände von Wechselrichterschaltern kann ohne weitere Sensoren auf den momentanen Fluß, das momentane Drehmoment und die momentane Drehzahl geschlossen werden.
Die gemeinsame Steuerung der beiden Teilsysteme braucht nicht etwa permanent vorzuliegen. Es kann vielmehr vorteil­ haft sein, daß die für die Steuerung der elektrischen Ma­ schine bzw. des Antriebsaggregats zuständige Steuereinrich­ tung das Antriebsaggregat bzw. die elektrische Maschine nur während bestimmter Betriebszustände teilweise oder ganz steuert (Anspruch 3). Wenn beispielsweise im Leerlaufbe­ trieb des Antriebsaggregats eine Antriebsaggregat-Steuer­ einrichtung die Leerlaufdrehzahl durch rückgekoppelte Rege­ lung konstant zu halten sucht und gleichzeitig die elek­ trische Maschine zur Drehungleichförmigkeits-Verringerung wechselnde Drehmomente auf die Triebwelle ausübt, kann es zu Regelinterferenzen kommen. Läßt man hingegen die für die elektrische Maschine zuständige Steuereinrichtung auch die Steuerung der Leerlaufdrehzahl des Antriebsaggregats über­ nehmen (oder umgekehrt), so kann man derartige Steuerin­ terferenzen ausschließen. In anderen Betriebszuständen jenseits des Leerlaufbetriebs kann die Steuerung der beiden Teilsysteme hingegen getrennt durchgeführt werden.
Die für die Steuerung der elektrischen Maschine zuständige Steuereinrichtung ist i.a. - insbesondere wenn sie einen Wechselrichter ansteuert - sehr schnell und leistungsfähig und kann daher vorteilhaft eine oder mehrere der folgenden Steueraufgaben zur Steuerung (oder auch rückgekoppelten Regelung) des Antriebsaggregats teilweise oder ganz über­ nehmen: Drehzahlsteuerung (inbesondere im Leerlauf), Kraft­ stoffzufuhrsteuerung, Drosselklappensteuerung (insbesondere im Leerlauf), Kraftstoffeinspritz-Steuerung, Zündungssteue­ rung, Ventilsteuerung (bei Motoren mit verstellbaren Ven­ tilsteuerzeiten oder elektromagnetisch betätigten Venti­ len), Kühlungssteuerung (z. B. bei Antriebssystemen mit hohem Kühlmitteltemperaturniveau (z. B. 130°C) und aktiver Kühlung), Abgasreinigungssteuerung (z. B. Lambdasteuerung), Abgasrückführungssteuerung, Klopfregelung, Ladedruckrege­ lung, Zylinderabschaltung, Start-Stop-Steuerung, Getriebe­ steuerung (Anspruch 4).
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, daß die für die Steuerung des Antriebsaggregats zuständige Steuereinrich­ tung eine oder mehrere der folgenden Steueraufgaben zur Steuerung der elektrischen Maschine teilweise oder ganz übernimmt: Drehmomentsteuerung, direkte oder indirekte Ansteuerung von Wechselrichter-Schaltern (bei wechselrich­ tergesteuerter elektrischer Maschine), Steuerung einer Starterfunktion (falls die elektrische Maschine auch als Starter fungiert), Steuerung einer Zusatzdrehmoment-Funk­ tion, insbesondere Generatorfunktion (falls die elektrische Maschine auch als Generator fungiert) oder einer elektroma­ gnetischen Kupplungs- und/oder Synchronisierungsfunktion (falls die elektrische Maschinen diese Funktionen ausführt) (Anspruch 5).
Diese beiden Möglichkeiten sind im übrigen in dem Grenzfall deckungsgleich, in dem eine gemeinsame Steuereinrichtung die gesamte Steuerung sowohl des Antriebsaggregats als auch der elektrischen Maschine übernimmt.
Vorteilhaft ist die elektrische Maschine eine Dreh- oder Wanderfeldmaschine (Anspruch 6). Unter "Drehfeldmaschine" wird - im Gegensatz zu einer Stromwendermaschine - eine Maschine verstanden, in der ein magnetisches Drehfeld auf­ tritt. Hierbei kann es sich z. B. um eine Asynchron- oder Synchronmaschine, insbesondere für Dreiphasenstrom, oder um eine Maschine mit elektronischer Kommutierung handeln. Bei einer Drehfeldmaschine überstreicht das magnetische Feld einen vollen 360°-Grad-Umlauf, bei einer Wanderfeldmaschine hingegen nur einen oder mehrere Ausschnitte hiervon. Bei der Wanderfeldmaschine kann es sich also z. B. um eine Asyn­ chron- oder Synchronmaschine handeln, deren Ständer sich nur über einen oder mehrere Sektoren des Läufers erstreckt ähnlich einem bzw. mehreren gekrümmten Linearmotor(en).
Das Antriebssystem weist vorzugsweise wenigstens einen Wechselrichter zum Erzeugen der für die magnetischen Felder der elektrischen Maschine benötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase auf (Anspruch 7). Der Wechselrichter kann die für die magneti­ schen Felder (insb. Dreh- bzw. Wanderfelder) benötigten Spannungen und/oder Ströme mit (innerhalb gewisser Grenzen) frei wählbarer Frequenz, Amplitude oder Phase oder beliebi­ ger Kombinationen dieser Größen erzeugen. Er kann dies vorteilhaft mit Hilfe elektronischer Schalter aus einer vorgegebenen Gleich- oder Wechselspannung oder einem vor­ gegebenen Gleich- oder Wechselstrom tun. Besonders vorteil­ haft sind alle drei Größen - Frequenz, Amplitude und Phase - frei wählbar. Ein Wechselrichterantrieb hat u. a. den Vorteil, mit hoher Variabilität bei unterschiedlichsten Betriebszuständen und verschiedenartigsten Drehungleichför­ migkeiten diese effektiv verringern und in vielen Fällen praktisch vollständig unterdrücken zu können und einfach eine ggf. gewünschte Überlagerung eines Zusatz-Drehmoments mit gewünschter Stärke herbeiführen zu können.
Grundsätzlich kann die die elektrische Maschine so gesteu­ ert werden, daß sie entweder nur Drehungleichförmigkeiten zum Schnellen hin (sog. positive Drehungleichförmigkeiten) oder zum Langsamen hin (sog. negative Drehungleichförmig­ keiten) entgegenwirkt. Besonders wirksam ist jedoch eine Betriebsweise, bei der sie sowohl negativen als auch posi­ tiven Drehungleichförmigkeiten entgegenwirkt (Anspruch 8).
Dabei wird die elektrische Maschine vorzugsweise so gesteu­ ert, daß sie zur Drehungleichförmigkeits-Veringerung ein schnell alternierendes, und zwar bei einer positiven Dre­ hungleichförmigkeit ein bremsendes und bei einer negativen Drehungleichförmigkeit ein antreibendes Drehmoment erzeugt, dem sie vorteilhaft zur zusätzlichen Erzielung einer an­ treibenden Wirkung oder einer bremsenden oder generatori­ schen Wirkung zumindest zeitweise ein positives bzw. nega­ tives Drehmoment überlagern kann (Anspruch 9). Bei Ausge­ staltungen, bei denen die elektrische Maschine außerdem als elektromagnetische Kupplung wirkt, kann an die Stelle des schnell alternierend bremsenden und antreibenden Drehmo­ ments ein schnell variierend größerer und kleinerer Kupp­ lungsschlupf treten.
Unter einer "schnellen Variation" wird eine Variation im Frequenzbereich der zu verringernden Drehungleichförmigkei­ ten verstanden, also z. B. bei der Drehungleichförmigkeit der 2. Ordnung und bei einer Drehzahl von 3000 U/min (in neuerer Einheit ausgedrückt min-1) eine Variation mit einer Frequenz von 100 Hz. Demgegenüber variiert das ggf. über­ lagerte Zusatz-Drehmoment - abgesehen von möglicherweise steilen Flanken am Anfang oder Ende der Überlagerung - im allgemeinen langsam oder ist konstant.
Durch die (insbesondere additive) Überlagerung des Zusatz- Drehmoments in der gewünschten Richtung und Stärke sind die Drehungleichförmigkeits-Verringerung und die Zusatz-Dreh­ momenterzeugung voneinander entkoppelt. Das schnell vari­ ierende Drehmoment wird in seinem Verlauf durch die Über­ lagerung praktisch nicht verändert, nur gegenüber der Nul­ linie verschoben. Ausnahmsweise verändert sich das schnell variierende Drehmoment nur dann, falls der Verbrennungs­ motor aufgrund der mit der Zuschaltung des Zusatz-Drehmo­ ments einhergehenden Laständerung tätsächlich geänderte Drehungleichförmigkeiten zeigt.
Falls das momentan gelieferte Zusatz-Drehmoment kleiner als die momentane Amplitude des Wechsel-Drehmoments ist, zeigt das Gesamt-Drehmoment der elektrischen Maschine - wenn auch gegenüber der Nullinie verschoben - abwechselnd positive und negative Werte. Falls es hingegen größer ist, ist das Gesamt-Drehmoment nur positiv oder negativ, wobei dessen Betrag einen schnell variierenden Anteil enthält. Ein brem­ sendes Zusatz-Drehmoment kann dazu dienen, daß die elek­ trische Maschine den Kupplungsschlupf verringert, eine bremsende Synchronisier-Funktion ausübt, als Generator zur Stromversorgung fungiert und/oder eine Bremsung des Fahr­ zeugs herbeiführt oder unterstützt und/oder etwa im Rahmen einer Anti-Schlupf-Regelung durch Bremsen den Schlupf eines Antriebsrads verringert. Die bei Anwenden dieser Bremsfunk­ tionen generatorisch gewonnene Bremsenergie (Zusatzdrehmo­ ment-Bremsenergie) kann - wie die von Drehungleichförmig­ keiten herrührende - gespeichert werden (z. B. in einem elektrischen Speicher oder in einem Schwungradspeicher) und als Antriebsenergie wiederverwendet oder in ein Netz oder z. B. die Fahrzeugbatterie eingespeist werden. Ein antrei­ bendes Zusatz-Drehmoment kann einer beschleunigenden Syn­ chronisierfunktion dienen oder eine Beschleunigung des Fahrzeugs unterstützen (die elektrische Maschine wirkt dann als "Booster") oder herbeiführen, beispielsweise um Be­ schleunigungslöcher, etwa bei einem Turbolader-Motor, zu füllen.
Um einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad des Antriebs­ systems zu erzielen, wird vorteilhaft die beim Verringern einer positiven Drehungleichförmigkeit gewonnene Energie (Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie) sowie ggf. die bei bremsendem Zusatz-Drehmoment gewonnene Energie (Zusatzdreh­ moment-Bremsenergie) wenigstens teilweise gespeichert und die gespeicherte Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie wird wenigstens teilweise zum Verringern einer negativen Dre­ hungleichförmigkeit wiederverwendet (Anspruch 10).
Die Speicherung der Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie sowie ggf. der zusatzdrehmoment-Bremsenergie kann insbe­ sondere durch die beiden folgenden Ausgestaltungen des Sy­ stems, nämlich durch einen elektrischen Speicher oder einen mechanischen Speicher (Schwungradspeicher) und auch eine Kombination von beiden erfolgen:
Bei der ersten Ausgestaltung dient zur Speicherung der Bremsenergie ein elektrischer Speicher (Anspruch 11), bei­ spielsweise eine Kapazität, Induktivität oder eine (schnel­ le) Batterie. Vorteilhaft ist der Wechselrichter (falls vorhanden) ein Zwischenkreis-Wechselrichter, dessen Zwischenkreis wenigstens einen elektrischen Speicher für Bremsenergie aufweist oder mit wenigstens einem solchen gekoppelt ist. Der Speicher kann entweder ausschließlich der Speicherung von Bremsenergie dienen (in diesem Fall wäre er z. B. zusätzlich zu einem üblicherweise vorhandenen Zwischenkreis-Speicher geschaltet, welcher die beim Wech­ selrichter-Taktbetrieb erforderlichen Spannungs- bzw. Stromimpulse liefern kann), oder er kann nur teilweise der Speicherung der Bremsenergie dienen, also noch andere Ener­ gie - z. B. die zum Taktbetrieb nötige - speichern (im letz­ teren Fall könnte er z. B. mit dem üblichen Zwischenkreis- Speicher zusammenfallen). Im übrigen kann die Ausbildung des Stromrichters als Zwischenkreis-Stromrichter in jedem Fall - z. B. auch ohne Zwischenspeicherung von Bremsenergie - vorteilhaft sein.
Unter einem "Zwischenkreis" versteht man einen Kreis, wel­ cher im wesentlichen Gleichspannung bzw. -strom liefern kann, aus der ein nachgeschalteter Wechselrichter-Teil (der sog. Maschinen-Wechselrichter) durch Pulsen oder Takten variable Wechselspannungen bzw. -ströme bilden kann. Diese Gleichspannung bzw. dieser Gleichstrom muß i.a. besonderen Anforderungen genügen, welche beispielsweise von einer Fahrzeugbatterie kaum erbracht werden könnten: Beispiels­ weise muß bei einem Spannungszwischenkreis-Wechselrichter der Zwischenkreis Spannungsimpulse mit extremer Flankens­ teilheit und auf hohem Spannungsniveau bereitstellen. Eine Fahrzeugbatterie ist hierzu i.a. zu langsam und liefert zu niedrige Spannung. Im allgemeinen umfaßt ein Zwischenkreis- Wechselrichter drei Baugruppen, und zwar eine Eingangsbau­ gruppe zur Versorgung mit bzw. Abfuhr von elektrischer Energie, eine Ausgangsbaugruppe in Form des Maschinen-Wech­ selrichters und den dazwischenliegenden Zwischenkreis. Da bei dem Antriebssystem Energie auch über den Maschinen- Stromrichter gewonnen und nach Zwischenspeicherung wieder über diesen abgeführt werden kann, kann der Wechselrichter im Prinzip auch autark d. h. ohne Eingangsbaugruppe arbei­ ten. Der Begriff "Zwischenkreis" bezeichnet auch in diesem Fall - obwohl der Kreis dann nicht mehr zwischen zwei Bau­ gruppen liegt - den Kreis mit der o.g. Funktion, Gleich­ spannung bzw. -strom für den Maschinen-Wechselrichter be­ reitzustellen.
Bei der weiteren Ausgestaltung dient ein Schwungrad zur Speicherung der Bremsenergie (Anspruch 12). Vorzugsweise ist das Schwungrad elektrisch über eine (zweite) elektri­ sche Maschine mit dem System gekoppelt. Hierbei kann es sich z. B. um eine von einem eigenen Stromrichter gesteuerte Drehfeld- oder Stromwendermaschine handeln. Im Fall einer zwischenkreis-stromrichtergesteuerten (ersten) Maschine zur Drehungleichförmigkeits-Verringerung können beide Strom­ richter vorteilhaft jeweils in ihrem Zwischenkreis elek­ trisch miteinander gekoppelt sein. Die elektrische Maschine zur Drehungleichförmigkeits-Verringerung und die Schwung­ rad-Maschine arbeiten im Gegentakt: Wenn erstere bremsend wirkt, beschleunigt zweitere das Schwungrad bzw. wenn er­ stere antreibend oder weniger bremsend wirkt, bremst zwei­ tere das Schwungrad. Da mit einem solchen Schwungrad-Ener­ giespeicher relativ hohe Energiedichten gespeichert werden können, ist seine Verwendung insbesondere dann vorteilhaft, wenn Anfahrkupplungsschlupf-Energie gespeichert werden soll oder wenn Drehungleichförmigkeiten mit relativ großem Ener­ giegehalt vorliegen, wie es z. B. bei einem Dreizylinder- Viertakt-Dieselmotor der Fall sein kann. Der Schwungrad- Energiespeicher kann auch mit dem o.g. elektrischen Spei­ cher kombiniert werden.
Die (erste) elektrische Maschine kann neben der aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten gleichzeitig oder zeitlich versetzt auch andere Funktionen ausführen und so herkömmlicherweise auf diese Funktionen spezialisierte Ma­ schinen ersetzen. Insbesondere kann sie außerdem die Funk­ tion eines Starters, z. B. für einen mit der Welle gekoppel­ ten Verbrennungsmotor, und/oder die Funktion eines Genera­ tors zur Stromversorgung, z. B. zur Ladung einer Batterie oder Speisung eines Bordnetzes, haben (Anspruch 13). Wäh­ rend des Startvorgangs ist i.a. keine Drehungleichförmig­ keits-Verringerung erforderlich; hierzu wird die elektri­ sche Maschine vorübergehend als reiner Elektromotor betrie­ ben. Die Generatorfunktion ist hingegen i.a. auch während der Drehungleichförmigkeits-Verringerung erwünscht. Durch Überlagerung des schnell variierenden Moments mit einem gleichförmig bremsendes Moment erreicht man im zeitlichen Mittel einen Gewinn elektrischer Energie.
In entsprechender Weise kann die elektrische Maschine auch als Zusatzfunktion ein Beschleunigen und/oder Abbremsen der Welle herbeiführen oder unterstützen (Anspruch 14). Bei­ spielsweise kann dies der Beschleunigung eines Kraftfahr­ zeugs zusammen mit dem Antriebsaggregat dienen. Zum Abbrem­ sen eines Fahrzeugs kann die elektrische Maschine als ver­ schleißfreie, ggf. generatorische Bremse oder Zusatzbremse dienen. Im Zusammenhang mit einer Anti-Schlupf-Regelung kann die elektrische Maschine durch Bremsen schnell das Gesamt-Antriebsmoment und damit den Schlupf eines oder mehrerer Antriebsräder verringern. Bei elektromagnetischer Kupplungsfunktion kann der Antriebsrad-Schlupf statt durch Bremsen auch durch Vergrößern des Kupplungs-Schlupfes verringert werden. Es ist möglich, während der Ausführung dieser Zusatzfunktionen die Drehungleichförmigkeits-Ver­ ringerungsfunktion auszuschalten oder beide Funktionen gleichzeitig auszuführen, etwa - wie oben erläutert - durch Überlagern eines entsprechenden antreibenden bzw. bremsen­ den Moments.
Die bei Anwenden dieser Zusatzfunktionen gewonnene Bremsen­ ergie kann - wie die von Drehungleichförmigkeiten herrüh­ rende - gespeichert werden (z. B. im elektrischen Speicher oder im Schwungradspeicher) und als Antriebsenergie wieder­ verwendet oder in ein Netz oder z. B. die Fahrzeugbatterie eingespeist werden. Um bei der Fahrzeugbremsung mit Hilfe der elektrischen Maschine einen möglichst hohen Wirkungs­ grad der Bremsenergie-Rückgewinnung zu erzielen, trennt man beim Bremsen vorteilhaft die elektrische Maschine vom Ver­ brennungsmotor mit Hilfe einer dazwischengeschalteten, z. B. mechanischen Kupplung.
Bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen, anderen Fahrzeugen und auch stationären Antriebsaggregaten gibt es häufig Hilfs­ maschinen, welche - da sie relativ hohe Leistung aufnehmen - mechanisch vom Antriebsaggregat angetrieben werden, z. B. über Riemengetriebe. Hierbei kann es sich z. B. um Klimama­ schinen, Servoantriebe, Pumpen oder ähnliches handeln. Eine derartige mechanische Antriebskopplung ist i.a. nicht opti­ mal, da die Hilfsmaschine dem Antriebsaggregat durch die von ihm vorgegebenen Drehzahl-Zustände folgen muß. Sie läuft damit einerseits nicht konstant bei ihrer optimalen Drehzahl und muß andererseits auch dann laufen, wenn dies mangels abgefragter Hilfsleistung gar nicht nötig wäre. Um diese Nachteile zu überwinden, ist es vorteilhaft, daß die elektrische Maschine Strom auf relativ hohem Spannungsni­ veau, vorzugsweise höher als 100 Volt, besonders vorzugs­ weise im Bereich von 250-450 Volt liefert, und Hilfsma­ schinen elektrisch auf diesem hohen Spannungsniveau ange­ trieben werden (Anspruch 15). Ein derart hohes Spannungs­ niveau kann insbesondere bei einem Zwischenkreis-Wechsel­ richter im Zwischenkreis bereits vorliegen, und braucht so nicht besonders für diesen Zusatzzweck erzeugt werden. Ein elektrischer statt eines mechanischen Hilfsmaschinen-An­ triebs ist deshalb möglich, da aus dem hohen Spannungsni­ veau relativ kleine Ströme resultieren (im Gegensatz etwa zu dem 12-Volt-Spannungsniveau eines herkömmlichen Kraft­ fahrzeugnetzes). Elektrisch angetrieben kann man die Hilfs­ maschinen im Bedarfsfall bei ihrer optimalen Drehzahl lau­ fen lassen und ansonsten abschalten. Man erreicht so eine deutliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades.
Die aktive Verringerung von Drehungleichförmigkeiten beruht - wie gesagt - darauf, daß die elektrische Maschine positi­ ven und/oder negativen Drehungleichförmigkeiten entgegen­ wirkt, also z. B. bei positiven Drehungleichförmigkeiten bremsend und/oder bei negativen antreibend wirkt. Hierfür benötigt die Steuereinrichtung Information über den Zeit­ punkt und ggf. den Betrag einer positiven bzw. negativen Drehungleichförmigkeit.
Eine Möglichkeit, diese Information zu erhalten, liegt in einer Messung der momentanen Drehungleichförmigkeit oder einer anderen, mit ihr gekoppelten Größe. Beruht der Be­ trieb der elektrischen Maschine auf dieser Information, so handelt es sich um eine (rückgekoppelte) Regelung, da das tatsächliche Vorliegen einer Drehungleichförmigkeit zu einer unmittelbaren Rückwirkung auf diese Drehungleichför­ migkeit führt.
Als andere Möglichkeit verwendet man als Information für den Betrieb der elektrischen Maschine nicht die tatsächli­ che, sondern eine erwartete Drehungleichförmigkeit. Es handelt sich hierbei also um eine (nicht-rückgekoppelte) Steuerung. Beispielsweise kann man bei einem Verbrennungs­ motor Betrag und Vorzeichen der momentanen Drehungleich­ förmigkeit als Funktion des (Kurbel)-Wellenwinkels und eines oder weiterer Betriebsparameter (z. B. Drehzahl und Drosselklappenstellung) einmal an einem Prototyp bestimmen bzw. per Rechner simulieren und mit dieser Information, gespeichert in Form eines Kennfeldes, jeden Serien-Verbren­ nungsmotor ausrüsten. Im Betrieb mißt das System dann den momentan vorliegenden Kurbelwellenwinkel und die weiteren Betriebsparameter (z. B. Drehzahl und Drosselklappenstel­ lung), liest die dazugehörigen gespeicherten Kennfeldwerte für Betrag und Amplitude der erwarteten Drehungleichför­ migkeit, und steuert über die Steuereinrichtung die elek­ trische Maschine entsprechend, um der Drehungleichförmig­ keit entgegenzuwirken.
Möglich ist außerdem eine adaptive Steuerung, d. h. eine (nicht-rückgekoppelte) Steuerung, bei der die Steuerinfo­ mation jedoch nicht feststehend ist, sondern durch Messung zeitlich vorausgehender Drehungleichförmigkeiten definiert oder zumindest modifiziert wird.
Möglich sind ferner Mischformen der genannten Arten, z. B. können die in einem Kennfeld gespeicherten Erwartungswerte bezüglich einer erwarteten Größe adaptiv sein (z. B. bezüg­ lich der Amplitude), während sie bezüglich einer anderen erwarteten Größe (z. B. Wellenwinkel) feststehend sein könn­ ten. Entsprechend läßt sich auch Regelung und Steuerung kombinieren, etwa indem der Wellenwinkel als Erwartungswert aus einem Kennfeld entnommen wird, während die Amplituden­ information aus einer Messung der momentanen Drehungleich­ förmigkeit abgeleitet wird. Eine sehr vorteilhafte Kombina­ tion ist auch eine Regelung mit Vorsteuerung, bei der z. B. in jedem Regelintervall die Regelung zunächst entsprechend einem erwarteten Drehungleichförmigkeitswert aus einem Kennfeld voreingestellt wird (Vorsteuerung) und anschlie­ ßend die i.a. kleineren Abweichungen des tatsächlichen Werts zum voreingestellten Wert nachgeregelt werden (Rege­ lung). Diese Steuerart liefert bei relativ geringem Aufwand ein sehr schnelles und genaues Regelverhalten. Es kann auch vorteilhaft sein, bei niedrigen Drehzahlen (z. B. im Leer­ lauf) mit (rückgekoppelter) Regelung zu arbeiten, dagegen bei höheren Drehzahlen zu (nicht-rückgekoppelter) Steuerung überzugehen (Anspruch 16).
Jede dieser verschiedenen Steuerarten hat ihre Vor- und Nachteile: Eine Kennfeldsteuerung ist besonders einfach, erlaubt aber keine Anpassung etwa an produktions- oder ver­ schleißbedingte Streuungen der Drehungleichförmigkeits- Charakteristik und darüberhinaus auch keine Verringerung von stochastischen Drehungleichförmigkeiten. Eine Regelung hat diese letztgenannten Nachteile nicht, stellt aber hohe Anforderungen an die Geschwindigkeit der Meßwerterfassung und -verarbeitung; auch muß sie Stabilitätsbedingungen genügen. Eine adaptive Steuerung und Mischformen der Steu­ erarten können die Vorteile von Regelung und Steuerung vereinen.
Bei Regelung, adaptiver Steuerung und entsprechenden Misch­ formen muß die Meßgröße nicht unmittelbar die Drehungleich­ förmigkeit (ggf. abgeleitet aus einer Messung der Winkella­ ge oder -geschwindigkeit als Funktion der Zeit) sein. Es kann sich vielmehr auch um eine (oder mehrere) andere Grö­ ße(n) handeln, die einen Schluß auf zumindest einen Teil der auftretenden Drehungleichförmigkeiten erlaubt (erlau­ ben). Bei einem Verbrennungsmotor kann diese Größe vorteil­ haft der Gasdruck in einem oder mehreren Motorzylindern sein. Der Gasdruck ist nämlich eine wesentliche, veränder­ liche Quelle der Drehungleichförmigkeiten. Außerdem zu berücksichtigen ist eine andere wesentliche, praktisch unveränderliche Quelle - die Massenkräfte. Ihr Beitrag kann in einem Kennfeld fest gespeichert sein. Alternativ (oder ergänzend) kann das momentane Drehmoment des Verbrennungs­ motors, z. B. mit Hilfe einer Drehmomentnabe gemessen wer­ den. Die Verwendung des Gasdruckes und/oder des momentanen Drehmoments als Meßgröße erlaubt somit eine relativ ein­ fache und schnelle Regelung, adaptive Steuerung oder ent­ sprechende Mischform (Anspruch 17). Der Gasdruck und/oder das momentane Drehmoment kann auch eine für die Verbren­ nungsmotor-Steuerung nützliche Größe darstellen.
In Fällen, bei denen auf die Welle auch Radialkräfte ein­ wirken - wie bei einem Hubkolbenmotor - wird die Welle neben Drehungleichförmigkeiten i.a. auch zu Radialschwin­ gungen angeregt. Es ist daher vorteilhaft, daß die elek­ trische Maschine einen Feldsektor aufweist oder mehrere Feldsektoren mit wenigstens teilweise unabhängig steuer­ baren Wanderfeldern aufweist, wobei das bzw. die Wander­ feld(er) in dem (den) Feldsektor(en) so gesteuert ist (sind), daß die elektrische Maschine neben Drehungleich­ förmigkeiten auch Radialschwingungen der Welle verringert (Anspruch 18). Hierzu folgende Erläuterung: Beispielsweise bei einer kreisförmig geschlossenen (360°-)Drehfeldmaschine heben sich die auf die Welle wirkenden magnetischen Kräfte aus Symmetriegründen auf, so daß resultierend nur Drehmo­ mente verbleiben. Erstreckt sich das magnetische Feld hin­ gegen nur über einen Sektor (d. h. über weniger als 360°), so ruft das Feld neben einem Drehmoment im allgemeinen auch eine Kraft mit wenigstens einer Komponente in Radialrich­ tung der Welle hervor. Mit einer Sektormaschine können daher außerdem Radialschwingungen verringert werden. Hierzu wird die elektrische Maschine so gesteuert, daß die in Radialrichtung wirkende magnetische Kraft der momentan ablaufenden Radialschwingungs-Auslenkung entgegengesetzt ist. Mit einem einzigen Feldsektor ist eine gleichzeitige Verringerung von Drehungleichförmigkeiten und Radialschwin­ gungen i.a. nur angenähert möglich. Eine noch bessere Wirkung erzielt man mit mehreren unabhängig steuerbaren Wanderfeldern (z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 usw.). Selbstver­ ständlich können die mehreren Feldsektoren räumlich in einen kreisförmig umlaufenden Ständer zusammengefaßt sein, wenn sie nur funktionell als Feldsektoren wirken und un­ abhängig steuerbar sind. Eine elektrische Maschine mit mehreren unabhängigen Feldsektoren kann man übrigens auch als mehrere elektrische Maschinen, die auf einen gemein­ samen Läufer wirken, auffassen.
Alternativ zur Verwendung einer elektrischen Maschine mit unabhängigen Feldsektoren kann das System auch wenigstens einen Aktuator aufweisen, der Radialkräfte auf die Welle ausüben kann und so gesteuert ist, daß er Radialschwingun­ gen der Welle entgegenwirkt. Der Aktuator kann z. B. die Form mehrerer Elektromagnete oder piezoelektrischer Steller haben, die gegenphasig zur Radialschwingung auf die Welle wirken.
Um Radial-Resonanzschwingungen der Welle aus dem Betriebs- Drehzahlbereich herauszuverlegen, kann der Läufer der elek­ trischen Maschine vorteilhaft als passiver Schwingungstil­ ger ausgebildet sein oder es kann ihr ein solcher parallel geschaltet sein.
Die elektrische Dreh- bzw. Wanderfeldmaschine des An­ triebssystems ist vorzugsweise eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine, insbesondere für Drei-Phasen-Strom (Anspruch 19). Eine Asynchronmaschine hat i.a. einen relativ einfach aufgebauten Läufer (i.a. einen Läufer mit Kurzschlußwicklungen oder Wicklungen, deren Enden an Schleifringe geführt sind) und weist daher hinsichtlich der Erstellungskosten und der mechanischen Belastbarkeit Vorteile auf. Sie ist jedoch steuerungstech­ nisch relativ kompliziert, da Betrag und Phasenwinkel des Läuferstromes lastabhängig, aber nicht direkt über Stän­ dergrößen meßbar sind. Für eine Einstellung eines bestimm­ ten Drehmoments ist jedoch eine Kenntnis des Läuferstromes nötig. Hingegen haben Synchronmaschinen (sie haben Läufer mit ausgeprägten Polen, die über Permanentmagnete oder Strom erregt werden) im allgemeinen höhere Erstellungsko­ sten. Sie sind andererseits steuerungstechnisch einfacher zu handhaben, da bei ihnen das Drehmoment im wesentlichen vom Läuferwinkel abhängt, der mit Hilfe eines Läuferlage- Gebers direkt meßbar ist. Bei denjenigen Ausgestaltungen des Systems, die von vornherein einen höheren Steueraufwand haben - wie etwa die oben erläuterte Maschine mit mehreren unabhängigen Feldsektoren - kann daher eine Synchronma­ schine besonders vorteilhaft sein. Reluktanzmaschinen gehö­ ren im weiteren Sinn zu den Synchronmaschinen. Insbesondere bei der Asynchronmaschine erfolgt die Steuerung der elek­ trischen Maschine vorzugsweise auf der Grundlage einer feldorientierten Regelung (sog. Vektorregelung). Hierbei wird, ausgehend von direkt meßbaren momentanen Größen, wie angelegte Spannung, Ständerstrom und ggf. Drehzahl, anhand eines rechnerischen dynamischen Maschinenmodells der Stän­ derstrom in eine drehmomentbildende Komponente, die mit dem Läuferfluß das Drehmoment erzeugt, und eine senkrecht dazu verlaufende, den Maschinenfluß erzeugende Komponente rech­ nerisch zerlegt und so das Drehmoment ermittelt. Diese Steuerungstechnik erlaubt es - obwohl die Stromverhältnisse im Läufer nicht direkt meßbar sind - ein gewünschtes Dreh­ moment mit hoher Genauigkeit einzustellen.
Bei dem (Teil-)System zur aktiven Verringerung von Dreh­ ungleichförmigkeiten handelt es sich i.a. um ein Hilfs­ system, das z. B. im Triebstrang eines Kraftfahrzeugs mit dem Antriebsaggregat angeordnet ist. Wegen seines Hilfs- Charakters sollte es relativ zum Antriebsaggregat wenig Raum beanspruchen, sollte also möglichst kompakt aufgebaut sein. Die im folgenden genannten vorteilhaften Maßnahmen dienen - neben anderen vorteilhaften Zwecken - einem solch kompakten Aufbau.
Eine Maßnahme zur Erzielung hoher Kompaktheit liegt darin, daß die elektrische Maschine eine feine Polteilung, ins­ besondere wenigstens einen Pol pro 45°-Ständerwinkel auf­ weist. Bei einer kreisförmig geschlossenen (360°-)Drehfeld­ maschine entspricht dies einer Gesamtzahl von wenigstens acht Polen. Besonders vorteilhaft sind noch feinere Poltei­ lungen, entsprechend z. B. 10, 12, 14, 16 oder mehr Polen bei der kreisförmig geschlossenen Maschine. Eine feine Polteilung erlaubt es nämlich, die Wickelköpfe des Ständers klein auszubilden, und zwar sowohl in Axial- wie auch in Umfangsrichtung der Maschine, so daß die Maschine in Axial­ richtung insgesamt kürzer ausgebildet sein kann. Auch kann bei feinerer Polteilung der Ständerrücken für den magneti­ schen Rückfluß dünner (und damit auch leichter) ausgebildet sein, mit der Folge, daß bei gleichem Außendurchmesser der Maschine der Läufer einen größeren Durchmesser haben kann. Größerer Läuferdurchmesser führt wegen des in Umfangsrich­ tung längeren Luftspaltes und des größeren wirksamen Hebel­ arms zu einem größeren Drehmoment. Insgesamt führt somit eine feinere Polteilung zu einer kompakteren und leichteren Maschine. Daneben sind wegen der geringeren Wickeldrahtlän­ ge - kleinere Wickelköpfe benötigen weniger nicht-aktiven Wicklungsdraht - die ohmschen Verluste geringer. Da ferner das Streufeld (das den Blindleistungsanteil wesentlich bestimmt) von der Wickelkopffläche abhängt, ist es bei feiner Polteilung relativ gering. Ein geringes Streufeld ist insbesondere bei der Drehungleichförmigkeits-Verringe­ rung vorteilhaft, da hier - anders als bei einer üblichen elektrischen Maschine - dauernd zwischen Motor- und Genera­ torbetrieb hin- und hergewechselt wird und bei dem damit einhergehenden Umpolen laufend Blindleistung aufgebracht werden muß.
Bei schnell laufenden Drehfeld-Maschinen sind feine Pol­ teilungen unüblich, da sie eine relativ hohe Polwechsel­ frequenz bedingen. Ein üblicher Wert für die Polwechsel­ frequenz beträgt beispielsweise 120 Hz. Die im Rahmen der Erfindung verwendete elektrische Maschine hat hingegen vorteilhaft eine hohe maximale Polwechselfrequenz, vor­ zugsweise zwischen 300 und 1600 Hz und mehr, besonders vorzugsweise zwischen 400 Hz und 1500 Hz.
Um den Einfluß von Wirbelströmen im Ständer - die mit stei­ gender Polwechselfrequenz zunehmen - zu verringern, weist der Ständer vorteilhaft dünne Ständerbleche, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,35 mm oder weniger, besonders vor­ zugsweise 0,25 mm oder weniger auf. Als weitere Maßnahme zur Verringerung der Verluste sind die Ständerbleche vor­ zugsweise aus einem Material mit niedrigen Ummagnetisie­ rungsverlusten, insbesondere kleiner als 1 Watt/kg bei 50 Hz und 1 Tesla, gefertigt.
Als weitere Maßnahme, die zu einer kompakten Ausbildung beiträgt, weist die elektrische Maschine vorteilhaft eine innere Fluidkühlung auf. Bei dem Fluid kann es sich vor­ teilhaft um Öl handeln. Eine sehr effektive Kühltechnik besteht darin, die Maschine im Inneren ganz unter Öl zu setzen. Ein Nachteil hiervor ist jedoch, daß oberhalb ca. 500 U/min Turbulenzverluste auftreten, die oberhalb ca. 2000 U/min merkliche Ausmaße annehmen können. Um dem zu begegnen, erfolgt die Zufuhr des Kühlfluids vorteilhaft verlustleistungs- und/oder drehzahlabhängig, wobei es sich bei der Fluidkühlung vorzugsweise um eine Sprühfluidkühlung handelt. In der Maschine befindet sich dann immer nur im wesentlichen soviel Kühlfluid, wie momentan zur Abfuhr der Verlustleistung benötigt wird. Bei sehr hohen Verlustlei­ stungen und/oder niedrigen Drehzahlen kann die ganze Ma­ schine unter Öl gesetzt sein. Die Sprühfluidkühlung stellt eine besonders gute Verteilung des Fluids sicher.
Quantitativ läßt sich die Kompaktheit durch die Größe "Drehmomentdichte" ausdrücken. Vorzugsweise weist die elek­ trische Maschine eine hohe Drehmomentdichte - bezogen auf das maximale Drehmoment - auf, die besonders vorzugsweise größer als 0,01 Nm/cm³ ist (Anspruch 20).
Wie oben ausgeführt wurde, können an einer Welle mit Dre­ hungleichförmigkeiten oft auch Radialschwingungen auftre­ ten, insbesondere bei Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren. Um robust gegenüber Radialschwingungen zu sein, ist das System vorzugsweise so ausgebildet, daß die elektrische Maschine stark im Bereich magnetischer Sättigung arbeitet. Ein Maß für die magnetische Sättigung ist der Strombelag (bei maximalem Drehmoment) im Ständer pro cm Luftspaltlänge in Umfangsrichtung. Vorzugsweise beträgt dieses Maß wenig­ stens 400-1000 A/cm, besonders vorzugsweise wenigstens 500 A/cm. Das Arbeiten stark im Sättigungsbereich erlaubt es, die Maschine mit einem relativ weiten Luftspalt auszu­ bilden. Änderungen des Luftspaltes - wie sie bei Radial­ schwingungen auftreten - wirken sich wegen des Betriebs im Sättigungsbereich kaum aus. Neben der Robustheit gegenüber Radialschwingungen erlaubt diese Maßnahme auch eine Her­ absetzung der Genauigkeitsanforderungen und damit eine beträchtliche Vereinfachung der Fertigung der elektrischen Maschine.
Eine derart kompakte aufgebaute elektrische Maschine hat im allgemeinen eine relativ geringe Induktivität. Um hier dennoch beispielsweise mit Hilfe einer getakteten Spannung einen möglichst genau sinusförmigen Strom zum Erzeugen der elektrischen Dreh- bzw. Wanderfelder zu erzielen, arbeitet der Wechselrichter vorteilhaft zumindest zeitweise mit einer hohen Taktfrequenz, insbesondere 10 kHz bis 100 kHz und höher. Diese Maßnahme ist auch vorteilhaft zur Erzie­ lung einer hohen zeitlichen Auflösung des Systems: Bei­ spielsweise kann man mit einer Taktfrequenz von 20 kHz eine zeitliche Auflösung im Drehmomentverhalten der elektrischen Maschine von 2 kHz erzielen, mit der man eine Drehungleich­ förmigkeit bei 200 Hz wirksam verringern kann (200 Hz ent­ sprechen zum Beispiel der vierten Ordnung bei 3000 U/min). Eine hohe Taktfrequenz hat ferner auch den Vorteil, eine kompakte Bauweise des Wechselrichters selbst zu erlauben: Denn beispielsweise bei einem Spannungszwischenkreis-Wech­ selrichter ist die Kapazität im Zwischenkreis, welche den elektronischen Schaltern des Wechselrichters die Zwischen­ kreisspannung bereitstellt, umgekehrt proportional zur Frequenz, so daß bei höherer Taktfrequenz hierfür eine kleinere Kapazität ausreicht. Die kleineren Zwischenkreis­ kondensatoren können mit kurzen Leitungswegen unmittelbar neben den elektronischen Schaltern angeordnet werden. Fer­ ner kann eine nötige EMV-Filterung (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) des Wechselrichters nach außen kompakter ausgeführt sein, da die Größe der Filter umgekehrt propor­ tional zur Taktfrequenz ist.
Als weitere vorteilhafte Maßnahme zur Erzielung einer kom­ pakten Bauweise des Wechselrichters sind elektronische Schalter des Wechselrichters fluidgekühlt, vorzugsweise siedebadgekühlt (Anspruch 21). Als Siedebad-Kühlmittel kann beispielsweise ein Fluorkohlenwasserstoff verwendet werden.
Bei der Siedebadkühlung verdampft das Kühlmittel an Wärme­ punkten und entzieht ihnen dadurch seine relativ hohe Ver­ dampfungswärme. Der Dampf steigt auf und kann z. B. in einem externen Kühler kondensieren und dabei seine Verdampfungs­ wärme abgeben. Diese Kühltechnik erlaubt kompakteste Anord­ nung der elektronischen Schalter des Wechselrichters ohne jegliche Kühlkörper. Daneben hat sie den Vorteil, daß zur Erreichung auch hoher Kühlleistung relativ geringe Tempera­ turdifferenzen ausreichen: Während bei einer Luftkühlung üblicherweise eine Temperaturdifferenz von 40°C zwischen Kühloberfläche und einem zu kühlenden Chip nötig ist, reicht hier bereits eine Differenz von 2-10°C, insbesonde­ re ungefähr 5°C aus. Als Folge sind hohe Umgebungstempera­ turen tolerabel, beispielsweise bei einer Chiptemperatur von 65°C eine Umgebungstemperatur bis 60°C. Die Abwesen­ heit von Kühlkörpern und die hohe erzielbare Kompaktheit ermöglicht ferner eine hohe Rüttelfestigkeit; daneben er­ laubt das Siedebad die Schaffung einer sauerstofffreien Atmosphäre im Bereich der elektronischen Bauelemente des Wechselrichters, was sich insgesamt lebensdauerverlängernd auswirkt. Das den Kühlraum bildende Gehäuse kann - wenn es aus leitendem Material ausgeführt ist - auch als Abschir­ mung dienen. Elektrische Zwischenkreis-Speicherelemente zum Bereitstellen zu taktender Spannung bzw. zu taktenden Stroms können innerhalb des Kühlgehäuses angeordnet sein, wodurch sich kurze Leitungswege ergeben können. Ein ggf. gesonderter elektrischer Bremsenergie-Speicher kann inner­ halb oder außerhalb des Kühlgehäuses angeordnet sein. Die im letzteren Fall möglicherweise relativ hohen Zuleitungs­ induktivitäten stören nicht, da der Bremsenergie-Speicher auf einer relativ "langsamen" Zeitskala arbeitet.
Eine weitere kühltechnisch vorteilhafte Maßnahme besteht darin, mehrere elektronische Schalter des Wechselrichters, insbesondere 2 bis 20 und mehr, parallel zu schalten. Die Parallelschaltung führt zu einer verteilten Anordnung der Wärmequellen und damit einer relativ geringen Verlustlei­ stungsdichte.
Der Wechselrichter umfaßt vorteilhaft als Schalter Halblei­ terschalter, vorzugsweise schnelle Halbleiterschalter, wie Feldeffekttransistoren - besonders vorzugsweise Metall­ oxidhalbleiter(MOS)-Feldeffekttransistoren, bipolare Tran­ sistoren und/oder bipolare Transistoren mit isoliertem Gateanschluß (IGBTs). Unter "schnellen" Halbleiterschaltern werden insbesondere solche verstanden, die maximale Takt­ frequenzen von 10 bis 100 kHz oder mehr erlauben. MOS-Feld­ effekttransistoren haben bei hohen Taktfrequenzen die rela­ tiv geringsten Verluste. Sie weisen eine ohmsche Charak­ teristik auf (während andere Halbleiterbauelemente im all­ gemeinen eine feste Verlustcharakteristik haben), so daß im Teillastbetrieb die Verluste relativ gering sind.
Der Wechselrichter erzeugt die für die magnetischen Felder der elektrischen Maschine benötigten Spannungen und/oder Ströme vorzugsweise durch Pulse, insbesondere auf der Grundlage von Pulsweiten- oder Pulsamplitudenmodulation. Bei konstanter Zwischenkreisspannung lassen sich durch sinusbewehrte Pulsweitenmodulation bei hohen Taktfrequenzen aufgrund der Maschineninduktivität nahezu sinusförmige Ströme beliebig einstellbarer Frequenz, Amplitude und/oder Phase erzeugen. Bei der Pulsamplitudenmodulation geht man beispielsweise aus von einem Wechselrichter mit variabler Zwischenkreisspannung und erzeugt so Pulse verschiedener Amplituden.
Zur optimalen Ausnutzung des z. B. in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraumes ist es vorteilhaft, daß in die elektrische Maschine, und zwar insbesondere in deren Läufer, eine Kupplung, vorzugsweise eine Fahrkupplung inte­ griert ist (Anspruch 22). Beispielsweise bei einer linear­ motorähnlich aufgebauten Asynchron- und Synchronmaschine mit innenliegendem Läufer kann der Läufer in seinem inneren Bereich funktionslos sein und so zur Aufnahme z. B. einer schaltbaren kraftschlüssigen Kupplung hohl ausgebildet sein. Durch diese Maßnahme ist es möglich, daß die elek­ trische Maschine samt integrierter Kupplung in Axialrich­ tung nur so viel wie oder kaum mehr Raum in Anspruch nimmt als bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeug die Kupplung alleine benötigt. Aufgrund des reduzierten verfügbaren Durchmessers und zur Minimierung des Massenträgheitsmomen­ tes ist eine Ausführung als Mehrscheiben- und/oder Lamel­ lenkupplung bevorzugt. Ist die integrierte Kupplung als Naßkupplung ausgebildet, kann das Kupplungsfluid auch für die Kühlung der elektrischen Maschine sorgen. Die Betäti­ gung der Kupplung kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder mit Mischformen hiervon erfolgen.
Um bei dem System zu jedem Zeitpunkt die momentane Winkel­ lage der Welle zu kennen, ist die elektrische Maschine oder die Welle vorteilhaft mit einem Läuferlage- bzw. Wellenla­ ge-Geber ausgerüstet (Anspruch 23). Aus der Information über die momentane Winkellage kann auf die momentane Win­ kelgeschwindigkeit und -beschleunigung und damit auf momen­ tane Drehungleichförmigkeiten geschlossen werden. Auf die­ ser Information kann - wie oben ausgeführt wurde - bei einem geregelten System die Drehungleichförmigkeits-Ver­ ringerung basieren. Bei einem gesteuerten System wird die Information über die momentane Winkellage und ggf. die momentane mittlere Drehzahl gebraucht, um den richtigen Erwartungswert aus dem Kennfeld auszulesen. Die Information über die momentane mittlere Drehzahl wird auch zur Bestim­ mung der in der Maschine benötigten magnetischen Felder verwendet, ebenso bei einer Synchronmaschine die Informa­ tion über die momentane Winkellage des Läufers. Zur Gewin­ nung einer möglichst genauen Winkellage-Information kann insbesondere ein Drehtransformator (ein sog. Resolver) dienen, also ein Transformator mit winkelabhängigem Über­ tragungsverhältnis. Auch hochauflösende Kodierer sind für diesen Zweck einsetzbar, z. B. eine Kombination aus einem hochauflösenden Inkrementalgeber und einem einfachen Ab­ solutgeber.
Der Innenwirkungsgrad eines Verbrennungsmotors (insbeson­ dere eines Verbrennungsmotors mit äußerer Gemischbildung und Fremdzündung) fällt bei kleinen effektiven Zylinder- Mitteldrücken stark ab, wobei dieser Abfall bei niedrigen Drehzahlen besonders ausgeprägt ist. Leistungsstarke Moto­ ren arbeiten daher, wenn ihnen wenig Leistung relativ zu ihrer Maximalleistung abgefordert wird - also ihr effekti­ ver Mitteldruck gering ist - nur mit einem relativ schlechten Wirkungsgrad.
Ein Abschalten einzelner Motorzylinder in solchen Be­ triebszuständen kann den Wirkungsgrad erhöhen; siehe z. B. "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Herausgeber: Robert Bosch GmbH, Düsseldorf, 21. Auflage, 1991, Seite 361. Denn die Zylinderabschaltung bewirkt eine deutliche Erhöhung des effektiven Mitteldrucks in den nicht-abgeschalteten Zylin­ dern, womit eine beträchtliche Erhöhung des Wirkungsgrades (und zwar um insgesamt bis zu 30%) mit entsprechender Kraftstoffersparnis einhergeht.
Allerdings kommt es i.a. im Zylinderabschaltbetrieb zu größeren Drehungleichförmigkeiten, da üblicherweise Motoren so konstruiert sind, daß sich die Massenkräfte und (mitt­ lere) Gaskräfte teilweise kompensieren, bei Zylinderab­ schaltung jedoch die Gaskräfte praktisch wegfallen, wodurch auch dieser Kompensationseffekt entfällt. Die Folge sind größere Drehungleichförmigkeiten, die Ursache störender Geräusch- und Vibrationsentwicklung sein können, erhöhten Verschleiß verursachen können und zu Komforteinbußen führen können.
Um bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor den Innen­ wirkungsgrad zu erhöhen ohne dabei Drehungleichförmigkeiten verstärkt auftreten zu lassen, umfaßt das System eine Ein­ richtung zur Abschaltung wenigstens eines Teils der Zylin­ der des Verbrennungsmotors, wobei die elektrische Maschine zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten we­ nigstens während Zylinderabschaltbetrieb zumindest bei bestimmten Betriebszuständen aktiv ist (Anspruch 24). Diese Maßnahme führt zu geringeren Drehungleichförmigkeiten im Zylinder-Abschaltbetrieb; führt daher zu geringerer Geräusch- und Vibrationsentwicklung und vermindertem Ver­ schleiß; erlaubt eine Zylinderabschaltung sogar bei Vier­ zylindermotoren; und kann aufgrund dieser Eigenschaften zu einer größeren Verbreitung von Antriebssystemen mit Zylin­ derabschaltung und damit zu einer Verringerung des Roh­ stoffverbrauchs und der Umweltbelastung beitragen.
Der Begriff "Zylinderabschaltung" wird im übrigen in einem weiten Sinn verstanden, der alle Möglichkeiten umfaßt, einen oder mehrere Zylinder nicht mehr aktiv antreibend (und nicht mehr unter Durchsatz von Kraftstoff) zu betrei­ ben. Bevorzugt wird dies durch eine Kraftstoff- und ggf. Zündungsabschaltung der entsprechenden Zylinder erzielt, welche zwecks Verringerung von Gaswechselarbeit durch eine sog. Ventilabschaltung ergänzt sein kann. Grundsätzlich möglich ist auch eine mechanische Stillegung des bzw. der entsprechenden Zylinder, bei der i.a. ebenfalls gegenüber dem Betrieb aller Zylinder stärkere Drehungleichförmigkei­ ten auftreten. Ein - hier ebenfalls mit umfaßter - Sonder­ fall ist die Abschaltung aller Zylinder des Verbrennungs­ motors im Schiebebetrieb.
Die elektrische Maschine zur aktiven Verringerung von Dre­ hungleichförmigkeiten kann im Zylinderabschalt- und -an­ schaltbetrieb aktiv sein, und zwar dauernd oder nur in bestimmten Betriebszustände des Verbrennungsmotors (z. B. nur unterhalb einer bestimmten Drehzahl oder nicht während Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen). Gegebenenfalls kann sich die Stärke, mit der sie auf die Triebwelle wirkt, zwischen Abschalt- und Anschaltbetrieb unterscheiden. Al­ ternativ kann sie nur während des Zylinderabschaltbetriebs aktiv sein, wobei wiederum eine dauernde oder eine auf bestimmte Betriebszustände des Verbrennungsmotors be­ schränkte Aktivität möglich ist.
Grundsätzlich kann die elektrische Maschine so gesteuert sein, daß ihre drehungleichförmigkeitsverringernde Wirkung unabhängig davon ist, ob Zylinderabschalt- oder -anschalt­ betrieb vorliegt. Nimmt man beispielsweise an, daß die Drehungleichförmigkeiten im Anschaltbetrieb halb so groß sind wie im Abschaltbetrieb, dann könnte sie z. B. so ge­ steuert sein, daß sie im Anschaltbetrieb die Drehungleich­ förmigkeiten praktisch vollständig unterdrückt, während sie sie im Abschaltbetrieb verringert. Vorteilhaft folgt sie jedoch der Änderung der Drehungleichförmigkeiten, verändert also bei einem Übergang von Zylinderabschalt- zu -anschalt­ betrieb und/oder zurück ihre Verringerungswirkung, im all­ gemeinen durch eine Änderung von Phasen und Amplituden der zur Verringerung aufgebrachten Drehmomente. Durch diese Maßnahme kann man Drehungleichförmigkeiten sowohl im Ab­ schaltbetrieb als auch im Anschaltbetrieb nahezu vollstän­ dig unterdrücken.
Da - wie gesagt - die Drehungleichförmigkeiten i.a. im Abschaltbetrieb größer als im Anschaltbetrieb sind, nimmt die Verringerungswirkung beim Übergang von Zylinderan­ schalt- zu Zylinderabschaltbetrieb vorzugsweise zu bzw. bei einem umgekehrten Übergang ab.
Falls die elektrische Maschine zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten durch Erfassung der momentan tat­ sächlich vorliegenden Drehungleichförmigkeit allein auf der Grundlage rückgekoppelter Regelung gesteuert wird, kann grundsätzlich die rückgekoppelte Regelung auch beim Über­ gang von Zylinderanschalt- zu Zylinderabschaltbetrieb und/ oder umgekehrt für eine entsprechende Änderung der Verrin­ gerungswirkung sorgen.
Um jedoch bei diesen Übergängen eine Regelverzögerung aus­ zuschließen und eine möglichst instantane Änderung der Verringerungswirkung herbeizuführen, ruft vorzugsweise die Steuerinformation, welche zur Steuerung des Übergangs von Zylinderanschalt- zu -abschaltbetrieb und/oder umgekehrt dient, auch die Veränderung der Verringerungswirkung her­ vor. Beispielsweise kann bei einem kennfeldgesteuerten System zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkei­ ten das die Zylinderab- und -anschaltung herbeiführende Steuersignal auch eine Umschaltung zwischen zwei (ggf. adaptiven) Kennfeldern herbeiführen, von denen eines Infor­ mation über die (erwartete) Drehungleichförmigkeiten bei Abschaltbetrieb und das andere diejenige bei Anschaltbe­ trieb enthält. Bei einer rückgekoppelten Regelung mit Vor­ steuerung kann das Steuersignal z. B. auch zu einer entspre­ chenden, vom Zylinderab- bzw. -anschaltzustand abhängigen Voreinstellung der Regelung dienen, um so eine Regelver­ zögerung zu vermeiden.
Im Bereich privater Kraftfahrzeuge gibt es bei vielen Be­ nutzern Widerstände gegen Antriebssysteme mit Zylinderab­ schaltung, da ihnen die Empfindung, statt beispielsweise mit einem Sechszylindermotor zeitweise nur noch mit einem "Dreizylindermotor" zu fahren, unangenehm ist. Vorteilhaft ist daher das Antriebssystem so ausgebildet, daß der Zylin­ derabschaltbetrieb und Übergange in den und aus dem Zylin­ derabschaltbetrieb für einen Benutzer im wesentlichen un­ merklich sind, (was von Drehungleichförmigkeiten herrühren­ de Wahrnehmungen des Benutzers, wie entsprechende Geräusche und Vibrationen betrifft; verbleiben könnten z. B. geringfü­ gige Unterschiede im Auspuffgeräusch). Erreicht wird dies durch eine derartige Steuerung der Drehungleichförmigkeits- Verringerungswirkung, daß die verbleibenden Drehungleich­ förmigkeiten zumindest an den Übergängen praktisch gleich im An- wie im Abschaltbetrieb sind (und vorzugsweise einen verschwindenden Absolutwert haben).
Im Stadtverkehr laufen Verbrennungsmotoren von Kraftfahr­ zeugen aufgrund häufiger Halte an Ampeln und Kreuzungen einen beträchtlichen Teil ihrer Betriebszeit im Leerlauf. Dies stellt eine erhebliche Resourcenverschwendung und Umweltbelastung dar, da es einen an sich unnützen Mehrver­ brauch an Kraftstoff mit einhergehender Emission giftiger, klimaaktiver oder sonstwie schädlicher Abgase mit sich bringt.
Um diese unnötigen Leerlaufphasen zu verringern, sind be­ reits Personenkraftwagen mit einer sog. Start-Stop-Automa­ tik realisiert worden. Hierbei wird der Verbrennungsmotor bei Eintritt einer bestimmten Stopbedingung (z. B. Fahrzeug­ stillstand und Motor-Leerlauf) automatisch gestoppt, bei­ spielsweise durch Unterbrechen der Kraftstoffzufuhr. Bei Eintritt einer bestimmten Startbedingung (z. B. Betätigen des Fahrpedals oder Einlegen eines Ganges) wird der Ver­ brennungsmotor dann wieder mit Hilfe des elektrischen Star­ ters des Fahrzeugs automatisch gestartet.
Obwohl diese bekannten Antriebssysteme mit Start-Stop-Auto­ matik grundsätzlich funktionieren und eine Verringerung des Gesamt-Kraftstoffverbrauchs möglich erscheinen lassen, haben sie doch auch Probleme, die bislang ihre Verbreitung erschwert haben: Die verwendeten herkömmlichen Starter verursachen ein relativ lautes Startgeräusch, was haupt­ sächlich von den Getriebegeräuschen der Ritzelübersetzung des hochübersetzten Startermotors herrührt (die Übersetzung ist i.a. 1 : 10 bis 1 : 20). Während beim herkömmlichen Kraft­ fahrzeug ohne Start-Stop-Automatik der Starter nur recht selten betätigt wird und daher das laute Startergeräusch hingenommen wird, führt es bei Start-Stop-Automatik mit der dann häufigen Starterbetätigung zu einer störenden Ge­ räuschbelästigung der Fahrzeuginsassen sowie der Straßen­ anwohner im Bereich von Ampeln und Kreuzungen. Darüber hinaus unterliegt der Starter mit seinem Magnetschalter, Ritzel, Einspurmittel und Elektromotor bei der häufigen Betätigung einem außergewöhnlich hohen Verschleiß, dem ein üblich dimensionierter Starter kaum gewachsen ist; es wird daher bei bekannten Antriebssystemen mit Start-Stop-Auto­ matik ein - eigentlich überdimensionierter - Lastwagenan­ lasser verwendet.
Auch ein in dem Buch D. Henneberger "Elektrische Motoraus­ rüstung", Braunschweig 1990, Seiten 98-103, vorgeschlagener Schwungrad-Starter-Generator scheint für eine Start-Stop- Automatik kaum geeignet, da er eine relativ lange Totzeit nach einem Start hat und zu Kupplungsverschleiß führt. Er umfaßt einen als Schwungrad ausgebildeten Läufer, welcher im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs auf der Abtriebs­ welle zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe sitzt und von diesen mit Hilfe je einer Kupplung entkoppelbar ist. Zum Starten wird zunächst das entkoppelte - und damit leerlau­ fende - Schwungrad elektromotorisch beschleunigt. Der ei­ gentliche Startvorgang erfolgt dann bei einer zum Starten ausreichenden Schwungrad-Drehzahl (z. B. bei 1000 U/min) durch schnelles Schließen der Kupplung zum Verbrennungs­ motor. Dadurch wird das Schwungrad abgebremst und die Kur­ belwelle des Verbrennungsmotors beschleunigt, bis beide eine gemeinsame mittlere Drehzahl (z. B. 500 U/min) errei­ chen und der Selbstanlauf des Verbrennungsmotors erfolgt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Antriebssystem mit einer automatischen Start-Stop-Steuerung des Antriebsaggregats ausgerüstet; die elektrische Maschine ist dabei direkt mit der Triebwelle des Antriebsaggregats gekoppelt oder koppelbar und ist so ausgebildet, daß sie das Antriebsaggregat im Zusammenlauf aus dem Stand starten kann (Anspruch 25).
Unter einer "direkten" Kopplung" wird insbesondere eine getriebelose Kopplung des Läufers der elektrischen Maschine mit der Triebwelle verstanden. Die Drehzahl des Läufers gleicht dann vorzugsweise der Drehzahl des Antriebsaggregats. Bei einem "Zusammenlauf" bleibt das Verhältnis der momentanen Drehzahlen des elektrischen Mo­ tors und des Antriebsaggregats - im Unterschied zu dem o.g. Schwungradstarter - im wesentlichen konstant (und zwar hat es insbesondere den Wert Eins). Zusammenlauf "aus dem Stand" bedeutet, daß die elektrische Maschine und das An­ triebsaggregat - anders als bei dem o.g. Schwungrad-Starter - gemeinsam aus dem Stand hochlaufen.
Vorteile dieser Ausgestaltung der Erfindung sind: aufgrund der direkten Kopplung oder Koppelbarkeit der elektrischen Maschine mit der Triebwelle des Antriebsaggregats erzeugt der Starter praktisch keine hörbaren Geräusche; aufgrund des Zusammenlaufs aus dem Stand erfolgt das Starten schnell und mit nur geringer Totzeit; aufgrund der direkten Kopp­ lung und des Zusammenlaufs ist der Starter praktisch ver­ schleißfrei und erreicht einen relativ sehr hohen Wirkungs­ grad; im Vergleich zu einem Schwungrad-Starter hat er ein relativ geringes Gewicht, günstig ist auch der Fortfall des Kupplungssystems zum Einkoppeln des Schwungrads; insgesamt kann das Antriebssystem aufgrund dieser vorteilhaften Ei­ genschaften zu einer größeren Verbreitung der Start-Stop- Automatik führen und so durch Verringerung des Rohstoffver­ brauchs und der Emission von Abgasen einen wesentlichen Beitrag zum Umweltschutz leisten.
Vorteilhaft sitzt der Läufer der elektrischen Maschine auf der Triebwelle (i.a. der Kurbelwelle) des Verbrennungsmo­ tors oder einer (ggf. von ihr entkuppelbaren) Verlängerung. Er ist vorzugsweise drehfest mit der Triebwelle verbunden.
Die automatische Start-Stop-Steuerung veranlaßt vorzugs­ weise ein automatisches Stoppen des Antriebsaggregats, wenn eine Stopbedingung (oder eine von mehreren) erfüllt ist. Zur Definition einer Stopbedingung können verschiedene Einzelbedingungen dienen, z. B.: Nullast, Schiebebetrieb, Leerlauf des Antriebsaggregats (d. h. Drehzahl unterhalb eines bestimmten niedrigen Wertes), Stillstand des Kraft­ fahrzeugs (d. h. Fahrgeschwindigkeit unterhalb eines be­ stimmten kleinen Wertes, z. B. 4 km/h), Antriebsaggregats ist ausgekuppelt, kein Gang ist eingelegt, die Betriebs- oder Feststellbremse ist betätigt, Betätigung eines Stop­ schalters. Diese Einzelbedingungen können die Stopbedingung allein definieren (z. B. Stopbedingung = Stillstand des Kraftfahrzeugs) oder in beliebiger (Unter-)Kombination (z. B. Stopbedingung = Leerlauf des Antriebsaggregats und Stillstand des Kraftfahrzeugs) und/oder in Kombination mit weiteren Betriebsbedingungen z. B. daß die Betriebstempera­ tur des Antriebsaggregats erreicht ist und/oder der Ladezu­ stand der Batterie für weitere Starterbetätigungen ausrei­ chend ist. Das Stoppen des Antriebsaggregats kann entweder sofort bei Eintritt der Stopbedingung (d. h. mit sehr kurzer Reaktionszeit) oder zeitverzögert (z. B. mit einer Reak­ tionszeit von einigen Sekunden) erfolgen. In die Stopbedin­ gung können auch Größen eingehen, welche die Fahr-Vorge­ schichte betreffen, z. B. kann es erforderlich sein, daß das Fahrzeug seit dem letzten Stoppen des Antriebsaggregats wenigstens einmal gefahren ist. Auch ist es möglich, aus der vorausgehenden Fahrcharakteristik zu erkennen, ob sich das Fahrzeug etwa im Stadtverkehr, einem Stop-and-Go-Ver­ kehr einer Verkehrsstauung oder im Überlandverkehr befin­ det; die Größe "Stadtverkehr" kann als weitere Einzelbedin­ gung für die Stopbedingung gefordert sein. Die Reaktions­ zeit kann adaptiv variabel sein, in Abhängigkeit von Ein­ zel- oder Betriebsbedingungen oder der Fahr-Vorgeschichte, z. B. kann sie in dem Fall, daß in der nahen Vergangenheit viele Ampelhalte vorgekommen sind, automatisch verkürzt und im gegenteiligen Fall verlängert werden.
Entsprechend veranlaßt die Start-Stop-Steuerung vorzugs­ weise bei Vorliegen einer Startbedingung (oder einer von mehreren) ein automatisches Starten des Antriebsaggregats mit Hilfe der elektrischen Maschine. Auch zur Definition der Startbedingung können verschiedene Einzelbedingungen - allein oder in (Unter-)Kombination - dienen, z. B.: Betäti­ gung des Fahrpedals, Lösen der Betriebs- bzw. Feststell­ bremse, Betätigen der Kupplung, Berühren oder Bewegen eines Gangschalthebels, Einlegen eines Ganges, Betätigen eines Startschalters. Für die Startbedingung kann das Erfülltsein noch weiterer Bedingungen gefordert sein, z. B. daß der Motor stillsteht und/oder zuvor durch automatischen Stop abgeschaltet worden ist. Ein "Notstart" kann ausgelöst werden, wenn z. B. die Temperatur des Antriebsaggregats unter die Betriebstemperatur abnimmt oder der Ladezustand der Batterie unter einen Grenzwert absinkt. Um hierbei ein unbeabsichtiges Anfahren des Kraftfahrzeugs auszuschließen, kann jedoch das Erfülltsein einer entsprechenden Bedingung - wie etwa "Kein Gang eingelegt" - erforderlich sein.
Herkömmliche Starter bringen wegen ihrer hohen Übersetzung den Verbrennungsmotor nur auf eine relativ niedrige Start- Drehzahl (typischerweise 100-200 U/min), die weit unterhalb dessen Leerlauf-Drehzahl (typischerweise 700-800 U/min) liegt. Entsprechendes gilt für den o.g. Schwungrad-Starter, will man Totzeit und Kupplungsverschleiß in akzeptablen Grenzen halten. Die Drehzahldifferenz zwischen Start-Dreh­ zahl und der Leerlauf-Drehzahl muß der Verbrennungsmotor dann aus eigener Kraft überwinden. Er benötigt hierfür jedoch - da er sich bei diesen Drehzahlen weit unterhalb seiner Leerlauf-Drehzahl in einem sehr ungünstigen Be­ triebsbereich befindet - ein relativ großes Quantum Kraft­ stoff, welches zudem nur unvollständig verbrennt. Jeder Motorstart ist daher mit zusätzlichem Kraftstoffverbrauch und besonders umweltschädlichen Emissionen verbunden. Dies macht insgesamt einen Teil der ökologisch günstigen Aus­ wirkungen einer Start-Stop-Automatik wieder zunichte. Vor­ zugsweise ist daher das Antriebssystem so ausgebildet, daß die elektrische Maschine wenigstens im wesentlichen bis zum Erreichen der Leerlauf-Drehzahl des Antriebsaggregats (wel­ che bei Betriebstemperatur üblicherweise zwischen 700 und 1000 U/min liegt) antreibend wirkt. Diese Maßnahme läßt den Verbrennungsmotor praktisch erst bei Erreichen seiner Leer­ laufdrehzahl anlaufen und läßt so das betrieblich ungün­ stige Hochlaufen aus eigener Kraft entfallen. Sie vermin­ dert damit den Kraftstoffverbrauch und die besonders schäd­ lichen Emissionen beim Starten und macht zudem den Start­ vorgang schneller. Die Maßnahme ist also ökologisch beson­ ders vorteilhaft und ist besonders geeignet, zu einer noch größeren Verbreitung von Antriebssystemen mit Start-Stop- Automatik beizutragen.
Vorgeschlagen wurden auch automatische Start-Stop-Steue­ rungen, bei denen der Verbrennungsmotor außerdem im Schub betrieb (z. B. bei Berg-ab-Fahrt) ausgekuppelt und gestoppt wird. Dabei geht aber schlagartig die Verbrennungsmotor- Bremswirkung verloren. Vorteilhaft wirkt daher die elek­ trische Maschine im Fall eines Antriebsaggregat-Stops bei Schubbetrieb als elektrische Antriebsaggregat-Bremse, die das entfallene Antriebsaggregat-Bremsmoment ersetzt. Hierzu ist vorteilhaft zwischen dem Antriebsaggregat und der elek­ trischen Maschine eine steuerbar betätigbare Kupplung an­ geordnet.
Herkömmlicherweise verwendet man in Antriebssystemen von Kraftfahrzeugen reibschlüssige Kupplungen, welche ein An­ fahren des Kraftfahrzeugs mit Drehmomentwandlung ("schlei­ fende Kupplung") in der Anfahrphase ermöglichen. Ihre wei­ tere Aufgabe besteht darin, einen Gangwechsel durch Trennen des Antriebsaggregats von einem Schaltgetriebe und an­ schließendes Wiederverbinden mit einer durch Reibung be­ wirkten Drehzahlanpassung von Antriebsaggregat und Getriebe zu erlauben. Ferner dienen sie als Überlastschutz und der Schwingungsdämpfung. Diese Reibkupplungen sind hochbean­ spruchte Verschleißteile, die laufend überwacht und zum Teil nachgestellt werden müssen. Bei überdurchschnittlicher Beanspruchung, wie z. B. bei übermäßiger Benutzung im Stadt­ verkehr oder bei belastender Fahrweise erreichen sie zum Teil nicht die Fahrzeuglebensdauer und müssen vorher er­ setzt werden. Die Bedienung einer Reibkupplung ist insbe­ sondere für Fahranfänger kompliziert. Selbst geübten Fah­ rern gelingt nicht immer ein ruckfreies Anfahren und Schal­ ten, was nicht nur eine Komforteinbuße, sondern auch eine besondere Belastung für das Antriebsaggregat und andere Teile des Antriebssystems darstellt. Ein (nicht immer) ver­ meidbares "Abwürgen" des Antriebsaggregats beim Anfahren stellt in Gefahrensituationen ein erhebliches Unfallrisiko dar.
Bekannt sind ferner hydrodynamische Kupplungen, zum Teil mit Wandlerfunktion. Diese erlauben im allgemeinen ein nahezu ruckfreies Anfahren und Schalten bei einfacher Be­ dienung. Sie sind jedoch im Aufbau recht aufwendig. Ihre Steuerbarkeit ist begrenzt; z. B. ist eine völlige Wellen­ trennung oft nicht erzielbar, so daß es im Leerlauf (in Fahrstellung/Stellung D) zur Schleichfahrt kommt. Zudem sind sie mit nicht unbeträchtlichen Verlusten behaftet.
Beim Schalten von einem Gang in einen anderen müssen mit­ einander zu verbindende Getriebeteile zunächst auf Gleich­ lauf (d. h. je nach Getriebeart auf gleiche Drehzahl oder gleiche Umfangsgeschwindigkeit) gebracht, d. h. synchroni­ siert werden. Bei klauengeschalteten Getrieben - die zum Teil für schwere Nutzkraftfahrzeuge verwendet werden - geschieht dies vom Fahrer aus durch Doppelkuppeln (Hoch­ schalten) oder Zwischengas (Rückschalten), was ein hohes Fahrkönnen erfordert. Bei den meisten herkömmlichen Ge­ trieben erfolgt die Synchronisierung mechanisch im Zuge der Schaltbewegung, und zwar durch Reibungsvorkupplung zur kraftschlüssigen Drehzahlangleichung, wobei durch eine Sperreinrichtung das formschlüssige Schalten des Ganges erst nach Abschluß des Synchronisierungsvorgangs ermöglicht wird. Zur Reibungsvorkupplung können z. B. Konusringe die­ nen. Synchronisierte Getriebe sind konstruktiv und baulich aufwendig. Die Synchronisiereinrichtungen sind hochbean­ sprucht und verschleißgefährdet. Die für die Synchronisie­ rung erforderlichen Kräfte müssen vom Fahrer mit der Schaltbetätigung aufgebracht werden, was sich in einer relativ hohen Schaltkraft bemerkbar machen kann. Zudem dauert der Synchronisierungsvorgang eine gewisse Zeit, was der Schaltbetätigung i.a. einen zähen Charakter verleiht. Diese Eigenschaften der Schaltbetätigung tragen dazu bei, daß das Schalten selbst bei geübten Fahrern - auch wenn es bei ihnen keine bewußte Aktivität mehr erfordert - einen nicht vernachlässigbaren Teil der Aufmerksamkeit einnimmt, die eigentlich vollständig für das Verkehrsgeschehen zur Verfügung stehen sollte. Somit wirkt sich auch dies ins­ gesamt nachteilig für die Verkehrssicherheit aus.
Um diese Nachteile ganz oder teilweise zu beheben, wirkt die elektrische Maschine als elektromagnetische Kupplung im Antriebsstrang und/oder als aktive Getriebe-Synchronisier­ einrichtung oder als Teil hiervon (Anspruch 26).
Der Begriff "Kupplung" wird im Zusammenhang mit elektroma­ gnetischer Kupplung in einem weiten Sinn verstanden: Er umfaßt die Bedeutung von "Kupplung" im engen Sinn, die ausschließlich der ungeänderten Übertragung von Drehzahl und Drehmoment dient (wie z. B. eine formschlüssige Kupp­ lung), sowie von "Wandler", welcher eine Wandlung von Dreh­ zahl und/oder Drehmoment erlaubt (wie z. B. eine reibschlüs­ sige oder eine hydrodynamische Kupplung).
Bei einer "elektromagnetischen Kupplung" erfolgt die Mo­ mentübertragung über die Kupplung hinweg durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Kräfte. Es ist möglich, daß diese Art der Kraftübertragung nur zeitweise vorliegt. Zum Beispiel kann nach Erreichen gleicher Drehzahl der zu kuppelnden Wellen die Kraftübertragung von einer mechani­ schen Kupplung übernommen werden. Auch eine derartige kom­ binierte Kupplung wird als "elektromagnetische Kupplung" bezeichnet.
Bei einer "aktiven Getriebesynchronisierung" erfolgt die zum Gleichlauf führende Beschleunigung oder Abbremsung eines der zu verbindenden Getriebeteile nicht passiv durch Vor-Kupplung mit dem anderen Getriebeteil. Vielmehr be­ schleunigt oder bremst die elektrische Maschine das frei­ laufende der beiden Getriebeteile beim Schalten aktiv in den Gleichlaufzustand, ohne daß hierfür eine Kopplung oder Vorkopplung mit dem anderen Getriebeteil erforderlich wäre. Mechanische Synchronisiereinrichtungen (Vorkupplung, Konus­ ringe u.ä.) können entfallen. Die erforderliche Gleichlauf­ drehzahl kann z. B. bei Erfassung der momentanen Drehzahl der Getriebe-Abtriebswelle auf der Grundlage bekannter Übersetzungsverhältnisse der verschiedenen verbindbaren Getriebeteile schnellstens ermittelt werden, sobald bei der Schaltbetätigung durch Eintritt in eine bestimmte Schalt­ gasse eindeutig erkennbar ist, welcher Gang eingelegt wer­ den soll. Die Synchronierung kann in der Zeitspanne erfol­ gen, die bis zum Erreichen des Endes des Schaltweges - wo die Verbindung der Getriebeteile erfolgt - zur Verfügung steht. Die Synchronisierung erfolgt also ohne Schaltkraft und ohne merkliche Verzögerung der Schaltbetätigung.
Besonders vorteilhaft vereint das Antriebssystem die Funk­ tionen von elektromagnetischer Kupplung und aktiver Syn­ chronisiereinrichtung. Beispielsweise bei einfacheren An­ triebssystemen kann aber auch jede dieser Funktionen für sich genommen vorteilhaft sein.
Diese Maßnahme hat die Vorteile, daß die elektromagnetische Kupplung und/bzw. die aktive Synchronisiereinrichtung kei­ nem Verschleiß und keiner Wartung unterliegt; die elektro­ magnetische Kupplung eine genaue Einstellung beliebiger zu übertragender Momente, d. h. Einstellung eines beliebigen Kupplungsschlupfes ermöglicht und damit steuerungstechnisch anderen bekannten Kupplungen überlegen ist; auch die zeit­ liche Änderung des Kupplungsschlupfes beliebig steuerbar ist, wodurch ein völlig gleichmäßiger selbsttätiger Über­ gang von maximalem Schlupf zu verschwindendem Schlupf rea­ lisierbar ist; die Fahrzeugbedienung dadurch auch für unge­ übte Fahrer einfacher ist, Anfahren und/oder Schalten völ­ lig ruckfrei erfolgt, ein Abwürgen des Antriebsaggregats ausgeschlossen ist, was insgesamt einen Gewinn für die Verkehrssicherheit darstellt; bei aktiver Getriebe-Synchro­ nisierung das Getriebe wesentlich einfacher konstruiert und ausgeführt sein kann; das Schalten mit geringerer Schalt­ kraft und ohne merkliche Zeitverzögerung erfolgen kann und dem Fahrer so mehr Aufmerksamkeit für das Verkehrsgeschehen überläßt; ein Fading der Kupplung, d. h. eine Änderung ihrer physikalischen Eigenschaften infolge von Überhitzung ver­ mieden werden kann; der bei herkömmlichen mechanischen Kupplungen übliche Momentensprung beim Übergang von Glei­ treibung auf Haftreibung vermieden werden kann, so daß dadurch ferner sog. "Kupplungsrupfen" bei periodischem Wechsel von Haft- und Gleitreibung entfällt; ein Gewichts­ vorteil (geringeres Gewicht) erzielt werden kann, da gegen­ über einer herkömmlichen mechanischen Kupplung die schwere Druckplatte entfällt; mit dem erfindungsgemäßen Antriebs­ system mittels Software unterschiedliche Kupplungskennli­ nien, d. h. Momentenverlauf während der Kupplungszeit, ein­ gestellt werden können und insbesondere das Kuppeln auch automatisch erfolgen kann; die als Kupplung wirkende elek­ trische Maschine weniger Teile als eine herkömmliche mecha­ nische Kupplung benötigt, so daß Herstellungskosten redu­ ziert werden können; eine Energierückgewinnung durch gene­ ratorisches Bremsen der Wellen beim Schalten möglich ist und während bei einer herkömmlichen, mechanischen Kupplung die Abbremsenergie in Wärme umgesetzt wird, bei der als Kupplung arbeitenden elektrischen Maschine die Abbremsen­ ergie in elektrische Energie umwandelbar ist. Insgesamt erhöht diese Maßnahme den Fahrkomfort, erleichtert die Fahrzeugbedienung und trägt zu einer Erhöhung der Verkehrs­ sicherheit bei.
Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt das Antriebssystem für die Funktion der elektromagnetischen Kupplung und/oder der Getriebe-Synchronisiereinrichtung zwei elektrische Maschinen, also eine elektrische Doppelma­ schine. Im Normalbetrieb - wenn das Antriebsmoment über den Antriebsstrang Drehmoment abgibt - fungiert die erste elektrische Maschine als Generator und die zweite als Mo­ tor, wobei die zum Betrieb des Motors benötigte elektrische Energie im wesentlichen von dem Generator bezogen wird. Die vom Antrieb gelieferte mechanische Drehenergie wird also bei dieser Ausgestaltung zunächst über ein Paar relativ­ drehender elektromagnetischer Wirkflächen (Ständer und Läufer der ersten elektrischen Maschine) in elektrischen Strom verwandelt und dann über ein zweites Paar relativ­ drehender elektromagnetischer Wirkflächen (Ständer und Läufer der zweiten elektrischen Maschine) wieder in mecha­ nische Drehenergie, ggf. bei anderer Drehzahl und mit ande­ rem Drehmoment zurückverwandelt. Die von der ersten Maschi­ ne abgegebene Energiemenge kann größer oder kleiner als die von der zweiten aufgenommene sein. Der Überschuß bzw. Un­ terschuß kann z. B. in einem Energiespeicher gespeichert bzw. aus einem solchen entnommen werden.
Die Ausgestaltung der Kupplung als elektrische Doppelma­ schine erfordert zwar einen gewissen Aufwand, erlaubt dafür aber relativ einfach steuerbare und insbesondere sehr viel­ fältige Betriebsmöglichkeiten. Falls die beiden elektri­ schen Maschinen unabhängig steuerbar sind, können sie nämlich gleichzeitig und unabhängig verschiedene Zusatz­ funktionen erfüllen. Zum Beispiel kann die erste Maschine während des Kuppelns oder des (durch die zweite Maschine bewirkten) Synchronisierens ein zusätzliches alternierendes Drehmoment zur aktiven Verringerung von Drehungleichför­ migkeiten der Antriebsaggregat-Triebwelle erzeugen.
Besonders vorteilhaft zur Erzielung einer kompakten und einfach ausgebildeten Doppeleinheit sind die beiden Ma­ schinen koaxial angeordnet und/oder haben ein oder mehrere Teile gemeinsam, wie einen Ständerkörper und/oder ein Ge­ häuse. Dies erleichtert auch die Möglichkeit, die Maschinen mit einer Überbrückungskupplung zusätzlich mechanisch kop­ pelbar zu machen.
Bei der anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kupp­ lung durch eine elektrische Maschine, also eine Einzel- Maschine gebildet, welche wenigstens zwei drehbare elek­ tromagnetische Wirkeinheiten aufweist, von denen eine mit einem antriebsseitigen Drehmomentübertrager und die andere mit einem abtriebsseitigen Drehmomentübertrager gekoppelt oder koppelbar ist. Bei den Drehmomentübertragern handelt es sich i.a. um Antriebs- und Abtriebswelle, etwa die Triebwelle des Antriebsaggregats und die von der elektri­ schen Maschine zum Getriebe führende Welle. Die elektroma­ gnetischen Wirkeinheiten entsprechen Läufer und Ständer bei der normalen elektrischen Maschine, jedoch mit dem Unterschied, daß hier neben dem Läufer auch der Ständer drehbeweglich ist. Die Maschine entspricht also einer nor­ malen Maschine mit Läufer und Ständer, welche zusätzlich zur Läuferrotation als Ganzes drehbar ist. Die als Ganzes drehbare Maschine kann zwischen Läufer und "Ständer" posi­ tive und negative Relativdrehmomente erzeugen. Auf diese Weise kann der Kupplungsschlupf beeinflußt werden. Dadurch können verschiedene Kupplungswirkungen erzielt werden: Die elektrische Maschine kann beispielsweise derart geregelt werden, daß sich ein geeignetes Relativdrehmoment zwischen Läufer und Ständer einstellt und der Kupplungsschlupf ver­ schwindet (Kupplungsschlupf 0). Dann überträgt die elek­ trische Maschine Drehzahl und Drehmoment ungeändert - ent­ sprechend einer geschlossenen mechanischen Kupplung. Die elektrische Maschine kann aber auch derart geregelt werden, daß das Relativdrehmoment zwischen Läufer und Ständer ver­ schwindet und sich ein Kupplungsschlupf entsprechend der Relativdrehzahl der Drehmomentübertrager einstellt. Auf diese Weise erzielt man deren vollständige Trennung ohne Drehmomentübertragung - entsprechend etwa einer vollständig geöffneten mechanischen Kupplung. Kupplungsschlupfwerte, die zwischen diesen beiden Werten liegen, sind durch ent­ sprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine ebenfalls erreichbar. Darüber hinaus erschließt die elektrische Ma­ schine vorteilhaft auch Drehmoment-Übertragungsbereiche jenseits dieses durch eine übliche Reibkupplung erschlosse­ nen Bereichs: Durch geeignete Ansteuerung der elektrischen Maschine können richtungsunabhängige Drehmomente aufge­ schaltet werden, d. h. Drehmomente in und entgegen der Dreh­ richtung der Drehmomentübertrager. Somit können sowohl negative Kupplungsschlupfwerte durch Erzeugen eines zusätz­ lich zum Antriebsaggregat antreibenden Drehmoments, als auch Kupplungsschlupfwerte größer als eins - durch Erzeugen eines dem Antriebsaggregat entgegengerichteten bremsenden Drehmoments - eingestellt werden.
Die vom Antrieb gelieferte mechanische Drehenergie wird also bei dieser anderen Ausgestaltung über ein Paar mit einstellbarem Schlupf relativdrehender elektromagnetischer Wirkflächen direkt in Form mechanischer Drehenergie wei­ tergegeben. In bzw. aus elektrischen(m) Strom wird hierbei nur der aufgrund von Schlupf vorliegende Überschuß- bzw. Unterschußanteil verwandelt, der gespeichert bzw. aus einem Speicher entnommen werden kann. Falls die Überschußenergie und/oder -leistung das Speicheraufnahmevermögen übersteigt - was z. B. beim Anfahren der Fall sein kann - kann sie auch dissipiert werden, z. B. in Form von Wärme über (Heizwider­ stände).
Die Synchronisierfunktion - also Beschleunigen oder Abbrem­ sen des abtriebsseitigen Drehmomentübertragers bei heraus­ genommenem Gang - erfolgt bei dieser elektrischen Maschine in Abstützung gegen den mit veränderlicher Drehzahl drehen­ den antriebsseitigen Drehmomentübertrager. Dessen momentan vorliegende Drehzahl wird bei der Ermittlung der zum Errei­ 45<chen des Gleichlaufs nötigen Relativdrehzahl zwischen den Wirkelementen berücksichtigt.
Bei der elektromagnetischen Kupplung ist zwar - im Gegen­ satz zur hydrodynamischen Kupplung - ein verschwindender Kupplungsschlupf einstellbar. Beispielsweise erzielt man dies bei einer Asynchronmaschine durch ein von einer Wirk­ einheit erzeugtes Drehfeld, welches mit Hilfe eines elek­ tromagnetischen Schlupfes auf die andere Wirkeinheit ein Drehmoment ausübt, das dem momentanen Antriebsmoment be­ tragsmäßig gleicht, aber in der Richtung entgegengesetzt ist, und so ein Verschwinden des Kupplungsschlupfes be­ wirkt. Man muß jedoch zum Verschwindenlassen des Kupp­ lungsschlupfes eine gewisse Energie aufwenden, und zwar in diesem Beispiel zur Erzeugung des Drehfelds mit elektroma­ gnetischem Schlupf. Um diese Verlustenergie zu minimieren, sind die Drehmomentübertrager, welche die elektromagneti­ sche Kupplung trennt, vorzugsweise mit einer Überbrückungs­ kupplung, insbesondere einer mechanischen Kupplung, ver­ bindbar. Hierbei kann es sich z. B. um eine reibschlüssige oder - da ihr Einkuppeln durch entsprechende Steuerung immer bei verschwindendem Kupplungsschlupf möglich ist - vorteilhaft um eine formschlüssige Kupplung, z. B. eine Klauenkupplung handeln. Statt eine gesonderte Kupplung vorzusehen, können auch die beiden Läufer der Doppelmaschi­ ne bzw. die beiden Wirkeinheiten der Einzelmaschine durch Axialverschiebung miteinander in Reib- oder Formschluß bringbar sein.
Eine Reihe von Zusatzfunktionen der elektrischen Maschine sind in vorteilhafter Weise oder sogar ausschließlich mit gegen Drehung festgelegtem Ständer erzielbar. Um einige oder alle dieser Zusatzfunktionen auch mit der drehbaren Einzelmaschine zu erschließen, ist vorzugsweise die Wirkung wenigstens einer ihrer beiden elektromagnetischen Wirkein­ heiten durch die Wirkung einer nicht-drehbaren Wirkeinheit ersetzbar. Die Wirkungsersetzung kann erfolgen, wenn keine Kupplungsfunktion benötigt wird, also etwa wenn bei dem Fahrzeug der Gang herausgenommen ist (im Stand oder während des Schaltens) oder wenn die ggf. vorhandene Überbrüc­ kungskupplung geschlossen ist. Für die Art und Weise, wie diese Wirkungsersetzung erfolgt, gibt es verschiedene vor­ teilhafte Möglichkeiten:
Bei einer ersten, sehr einfachen Möglichkeit erfolgt die Wirkungsersetzung dadurch, daß wenigstens eine der dreh­ baren Wirkeinheiten, insbesondere die abtriebsseitige (d. h. die getriebeseitige), gegen Drehung festlegbar ist, ins­ besondere mit Hilfe einer mechanischen Bremse oder Kupp­ lung. Es wird also nicht etwa die drehbare Wirkeinheit durch eine feststehende ersetzt, die verschiedenen Wirkun­ gen werden vielmehr von ein- und derselben Wirkeinheit hervorgerufen, die nur festgelegt bzw. freigegeben wird. Die Festlegung kann unmittelbar oder mittelbar, etwa durch Festlegung des zugehörigen Drehmomentübertragers erfolgen. Eine abtriebsseitige Festlegung - die i.a. nur bei heraus­ genommenem Gang (insbesondere im Stand des Fahrzeugs) durchführbar ist - erschließt zwei Funktionen, nämlich einerseits die aktive Verringerung von Drehungleichförmig­ keiten der (antriebsseitigen) Triebwelle sowie andererseits ein Starten des Antriebsaggregats im Zusammenlauf aus dem Stand (sog. Direkt-Starten).
Eine zweite Art der Wirkungsersetzung erschließt weitere Funktionen im angetriebenen Zustand des Antriebssystems, und zwar bei Betrieb mit geschlossener Überbrückungskupp­ lung und während des Schaltens. Die Wirkungsersetzung er­ folgt dadurch, daß wenigstens eine der drehbaren Wirkein­ heiten von ihrem Drehmomentübertrager abkoppelbar ist und gegen Drehung festlegbar ist, insbesondere mit Hilfe einer oder mehrerer mechanischer Kupplungen. Auch hier werden die verschiedenen Wirkungen von ein- und derselben Wirkeinheit hervorgerufen, die nur festgelegt bzw. mit ihrem Drehmo­ mentübertrager gekoppelt wird. Der Unterschied zur ersten Art besteht in der zusätzlichen Abkoppelbarkeit der fest­ legbaren Wirkeinheit von ihrem Drehmomentübertrager. Dies erlaubt - im Gegensatz zur ersten Art - die Festlegung des Wirkelements auch bei drehendem zugehörigen Drehmoment­ übertrager, also auch im Antriebszustand des Antriebssy­ stems. Die mechanischen Kupplungen zum Festlegen und Ab­ koppeln können vorteilhaft formschlüssig sein, da die fest­ legbare Wirkeinheit nach dem Abkoppeln durch die elektri­ sche Maschine selbst zum Stillstand gebracht werden kann, so daß dann ihre Festlegung durch eine formschlüssige Kupp­ lung möglich ist. Entsprechendes gilt für die umgekehrte Richtung. Diese zweite Art erschließt die Funktion einer aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten der (an­ triebsseitigen) Triebwelle auch im Antriebszustand. Sie erlaubt ferner die Synchronisierfunktion in Abstützung gegen das festgelegte Wirkelement auszuführen, was steue­ rungstechnisch einfacher als der o.g. Fall einer Abstützung gegen den mit veränderlicher Drehzahl drehenden antriebs­ seitigen Drehmomentübertrager. Eine Voraussetzung für letz­ teres ist jedoch, daß die Überbrückungskupplung (oder eine andere zusätzliche Kupplung) so angeordnet ist, daß sie eine Trennung des drehbar verbliebenen Wirkelements vom Antriebsaggregat erlaubt.
Die dritte Art der Wirkungsersetzung entspricht der zweiten Art vom Ergebnis her. Im Unterschied zu jener ist jedoch bei ihr die in ihrer Wirkung zu ersetzende elektromagneti­ sche Wirkeinheit doppelt vorhanden, und zwar als drehbare und als nicht-drehbare Wirkeinheit. Die Wirkungsersetzung erfolgt dadurch, daß die drehbare Wirkeinheit elektroma­ gnetisch unwirksam und die nicht-drehbare wirksam gemacht wird, vorzugsweise indem die Speisung mit drehmomenterzeu­ gender bzw. -übertragender elektrischer Energie von der drehbaren auf die nicht-drehbare Wirkeinheit umgeschaltet wird. Vorteilhaft dient hierzu ein entsprechend umschalt­ barer Stromrichter bzw. Wechselrichter.
Falls man bei dieser Maschine die zusätzlich zur ersten drehbaren Wirkeinheit vorhandene festliegende Wirkeinheit so ansteuert, daß sie gleichzeitig mit jener Wirkeinheit eine ihr gegenüber eigenständige Wirkung auf die zweite drehbare Wirkeinheit ausüben kann, erhält man eine Maschine mit weitergehenden Funktionsmöglichkeiten. Vorteilhaft erzielt man diese Ansteuerung, indem die erste drehbare und die nicht-drehbare Wirkeinheit eigenständig mit drehmo­ menterzeugender bzw. -übertragender elektrischer Energie gespeist werden, z. B. durch zwei im wesentlichen unabhän­ gige Stromrichter bzw. Wechselrichter. Mit dieser Ausge­ staltung ist es insbesondere möglich, auch während die elektromagnetische Kupplungsfunktion aktiviert ist (z. B. bei offener oder nicht vorhandener Überbrückungskupplung), Drehungleichförmigkeiten des antriebsseitigen Drehmoment­ übertragers aktiv zu verringern. Eine Voraussetzung hierfür ist, daß die zweite drehbare Wirkeinheit mit dem antriebs­ seitigen Drehmomentübertrager gekoppelt ist.
Vorteilhaft umfaßt die Kupplungsfunktion der elektrische(n) Maschine(n) die Funktionen einer Anfahrkupplung und/oder Schaltkupplung. Bei einer Funktion als Anfahrkupplung muß die elektrische Maschine hohe Leistung aufbringen können, was eine entsprechende, große Dimensionierung des gesamten Systems erforderlich macht. Zudem kann der Energieüberschuß beim Anfahren mit großem Kupplungsschlupf recht große Werte annehmen. Bei kleiner dimensionierten elektrischen Maschi­ nen und ggf. nicht ausreichender Energiespeichermöglichkeit kann es daher vorteilhaft sein, die elektromagnetische Kupplungsfunktion auf die Schaltfunktion zu beschränken und die Anfahrkupplungsfunktion - bei überbrückter elektroma­ gnetischer Kupplung - einer zusätzlich vorhandenen reib­ schlüssigen oder hydrodynamischen Kupplung zu überlassen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrische Maschine als Überlastkupplung zu verwenden, d. h. daß auch die Funktion des Überlastschutzes von der elektrischen Maschine erzielt wird. Ferner kann die als Kupplung wirken­ de elektrische Maschine zur Schwingungsdämpfung verwendet werden. Dabei kann die Kupplung so eingestellt werden, daß sie die Drehmomentspitzen abnimmt und dadurch eine die Drehmoment-Ungleichförmigkeit verringernde Wirkung erzielt wird.
Auch zum Starten des Antriebsaggregats im Zusammenlauf aus dem Stand müssen relativ große Drehmomente aufgebracht werden. Als Alternative für den Fall kleinerer gelieferter Drehmomente dient die elektrischen Maschine vorteilhaft als Schwungmassen-Starter mit elektromagnetisch kuppelbarer Schwungmasse. Dies ermöglicht ein Starten auch in Fällen, in denen die elektrische Maschine das nötige Drehmoment für ein Direkt-Starten nicht aufbringen kann. Als Schwungmasse dient vorzugsweise ein Teil der elektrischen Maschine selbst, z. B. deren abtriebsseitige Wirkeinheit, zusammen mit dem daran gekoppelten Drehmomentübertrager. Bei freige­ schaltetem Gang läßt sich diese in Abstützung gegen die Massenträgheit der Triebwelle und die Kompression des Ver­ brennungsmotors elektromotorisch auf hohe Drehzahlen hoch­ drehen. Durch elektromagnetisches Einkuppeln mit Hilfe der elektrischen Maschine selbst wird die Schwungmasse schnell abgebremst und dadurch die Triebwelle derart beschleunigt, daß der Verbrennungsmotor startet. Vorteil gegenüber be­ kannten Schwungrad-Startern mit mechanischer Einkopplung des Schwungrads (siehe z. B. das Buch D. Henneberger "Elek­ trische Motorausrüstung", Braunschweig 1990, Seiten 98-103) ist die Vermeidung von Kupplungsverschleiß und die genaue Steuerbarkeit des Einkupplungsvorgangs.
Grundsätzlich hängt bei Fahrzeugen die - für die Fortbewe­ gung des Fahrzeuges verantwortliche - Kraftübertragung vom Antriebsschlupf zwischen Reifen und Fahrbahn ab. Im all­ gemeinen laufen die Anfahr- bzw. Beschleunigungsvorgänge bei kleinen Schlupfwerten ab, bei denen eine Erhöhung des Schlupfes zunächst auch eine Erhöhung des ausnutzbaren Kraftschlusses ergibt. Bei einer weiteren Erhöhung redu­ ziert sich jedoch der Kraftschluß wieder, so daß bei ent­ sprechender Beschleunigung ein größer werdendes überschüs­ siges Antriebsmoment zu einer schnellen Drehzahlerhöhung eines Antriebsrades bzw. der Antriebsräder führt.
Eine Regelung des Antriebsschlupfes, d. h. eine sog. An­ triebsschlupfregelung (ASR), verhindert ein derartig her­ vorgerufenes Durchdrehen der Antriebsräder und regelt den Antriebsschlupf auf zulässige Werte. Derartige Antriebs­ schlupfregelungen sind aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z. B. "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Herausge­ ber: Robert Bosch GmbH, Düsseldorf, 21. Auflage, 1991, Seite 555-559).
Die Regelung des Antriebsschlupfes wird - im Stand der Technik - derart durchgeführt, daß bei Erreichen eines Grenzwertes des Antriebsschlupfes oder einer zeitlichen Änderung (zeitliche Ableitung) des Antriebsschlupfes das Antriebsmoment verringert wird. Die Verringerung des An­ triebsmoments wird entweder durch Verstellung des Verbren­ nungsmotors, also durch Drosselklappenverstellung oder durch Zündzeitpunktverstellung, oder durch Betätigen einer oder mehrerer Radbremse(n) realisiert. Auch eine Kombina­ tion beider Maßnahmen ist bekannt. Insbesondere können zusätzlich zur Verbrennungsmotorverstellung, die bei Über­ schreiten eines ersten Grenzwertes des Antriebsschlupfes erfolgt, die Radbremsen betätigt werden, wenn ein zweiter, höherer Grenzwert des Antriebsschlupfes erreicht wird.
Nachteilig an diesen bekannten Antriebsschlupfregelungen ist, daß einerseits die Motorverstellung langsam und träge erfolgt und andererseits die gesamte Antriebsschlupfrege­ lung schlecht steuerbar ist, d. h. ein bestimmter zeitlicher Verlauf der Antriebsmomentverringerung praktisch nicht erzielt werden kann.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt daher das techni­ sche Problem zugrunde, bekannte Antriebsschupfregelungen weiterzubilden und zu verbessern.
Dieses Problem wird gelöst durch ein Antriebssystem, mit einer Antriebsschlupfregelung, bei welchem die (bzw. eine) elektrische Maschine derart ausgelegt ist, daß mit ihr eine Antriebsschlupfverringerung durch Verkleinerung des An­ triebsmoments (des Antriebsaggregats) herbeiführbar ist, insbesondere durch Bremswirkung und/oder - bei als Kupplung wirkender elektrischer Maschine - durch Kupplungsschlupf- Wirkung.
Die erfindungsgemäße Antriebsschlupfverringerung wird im allgemeinen erst aktiv, wenn - ähnlich wie im Stand der Technik - eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. Diese Be­ dingung kann das Überschreiten eines Grenzwertes des An­ triebsschlupfes oder eines Grenzwertes der zeitlichen Ände­ rung des Antriebsschlupfes sein. Die Bedingung kann aber auch komplexer definiert werden, etwa im Sinne einer Kom­ bination beider oben genannten Bedingungen oder aber auch anderer Bedingungen.
Wird nun eine bestimmte Bedingung erfüllt, wird mittels der elektrischen Maschine kurzfristig (und nicht andauernd) das auf die Antriebsräder wirkende Antriebsmoment verringert.
Die Vorteile einer derartigen Antriebsschlupfregelung lie­ gen darin, daß die Antriebsschlupfregelung schnell und nicht träge arbeitet und somit die Verringerung des An­ triebsschlupfes in idealerweise steuerbar ist. Somit wird insgesamt auch die Verkehrssicherheit erhöht.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen dieser Antriebs­ schlupfregelungen mit elektrischer Maschine sind nachfol­ gend aufgeführt.
  • 1. Die Antriebsschlupfregelung mit elektrischer Maschine ersetzt die aus dem Stand der Technik bekannte An­ triebsschlupfregelung mit Motorverstellung oder Rad­ bremsung oder wird in Kombination mit der aus dem Stand der Technik bekannten Antriebsschlupfregelung mit Motorverstellung und/oder Radbremsung verwendet. Diese verschiedenen Maßnahmen zur Antriebsschlupfver­ ringerung müssen nicht gleichzeitig durchgeführt wer­ den, sondern können nacheinander einsetzend - z. B. bei Überschreiten weiterer Grenzwerte - ausgeführt werden, insbesondere wenn einzelne Maßnahmen nicht wirksam genug sind. Beispielsweise können die - in besonderem Maße dem Verschleiß unterliegenden - Radbremsen erst in besonders kritischen Situationen eingesetzt werden.
  • 2. Die Verringung des Antriebsmoments bzw. ein Bremsen der die Antriebsräder antreibenden Welle kann insbe­ sondere wie nachstehend ausgeführt erfolgen:
  • a) Die elektrische Maschine kann derart ausgebildet sein, daß sie als Wirbelstrombremse verwendbar ist. Somit kann im Betrieb der elektrischen Ma­ schine als Wirbelstrombremse das Antriebsmoment verringert werden.
  • b) Die elektrische Maschine kann generatorisch be­ trieben werden, so daß der erzeugte Strom entwe­ der z. B. über Heizwiderstände in Wärme umgesetzt (verheizt) oder zur Wiederverwendung gespeichert wird. Auf diese Weise kann eine Energierückgewin­ nung stattfinden. Dies führt somit zu einer Erhö­ hung des Gesamtwirkungsgrades.
  • c) Zwischen die elektrische Maschine und das An­ triebsaggregat kann eine mechanische Kupplung geschaltet werden, die automatisch betätigbar ist und teilweise oder ganz geöffnet wird, wenn das Antriebsmoment verringert werden soll. Dann wirkt nur die elektrische Maschine bremsend und das An­ triebsaggregat ist im wesentlichen von den An­ triebsrädern abgetrennt.
  • 3. Die Verringerung des Antriebsschlupfes erfolgt durch Zulassen eines Kupplungsschlupfes in der als Kupplung wirkenden elektrischen Maschine bzw. durch Vergrößern eines bereits vorhandenen Kupplungsschlupfes. Falls darüberhinaus die als Kupplung wirkende elektrische Maschine eine mechanische Überbrückungskupplung auf­ weist, wird diese zunächst gelöst und dann erst der Kupplungsschlupf zugelassen und vergrößert.
    Grundsätzlich kann die Verringerung des Antriebs­ schlupfes nicht nur durch den Kupplungsschlupf - also passiv - reguliert werden, sondern von der elektri­ schen Maschine auch aktiv durch Erzeugen eines brem­ senden - auf die die Antriebsräder antreibende Welle wirkenden - Gegendrehmoments.
Die Ausgestaltungen, welche die Antriebsschlupfregelung be­ treffen, sind ersichtlich auch ohne die Merkmale der An­ sprüche 1 bis 26 technisch vorteilhaft. Die Anmelderin behält sich daher ausdrücklich eigenständigen Schutz hier­ für gemäß Anspruch 27 vor.
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gerichtet, wobei das Antriebssystem ein Antriebsaggregat, insbesondere einem Verbrennungsmotor, und wenigstens eine mit dem Antriebsaggregat, und zwar insbesondere mit dessen Triebwelle, gekoppelten oder koppelbaren elektrischen Ma­ schine zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkei­ ten umfaßt, wobei bei dem Verfahren wenigstens ein Sensor des Antriebssystems und/oder wenigstens eine aus Sensor­ information abgeleitete Größe sowohl zur Steuerung des An­ triebsaggregats als auch zur Steuerung der elektrischen Maschine verwendet wird, und/oder eine für die Steuerung der elektrischen Maschine oder des Antriebsaggregats zu­ ständige Steuereinrichtung auch das Antriebsaggregat bzw. die elektrische Maschine teilweise oder ganz steuert (An­ spruch 28).
Das Verfahren kann vorteilhaft mit einem Antriebssystem nach einer oder mehreren der oben erläuterten Ausgestal­ tungen durchgeführt werden (Anspruch 29). Bezüglich einzel­ ner Merkmale und Vorteile des Verfahrens wird auf die obi­ gen Erläuterungen zum System verwiesen, die sich vollin­ haltlich auch auf das Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestaltungen beziehen.
Die Gegenstände der Ansprüche 6-27 können auch bei einem Antriebssystem und einem entsprechenden Verfahren vorteil­ haft sein, bei dem von einer gemeinsamen Verwendung eines Sensors, von Sensorinformation oder einer Steuereinrichtung kein Gebrauch gemacht wird. Es wird daher der Vorbehalt erklärt, Patentansprüche auf diese Gegenstände unter Weg­ lassung des jetzt in den Ansprüchen 1 und 28 enthaltenen diesbezüglichen Merkmalskomplexes zu richten.
Im übrigen werden in der gesamten vorliegenden Beschreibung Zahlenangaben "x" im Sinn von "wenigstens x", und nur vor­ zugsweise im Sinn von "genau x" verstanden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische beispielhafte Darstellung der Funktionsweise der aktiven Verringerung von Dreh­ ungleichförmigkeiten;
Fig. 2 eine unmaßstäblich-schematische Darstellung einer Ausführungsform des Antriebssystems;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer elek­ trischen Maschine mit Schnittebene senkrecht zur Axialrichtung zur Veranschaulichung verschiedener bei dem System verwendbaren Maschinentypen;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung einer elek­ trischen Maschine mit integrierter Reibkupplung mit Schnittebene in Axialrichtung;
Fig. 5 einen schematischen Schaltplan eines bei dem Sy­ stem verwendeten Wechselrichters;
Fig. 6 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer ande­ ren Ausführungsform des Antriebssystems;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Steuerablaufs bei Zylinderabschaltbetrieb;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Steuerablaufs einer Start-Stop-Automatik;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer elektrischen Doppelmaschine;
Fig. 10 eine Darstellung einer Doppelmaschine gemäß Fig. 1 mit gemeinsamem Ständerkörper;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit drehbaren elektromagnetischen Wirk­ einheiten;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer anderen elek­ trischen Maschine mit drehbaren elektromagneti­ schen Wirkeinheiten;
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer weiteren elek­ trischen Maschine mit relativdrehbaren elektro­ magnetischen Wirkeinheiten und einer feststehen­ den Wirkeinheit;
Fig. 14 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Aus­ führungsform des Systems mit der elektrischen Maschine von Fig. 13.
In den Figuren tragen im wesentlichen funktionsgleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
Fig. 1a veranschaulicht (mit durchgezogener Linie) die Drehzahl n einer Welle als Funktion des Kurbelwellenwinkels ϕ. Die Welle führt um eine mittlere Drehzahl (hier 3000 Umdrehungen pro Minute) periodisch Drehzahlschwankungen zu kleineren und größeren Drehzahlen hin aus, welche in diesem idealisierten Beispiel insgesamt einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf haben. Bei der Welle handelt es sich beispielsweise um die Kurbelwelle eines Vierzylinder-Vier­ takt-Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, die in der zweiten Ordnung (d. h. bei einer Frequenz von 100 Hz) eine relativ große, von den Gas- und Massenkräften herrührende Drehungleichförmigkeit aufweist. Zur Veranschaulichung ist auch das für eine Umdrehung der Welle benötigte Winkelin­ tervall eingezeichnet. Im allgemeinen treten bei einer Welle außerdem (hier nicht dargestellte) Drehungleichför­ migkeiten höherer Ordnungen und solche stochastischer Natur auf. Ihr Verlauf ist also i.a. nicht sinusförmig.
Im wesentlichen proportional zu den Drehungleichförmigkei­ ten sind Schwankungen des Drehmoments Mv des Verbrennungs­ motors um ein mittleres Drehmoment. Die durchgezogene Linie in Fig. 1a veranschaulicht damit auch den Verlauf des Mo­ tor-Drehmoments Mv als Funktion des Kurbelwellenwinkels ϕ.
Fig. 1b veranschaulicht das Gesamt-Drehmoment Me als Funk­ tion des Wellenwinkels ϕ, das von einer mit der Welle ge­ koppelten elektrischen Maschine aufgebracht wird. Der Ver­ lauf des Maschinendrehmoments Me entspricht weitgehend dem der Drehungleichförmigkeit und des Motor-Drehmoments Mv, ist jedoch entgegengesetzt gerichtet. D.h., bei einer Dreh­ ungleichförmigkeit zu höheren Drehzahlen hin (sog. positi­ ve Drehungleichförmigkeit) erzeugt die elektrische Maschine ein die Welle bremsendes Drehmoment (sog. negatives Drehmo­ ment), wohingegen sie bei einer Drehungleichförmigkeit zu niederen Drehzahlen hin (sog. negative Drehungleichförmig­ keit) ein antreibendes Drehmoment (sog. positives Drehmo­ ment) erzeugt. Der Betrag des Drehmoments Me ist so ge­ wählt, daß die Drehungleichförmigkeit - und die zu ihr proportionale Schwankung des Drehmoments Mv - durch dessen Wirkung wesentlich verringert wird oder sogar praktisch verschwindet, wie in Fig. 1a durch die gestrichelte Linie veranschaulicht ist.
Bei der in Fig. 1b gezeigten Betriebsweise sind die negati­ ven und positiven Drehmomentextrema betragsmäßig gleich groß. Die bei einer Bremsphase gewonnene Energie ist also im wesentlichen gleich groß wie die bei der folgenden An­ triebsphase aufzuwendende Energie. Der Energiefluß nach außen ist somit Null, es wird nur im Inneren des Systems zeitweise Bremsenergie zwischengespeichert. Das System arbeitet also in dieser Betriebsweise als reiner Drehun­ gleichförmigkeits-Verringerer mit schnell variierendem Dreh­ moment, ohne Erzeugung eines Zusatz-Drehmoments.
Ein Beispiel für eine demgegenüber modifizierte Betriebs­ weise des Systems mit Zusatz-Drehmoment ist in Fig. 1c gezeigt: Der zeitliche Verlauf des Gesamt-Drehmoments Me entspricht dem von Fig. 1b, es ist jedoch global um einen bestimmten Betrag ΔMe (den sog. Hub) in negative Richtung verschoben. Der Hub ΔMe wird im allgemeinen langsam vari­ ieren, in dem hier dargestellten kurzen Zeitrahmen von ungefähr einer Umdrehungsperiode ist er jedoch in guter Näherung konstant. Der Hub ΔMe ist hier kleiner als die Amplitude der schnelle Variation des Drehmoments, so daß das Gesamt-Drehmoment Me alternierend positive und negative Werte annimmt. Gemittelt über die schnelle Drehmomentva­ riation erhält man ein konstantes Drehmoment -ΔMe. Dem Verbrennungsmotor wird also im Mittel mechanische Energie entzogen, die weitgehend in elektrische Energie umgewandelt und dem System entnommen wird. Die elektrische Maschine hat also in dieser Betriebsart neben der Funktion als Drehun­ gleichförmigkeits-Verringerer die Funktion eines elektri­ schen Generators, der als Bremse wirken kann und Strom z. B. zum Ausgleichen der Betriebsverluste des Systems, zum Laden der Fahrzeugbatterie und/oder zum Betreiben elektrischer Verbraucher liefern kann.
Falls der Hub ΔMe größer als die Amplitude zur Verringerung der Drehungleichförmigkeit ist, wirkt die elektrische Ma­ schine nur noch bremsend und nicht mehr antreibend, wobei die Bremswirkung in ihrem Betrag entsprechend Fig. 1b und 1c gegenphasig zur Drehungleichförmigkeit variiert.
Allein durch eine entsprechende Einstellung der (Softwa­ re-)Steuerung der elektrischen Maschine - ohne jegliche konstruktive (Hardware-)Änderungen - sind kleine und sehr große Generatorleistungen einstellbar. Begrenzend wirkt nur die Größe der elektrischen Maschine. Damit kann ein und der selbe Maschinentyp beispielsweise für kleine und große Kraftfahrzeugtypen ohne konstruktive Anpassung verwendet werden.
Der globale Drehmomentverlauf kann auch in positiver Rich­ tung verschoben sein (positiver Hub). Die elektrische Ma­ schine arbeitet dann neben ihrer Funktion als Drehungleich­ förmigkeits-Verringerer als (antreibender) Motor, z. B. um den Verbrennungsmotor bei einer Fahrzeugbeschleunigung zu unterstützen.
Das in Fig. 2 dargestellte Antriebssystems eines Kraftfahr­ zeugs, z. B. eines Personenkraftwagens, weist als Antriebs­ aggregat einen Verbrennungsmotor 1 auf, bei dem es sich beispielsweise um einen Vierzylinder-Viertakt-Otto- oder Dieselmotor handelt. Das vom Verbrennungsmotor 1 erzeugte Drehmoment kann über einen Antriebsstrang 2 auf Antriebs­ räder 3 übertragen werden. In Abtriebsrichtung ist im An­ triebsstrang 2 nach dem Verbrennungsmotor 1 zunächst eine elektrische Maschine 4 angeordnet. Auf diese folgen eine Fahrkupplung 5, ein Getriebe 6 und ein Achsantrieb 7, wel­ cher das Drehmoment auf die Antriebsräder 3 überträgt. Bei der Kupplung 5 und dem Getriebe 6 kann es sich um eine Rei­ bungskupplung und ein Schaltgetriebe handeln; alternativ sind z. B. eine automatische Kupplung oder Wandlerkupplung, jeweils mit Schaltgetriebe oder automatischem Getriebe möglich. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist im Antriebsstrang 2 zwischen Verbrennungsmotor 1 und elektrischer Maschine 4 eine weitere (durch Steuerung betä­ tigte) Kupplung angeordnet, um beim Bremsen mit der elek­ trischen Maschine 4 einen Mitlauf des Verbrennungsmotors 1 zu vermeiden.
Die elektrische Maschine 4 - hier eine Drehstrom-Wander­ feld-Maschine in Asynchron- oder Synchron-Bauart - umfaßt einen Ständer 8 und einen Läufer 9. Ersterer stützt sich drehfest gegen den Verbrennungsmotor 1, ein (nicht gezeig­ tes) Fahrzeugchassis oder ein (nicht gezeigtes) Kupplungs­ gehäuse ab, wohingegen letzterer direkt auf einer Trieb­ welle (Kurbelwelle) 10 des Verbrennungsmotors 1 oder einer Verlängerung hiervon sitzt und mit dieser drehfest gekop­ pelt ist. Die Triebwelle 10 und der Läufer 9 rotieren also gemeinsam, ohne Zwischenschaltung eines Getriebes.
Die elektrische Maschine 4 erfüllt mehrere Funktionen: Sie fungiert einerseits als Drehungleichförmigkeits-Verringe­ rer, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits erläutert wur­ de. Andererseits fungiert sie als Generator zur Ladung einer Fahrzeugbatterie 11 und zur Versorgung elektrischer Verbraucher und ersetzt damit eine herkömmlicherweise im Kraftfahrzeug vorhandene Lichtmaschine. Die Generatorfunk­ tion kann ferner zum Abbremsen des Fahrzeugs oder des Ver­ brennungsmotors 1 dienen. Außerdem kann die elektrische Maschine 4 als Zusatzmotor ("Booster") fungieren, z. B. um den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen des Fahrzeugs zu unterstützen. Auch dient sie als Starter für den Verbren­ nungsmotor und kann somit auch einen herkömmlicherweise beim Kraftfahrzeug gesondert vorgesehenen Starter ("Anlas­ ser") ersetzen. Schließlich fungiert sie aufgrund des Mas­ senträgheitsmoments des Läufers 9 als Schwungrad und kann so das bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen i.a. vorhandene, auf der Kurbelwelle sitzende Schwungrad ersetzen.
Die elektrische Maschine 4 ist durch eine Sprühfluidkühlung 12 innengekühlt. Nach Durchlaufen eines Kühlers 13 und einer Pumpe 14 wird das Kühlfluid - hier ein geeignetes Öl - an den Läufer 9, und zwar in der Nähe von dessen Rota­ tionsachse, gesprüht. Es wandert aufgrund der Läuferrota­ tion fliehkraftbedingt nach außen und kühlt dabei Läufer 9 und Ständer 8, und verläßt dann ein Gehäuse 15 der elek­ trischen Maschine 4, um in einem geschlossenen Kreislauf wieder in den Kühler 13 einzutreten. Der Kühlmittelfluß erfolgt verlustleistungs- und drehzahlabhängig durch ent­ sprechende Steuerung der Pumpe 14, derart, daß sich jeweils im wesentlichen nur eine gerade benötigte Mindestmenge des Kühlfluids im Inneren des Gehäuses 15 befindet. Ein (nicht gezeigtes) Ausgleichsgefäß erlaubt diese Variation der Kühlfluidmenge im Gehäuse 15. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist die elektrische Maschine (oder nur der Läufer) in ein Kupplungs- und/oder Getriebegehäuse integriert und wird durch ein darin befindliches Schmier- und/oder Kühlfluid (z. B. Kupplungs- oder Getriebeöl) mit gekühlt.
Die elektrische Maschine 4 ist außerdem mit einem Dreh­ transformator 16 (sog. Resolver) ausgerüstet, der vorzugs­ weise mehr als 8 Pole, hier z. B. 12 Pole aufweist. Er be­ steht aus zwei benachbart angeordneten Leiterplatten, von denen eine feststeht und die andere sich mit der Triebwelle 10 dreht. Die Leiterplatten tragen auf ihren zugewandten Oberflächen durch Leiterbahnen gebildete Windungen, derart daß sich ein drehwinkelabhängiges Transformator-Überset­ zungsverhältnis ergibt. Der Drehtransformator 16 arbeitet nach dem Transponder-Prinzip: Die feststehenden Windungen (feststehende Platine) werden aktiv mit Strom/Spannung beauf­ schlagt und strahlen elektromagnetische Energie zu den drehbaren Windungen (drehbare Platine) hin ab. Letztere strahlen einen Teil dieser Energie wieder zurück, wobei dieser Teil aufgrund des drehwinkelabhängigen Übertra­ gungsverhältnisses vom Drehwinkel abhängt. Der rückge­ strahlte Teil erzeugt in den feststehenden Windungen ein drehwinkelabhängiges Signal. Eine Auswertung dieses Signals liefert den momentanen Drehwinkel der Triebwelle 10 mit einer Genauigkeit von wenigstens 0,5 Grad.
Ein Wechselrichter 17 liefert dem Ständer 8 der elektri­ schen Maschine 4 bei einer sehr hohen Taktfrequenz (z. B. 100 kHz) sinusbewehrt pulsweitenmodulierte Spannungsimpul­ se, die unter der Wirkung der Maschineninduktivität im wesentlichen sinusförmige Dreiphasen-Ströme ergeben, deren Amplitude, Frequenz und Phase frei vorwählbar ist.
Der Wechselrichter 17 ist ein Spannungszwischenkreis-Wech­ selrichter und umfaßt drei Baugruppen: einen Gleichspan­ nungsumsetzer 18 (Eingangsbaugruppe), welcher Gleichspan­ nung von einem niedrigen Niveau (hier 12 V) auf ein höheres Zwischenkreisniveau (hier 350 V) und in umgekehrter Rich­ tung umsetzt, einen elektrischen Zwischenkreisspeicher 19, hier ein Kondensator bzw. eine Anordnung parallel geschal­ teter Kondensatoren, und einen Maschinenwechselrichter 21 (Ausgangsbaugruppe), welcher aus der Zwischenkreis-Gleich­ spannung die (getaktete) Dreiphasen-Wechselspannung varia­ bler Amplitude, Frequenz und Phase erzeugen kann oder - bei generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine 4 - der­ artige beliebige Wechselspannungen in die Zwischenkreis- Gleichspannung umsetzen kann.
Die drei Baugruppen 18, 19, 20 des Wechselrichters 17 sind in einem metallischen Gehäuse 21 hermetisch eingeschlossen, welches mit einem geeigneten Siedekühlmittel gefüllt ist. Bei diesem handelt es sich z. B. um einen Fluorkohlenwasser­ stoff, der bei einem geeigneten Druck (etwa zwischen 50 mbar und 3 bar) einen geeigneten Siedepunkt, z. B. bei 60°C, hat. Verdampftes Siedekühlmittel kann in einem Kondensa­ tionskühler 22 kondensieren und in flüssiger Form in einem geschlossenen Kreislauf in das Gehäuse 21 zurückkehren. Das Gehäuse 21 mit dem Kühlkreislauf ist hermetisch dicht.
Der Gleichspannungsumsetzer 18 ist niederspannungsseitig mit der Fahrzeugbatterie 11 und verschiedenen Niederspan­ nungsverbrauchern 23, wie beispielsweise Beleuchtung und elektronische Geräte, verbunden. Der Wechselrichter 17 kann einerseits Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Laden der Fahrzeugbatterie 11 und Versorgen der Niederspannungs­ verbraucher 23 liefern, andererseits kann er der Fahrzeug­ batterie 11 Strom auf niedrigem Spannungsniveau zum Starten des Verbrennungsmotors 1 entnehmen.
Der Zwischenkreisspeicher 19 ist verbunden mit einem exte­ rnen Zusatzspeicher 24, bei dem es sich um einen elektri­ schen Speicher, hier eine Zusatzkapazität 25, und/oder einen Schwungradspeicher 26 handeln kann. Der Zusatzspei­ cher 24 hat in erster Linie die Aufgabe, die beim Drehun­ gleichförmigkeits-Verrringern in einer Bremsphase gewonnene Energie zwischenzuspeichern und für die anschließende An­ treibphase wieder abzugeben. Daneben kann er auch der Spei­ cherung derjenigen Energie dienen, die bei anderen, durch die elektrische Maschine 4 vermittelten Bremsvorgängen anfällt. Schließlich kann er die Fahrzeugbatterie 11 beim Startvorgang des Verbrennungsmotors 1 entlasten, indem dieser Energie nur langsam entnommen und im Zusatzspeicher 24 gespeichert wird. Hier steht sie dann für eine schnelle Entnahme beim Startvorgang zur Verfügung.
Hingegen hat der (innere) Zwischenkreisspeicher 19 im we­ sentlichen die Aufgabe, der Maschinen-Wechselrichtergruppe 20 Spannung mit der für das Takten notwendigen hohen Flan­ kensteilheit - also schnell - zu liefern. Er braucht dazu keine sehr hohe Kapazität (er hat z. B. 2 µF), vorteilhaft für die Schnelligkeit sind vielmehr geringe Zuleitungsin­ duktivitäten, was durch die Anordnung im Inneren des Wech­ selrichters 17 sichergestellt ist (und zwar vorzugsweise auf derselben Platine, auf der auch die elektronischen Schalter des Maschinen-Wechselrichters 20 angeordnet sind). Der Zusatzspeicher 24 kann hingegen relativ langsam arbei­ ten, so daß hier die Zuleitungskapazitäten aufgrund der externen Anordnung nicht stören. Die Zusatzkapazität 25 kann insbesondere 50 bis 5000mal größer sein (sie ist hier z. B. 4,7 mF für die Speicherung der Drehungleichförmig­ keits-Energie) als die des Zwischenkreisspeichers 19.
Noch größere Speicherkapazitäten sind mit dem Schwungrad­ speicher 26 erreichbar, der hier eine eigene wechselrich­ tergesteuerte elektrische Maschine 27 und eine damit gekop­ pelte Schwungmasse 28 umfaßt. Letztere kann durch ein ge­ sondertes Schwungrad gebildet oder in den Läufer der elek­ trischen Maschine 27 integriert sein. Das Massenträgheits­ moment der Schwungmasse 28 beträgt vorzugsweise 0,001 bis 0,1 kgm². Es ist auch möglich, in dem Schwungradspeicher 26 ein Mehrfaches der zum Starten des Verbrennungsmotors 1 benötigten Energie zu speichern und ihm zum Starten schnell (d. h. in weniger als einer Sekunde) die jeweils nötige Startenergie zu entnehmen.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist kein gesonderter Zusatzspeicher 24 vorgesehen. Hier ist der Zwischenkreisspeicher 19 so dimensioniert und ggf. außer­ halb des Wechselrichters 17 angeordnet, daß er die Funk­ tionen des Zusatzspeichers 24 mit übernehmen kann.
Der Zwischenkreis mit seinem hohen Spannungsniveau (hier 350 V) versorgt verschiedene Hochleistungsverbraucher, wie eine Klimamaschine 29 und Servoantriebe 30 mit elektrischer Energie. Während derartige Hochleistungsverbraucher her­ kömmlicherweise durch mechanische Kopplung vom Verbren­ nungsmotor 1 angetrieben werden, erlaubt das hier zur Ver­ fügung stehende hohe Spannungsniveau einen wirkungsgradmä­ ßig günstigeren, rein elektrischen Antrieb.
Eine Steuereinrichtung 31 gibt dem Wechselrichter 17 durch entsprechende Ansteuerung seiner Halbleiterschalter zu jedem Zeitpunkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phase die von ihm zu erzeugende Wechselspannung haben soll. Die Steuereinrichtung 31, die beispielsweise durch ein entspre­ chend programmiertes Mikrocomputer-System gebildet sein kann, bestimmt zunächst den Betrag und die Richtung des Drehmoments, welches die elektrische Maschine 4 zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugen soll. Sie kann dies z. B. mit Hilfe einer Kennfeldsteuerung tun, indem sie als Eingangs­ information vom Drehtransformator 16 die Winkelstellung der Triebwelle 10, die momentane mittlere Drehzahl und ggf. weitere Betriebsparameter, wie z. B. die Drosselklappenstel­ lung, erhält und aus einem gespeicherten Kennfeld die mo­ mentan zu erwartende Drehungleichförmigkeit in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern ermittelt. Eine andere Mög­ lichkeit besteht darin, die tatsächlich momentan vorliegen­ de Drehungleichförmigkeit zu ermitteln, z. B. durch Berech­ nung der momentanen Drehgeschwindigkeit auf der Grundlage der vom Drehtransformator 16 gelieferten Information und/ oder durch Auswertung der momentan im Verbrennungsmotor 1 vorliegenden Gasdrücke, welche mit Hilfe von Gasdrucksensoren 32 detektierbar sind, sowie durch Erfassung des momen­ tanen Drehmoments des Verbrennungsmotors 1 mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Drehmomentnabe im Antriebsstrang. Möglich ist auch eine Kombination von Regelung und Steuerung. Aus dem so ermittelten Wert für die momentane Drehungleichför­ migkeit wird ein entsprechender (gegenphasiger) Wert für das schnell variierende Soll-Drehmoment der elektrischen Maschine 4 abgeleitet, dem ggf. ein positives oder negati­ ves Zusatz-Drehmoment gewünschter Stärke additiv überlagert wird. Zum Starten des Verbrennungsmotors 1 kann das Soll- Drehmoment auf der Grundlage gespeicherter Werte bestimmt werden, die den zeitlichen Soll-Verlauf der Drehzahl oder des Drehmoments der elektrischen Maschine 4 während des Startvorgangs vorgeben, ggf. ergänzt durch eine Messung dieser Größen und eine rückgekoppelte Regelung, welche die Einhaltung der Vorgaben sicherstellt.
In einem zweiten Schritt bestimmt die Steuereinrichtung 31, welche Amplitude, Frequenz und Phase der Spannung bzw. des Stroms vom Wechselrichter 17 bereitgestellt werden muß, damit die elektrische Maschine 4 dieses Soll-Gesamtdrehmo­ ment herbeiführt. Diese Bestimmung erfolgt bei der elek­ trischen Asynchronmaschine auf der Grundlage einer feld­ orientierten Regelung, welche auf einer Modellrechnung der elektrischen Maschine 4 beruht und als Eingangsinformation im wesentlichen die meßbaren elektrischen Ständergrößen (Amplitude, Frequenz und Phase von Strom und Spannung) und die momentane mittlere Läuferdrehzahl verwendet.
In Fig. 2 ist die Steuereinrichtung 31 als außerhalb des Wechselrichtergehäuses 21 angeordnet dargestellt. Um die Zuleitungsinduktivitäten gering zu halten und auch an der Siedebadkühlung zu partizipizieren, ist sie jedoch bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen im Inneren des Wechselrichtergehäuses 21 angeordnet.
Die Steuereinrichtung 31 teilt verschiedene, zur Erfüllung ihrer Steueraufgaben dienende Sensoren bzw. davon abgelei­ tete Sensorinformationen mit einem Motorsteuergerät 33 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 1. Im einzelnen handelt es sich z. B. um den Drehtransformator 16 (Winkellagegeber), die Gasdrucksensoren 32, daneben (nicht gezeigte) Sensoren zur Erfassung der mittleren Drehzahl, des Lastzustandes des Verbrennungsmotors 1 (z. B. über die Drosselklappenstellung) und dessen Drehmoments (z. B. mit Hilfe einer Drehmomentna­ be).
Außerdem kommuniziert die Steuereinrichtung 31 mit einer Vielzahl weiterer Steuergeräte: ein (nicht gezeigtes) Ener­ gieverbrauchs-Steuergerät gibt an, wieviel Energie zum Laden der Fahrzeugbatterie 11, zur Versorgung der Nieder­ spannungsverbraucher 23 und der Hochleistungsverbraucher 29, 30 benötigt wird, so daß die Steuereinrichtung 31 eine entsprechende globale Drehmomentverstellung ΔMe (siehe Fig. 1c) veranlassen kann. Das Motorsteuergerät 33 gibt der Steuereinrichtung 31 vor, ob die elektrische Maschine 4 zusätzlich zu ihrer Schwingungsverringerungs-Funktion fahr­ zeugbeschleunigend oder -bremsend wirken soll, so daß diese eine entsprechende globale Drehmomentverschiebung ΔMe ver­ anlassen kann und ggf. die Drehungleichförmigkeits-Verrin­ gerungsfunktion vorübergehend abschalten kann. Entsprechend gibt ein ASR-Steuergerät 34 (ASR = Anti-Schlupf-Regelung) der Steuereinrichtung 31 bei Vorliegen von Antriebsschlupf vor, daß die elektrische Maschine 4 vorübergehend als generato­ rische Bremse wirken soll, ggf. bevor das ASR-Steuergerät bei verbleibendem Antriebsschlupf als massivere Maßnahme ein Einbremsen der betroffenen Antriebsräder durch die Radbremse veranlaßt. Zusätzlich kann das ASR-Steuergerät seine Schlupfinformation an das Motorsteuergerät 33 überge­ ben, um außerdem eine Verringerung des Verbrennungsmotor- Drehmoments zu veranlassen. Das Motorsteuergerät 33 führt auch eine automatische Start-Stop-Steuerung durch und gibt der Steuereinrichtung 31 vor, ob die elektrische Maschine 4 den Verbrennungsmotor 1 starten soll.
Bei jeder Art von Bremsen gewonnene Energie wird im Zusatz­ speicher 24 gespeichert, um zum späteren Antreiben der elektrischen Maschine 4 wiederverwendet oder der Fahrzeug­ batterie 11 zugeleitet zu werden.
Die in Fig. 3 näher dargestellte elektrische Maschine 4 ist bürsten- bzw. schleiferlos und damit verschleißfrei. Sie hat einen Außendurchmesser von ungefähr 250 mm und eine Länge in Axialrichtung von 55 mm und erbringt bei einem Gewicht von 10-15 kg ein Dauerdrehmoment von ca. 50 Nm und ein Spitzendrehmoment von ca. 150 Nm. Sie kann Drehzahlen erreichen, die den Spitzendrehzahlen üblicher Verbrennungs­ motoren (ca. 6000 bis 10000 U/min) entspricht und ist dreh­ zahlfest bis 14000 U/min. Die elektrische Maschine 4 hat einen außenliegenden Ständer 8, welcher Nuten 35 in Rich­ tung der Triebwelle 10 (Axialrichtung) aufweist. Der Stän­ der 8 trägt eine Drei-Phasen-Wicklung 36, die so ausgebil­ det ist, daß sie bei Beaufschlagung mit Drei-Phasen-Strom zwölf Pole ausbildet. Pro Pol sind drei Nuten 35, insgesamt also sechsunddreißig Nuten 35 vorhanden. (Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen sind pro Pol neun Nuten vorhanden.) Die Pole laufen mit der Drehstrom-Oszillation in einer Kreisbewegung im Ständer 8 um. Für einen bestimm­ ten Zeitpunkt ist ihre momentane Lage durch Pfeile, welche die Bezugszeichen "S" (für Südpol) und "N" (für Nordpol) tragen, veranschaulicht. Ein die Nuten 35 nach außen ab­ schließender Rücken 37 ist in Radialrichtung relativ dünn, seine Dicke beträgt (an der Stelle einer Nut 35) vorzugs­ weise 1-15 mm. Der Ständer 8 ist aus dünnen Statorblechen (die Dicke beträgt hier 0,25 mm) aus einem Material mit niedrigen Ummagnetisierungsverlusten (hier kleiner als 1 W/kg bei 50 Hz und einem Tesla) aufgebaut, mit senkrecht zur Axialrichtung verlaufenden Blechebenen.
Der innenliegende Läufer 9 ist bei der Asynchron-Maschine als Käfigläufer mit im wesentlichen in Axialrichtung ver­ laufenden Käfigstäben, die jeweils stirnseitig mit einem Kurzschlußring 38 verbunden sind, ausgebildet. Beim der Synchronmaschine trägt der Läufer 9 eine entsprechende Zahl von Polen wie der Ständer 8 (hier zwölf Pole), die durch Permanentmagnete oder entsprechend erregte Spulen gebildet sein können. In Fig. 3 ist die Synchronmaschine ebenfalls veranschaulicht, indem die bei ihr vorhandenen Läuferpole (Bezugsziffer 39) schematisch angedeutet sind.
Der Luftspalt 40 zwischen Läufer 9 und Ständer 8 ist rela­ tiv groß; seine Weite beträgt 0,25 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist der Läufer außenliegend und der Ständer innenliegend.
Obwohl Fig. 3 eigentlich eine Drehfeldmaschine mit einem durchgehenden 360°-Drehfeld darstellt, kann sie auch der Veranschaulichung einer Sektormaschine mit mehreren unab­ hängigen Sektoren dienen. Bei unverändertem Ständerkörper sind bei der Sektormaschine vier Ständersektoren 41a bis 41d dadurch ausgebildet, daß sie jeweils eine eigene, in sich abgeschlossene Drei-Phasen-Ständerwicklung tragen, die elektrisch von den anderen unabhängig ist. Bei entspre­ chender Beschaltung mit vier unabhängigen Wechselrichtern erlaubt dies die Erzeugung von vier voneinander unabhängi­ gen Wanderfeldern, die auch Radialschwingungen verringern können. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist nicht nur die einzelne Wicklung, sondern auch der Ständer­ körper in seiner räumlichen Ausbildung auf einen oder meh­ rere Sektoren beschränkt. Diese Maschinen ähneln einem bzw. mehreren gekrümmten Linearmotoren.
Bei anderen (nicht dargestellten) Ausführungsformen ist der Läufer 9 zugleich als passiver Schwingungstilger ausgebil­ det, indem er aus einem zentralen Teil und einem dieses konzentrisch umgebenden äußeren Teil aufgebaut ist, die z. B. mittels einer dazwischen angeordneten Elastomerschicht elastisch miteinander gekoppelt sind.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist in der elektri­ schen Maschine 4 die Kupplung 5 integriert. Innerhalb des z. B. am Motor- oder Getriebegehäuse drehfest gelagerten Ständers 8 ist der Läufer 9 an seiner Peripherie einseitig über einen axial seitlich ausragenden Käfig 54 mit der Triebwelle 10 des Verbrennungsmotors 1 drehfest verbunden. Der Läufer 9 ist innen hohl und hat im wesentlichen die Form eines flachen Kreiszylinder-Mantels. In dem Hohlraum ist die Kupplung 5 - hier eine als Fahrkupplung fungierende Lamellenkupplung (Vielflächen-Reibscheibenkupplung) - an­ geordnet. Sie kann einen Kraftschluß zwischen der Triebwel­ le 10 mit dem Läufer 9 und einer in den Hohlraum ragenden Abtriebswelle 55 zum Getriebe 6 herstellen. Hierzu ist der Läufer 9 innenverzahnt und die Abtriebswelle 55 im Bereich des Hohlraums 55 außenverzahnt. In dem Raum dazwischen ist ein Scheibenpaket 56 angeordnet, dessen Scheiben 57 ab­ wechselnd außen- und innenverzahnt sind, so daß abwechselnd jeweils eine Scheibe mit dem Läufer 9 (Außenlamelle 57a) und die nächste Scheibe mit der Abtriebswelle 55 (Innenla­ melle 57b) formschlüssig verbunden ist. Ohne axialen Druck können die Außen- und Innenlamellen 57a, 57b praktisch frei gegeneinander rotieren, die Wellen 10, 55 sind dann entkup­ pelt. Preßt man die Außen- und Innenlamellen 57a, 57b mit Hilfe einer (nicht dargestellten) Druckvorrichtung (z. B. eines Winkelhebels) in Axialrichtung zusammen, stellen die entstehenden Reibkräfte den Kraftschluß zwischen den Wellen 10, 55 her, so daß sich das vom Verbrennungsmotor 1 und der elektrischen Maschine 4 erzeugte Drehmoment auf die Ab­ triebswelle 55 überträgt. Der Kraftschlußteil (d. h. hier das Scheibenpaket 56) der Kupplung 5 findet vollständig im Läufer 9 Platz, ragt also nicht etwa in Axialrichtung seit­ lich aus ihm heraus. Die Kupplung 5 ist als Naßkupplung ausgeführt. Das Kupplungsöl dient gleichzeitig der Kühlung der elektrischen Maschine 4. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen sind andere schaltbare kraftschlüssige Kupplungen integriert, z. B. eine Einscheiben-Kupplung in Trocken- oder Naßbauweise.
Andere Nutzungen des Hohlraums im Inneren der elektrischen Maschine 4 sind möglich: Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen nimmt er beispielsweise die zweite, zum Schwungradspeicher 26 gehörige elektrische Maschine 27 samt Schwungmasse 28 oder ein mechanisch einkoppelbares Schwungrad auf.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Schaltplan des Wechsel­ richters 17. Man erkennt den Zwischenkreisspeicher 19 in Form einer Kapazität, welcher der (hier nicht näher darge­ stellte) Zusatzspeicher 24 parallelgeschaltet ist. Die Kapazität symbolisiert eine Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren.
Der Maschinenwechselrichter 20 wird durch drei parallelge­ schaltete (aber unabhängig schaltbare) Schaltergruppen 42 gebildet, wobei jede der Schaltergruppen 42 für die Erzeu­ gung jeweils einer der drei Drei-Phasen-Spannungen zustän­ dig ist. Jede der Schaltergruppen 42 ist eine Serienschal­ tung zweier (unabhängig schaltbarer) Schalter 43 zwischen dem Plus- und dem Minuspol des Zwischenkreises. Die Serienschaltung ist mittig (d. h. zwischen den Schaltern 43) mit einer Seite jeweils einer der drei Wicklungen 36a, 36b, 36c der Drei-Phasenwicklung 36 verbunden; an der anderen Seite sind die drei Wicklungen 36a, 36b, 36c miteinander verbunden.
Parallel zu den Schaltern 43 ist jeweils eine Freilaufdiode 44 geschaltet. Sie ist so gepolt, daß sie normalerweise sperrt und, nur wenn ein Schalter geöffnet wird, einen aufgrund von Selbstinduktion erzeugten, kurzzeitigen Strom­ fluß in Gegenrichtung durchläßt.
Jeder Schalter 43 symbolisiert eine Parallelschaltung von mehreren (z. B. fünf) MOS-Feldeffektransistoren, welche von der Steuereinrichtung 31 zur Bildung eines Drei-Phasen- Stroms gewünschter Amplitude, Frequenz und Phase direkt angesteuert werden.
Der Gleichspannungsumsetzer 18 umfaßt zwei Unter-Baugrup­ pen, nämlich eine, welche elektrische Energie von dem nied­ rigen Spannungsniveau (12 V) auf das hohe Zwischenkreis- Spannungsniveau (350 V) bringen kann, und eine andere, welche - umgekehrt - elektrische Energie von dem hohen Spannungsniveau (350 V) auf das niedrige Spannungsniveau (12 V) bringen kann.
Bei der ersten Unter-Baugruppe handelt es z. B. sich um einen Hochsetzsteller 45. Dieser wird durch eine Serien­ schaltung einer mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie 11 verbundenen Induktivität 46 und einen mit deren Minuspol und dem Minuspol des Zwischenkreises verbundenen Schalter 47 gebildet, wobei diese Serienschaltung mittig über eine (in Durchlaßrichtung gepolte) Hochsetzdiode 48 mit dem Pluspol des Zwischenkreises verbunden ist. Bei geschlosse­ nem Schalter 47 fließt ein Kreisstrom vom Plus- zum Minus­ pol der Fahrzeugbatterie 11. Nach Öffnen des Schalters 47 sucht eine Selbstinduktionsspannung ein Zusammenbrechen dieses Stromes zu verhindern, mit der Folge, daß kurzzeitig das hohe Zwischenkreis-Spannungsniveau (350 V) überschrit­ ten wird und Strom durch die (ansonsten sperrende) Hoch­ setzdiode 48 fließt und den Zwischenkreisspeicher 19 auf­ lädt. Durch periodisches Öffnen und Schließen des Schalters 47 erzielt man einen quasi-stationären Ladestrom, z. B. als Vorbereitung des Startvorgangs. Bei dem Schalter 47 handelt es sich um einen Halbleiterschalter, welcher direkt von der Steuereinrichtung 31 angesteuert wird.
Die zweite Unter-Baugruppe ist z. B. ein Spannungsunterset­ zer 49, der ähnlich einem Schaltnetzteil funktioniert. Er umfaßt zwei Serienschaltungen von Schaltern 50 zwischen dem Plus- und Minuspol des Zwischenkreises, mit jeweils par­ allelgeschalteten Freilaufdioden 51. Die Enden einer Pri­ märwicklung eines Hochfrequenz(HF)-Transformators 52 sind jeweils mit den Mitten dieser Serienschaltungen verbunden. Die Sekundärwicklung des HF-Transformators 52 speist eine Gleichrichtungs- und Glättungseinheit 53, welche wiederum die Fahrzeugbatterie 11 und ggf. Niederspannungsverbraucher 23 speist. Die Schalter 50 symbolisieren Halbleiterschal­ ter, welche direkt von der Steuereinrichtung 31 angesteuert werden. Durch periodisches Öffnen und Schließen der Schal­ ter läßt sich ein hochfrequenter Wechselstrom erzeugen, welcher in der Sekundärwicklung des HF-Transformators 52 eine entsprechende Wechselspannung auf niedrigerem Span­ nungsniveau induziert, welche durch die Einheit 53 gleich­ gerichtet und geglättet wird. Der genaue Wert der resultie­ renden Gleichspannung läßt sich mit Hilfe der Schalter 50 durch Variation der Schaltfrequenz genau einstellen.
Das in Fig. 6 dargestellte Antriebssystem unterscheidet sich von den anhand der Fig. 1-5 dargestellten Ausführungsformen dadurch, daß hier - zusätzlich zu gemein­ samen Nutzung verschiedener Sensoren - auch die Steuerung des Verbrennungsmotors 1 und der elektrischen Maschine 4 durch eine gemeinsame Steuereinrichtung erfolgt.
Und zwar übernimmt hier die Steuereinrichtung 31 die Steu­ eraufgaben des Verbrennungsmotor-Steuergeräts 33 von Fig. 2, welches deshalb hier entfallen kann. Die Steuereinrich­ tung 31 steuert einerseits - wie oben erläutert - die Wech­ selrichterschalter 43, 47, 50, derart, daß die elektrische Maschine 4 das gewünschte Drehmoment (Wechseldrehmoment, ggf. mit global überlagertem Drehmoment für Generatorfunk­ tion, Bremsen, generatorisches Bremsen, Beschleunigen, sowie ggf. Drehmoment für Starterfunktion) erzeugt, und führt die Start-Stop-Steuerung durch. Andererseits steuert sie den Verbrennungsmotor wie ein Motormanagementsystem, d. h. sie steuert die Kraftstoffzufuhr, Drosselklappenstel­ lung (insbesondere im Leerlauf), Kraftstoffeinspritzung (Zeitpunkt und Menge) Zündung (Zeitpunkt), Ventile (Öff­ nungs- und Schließzeitpunkte), Kühlung des Verbrennungs­ motors 1 (insbesondere durch Steuerung der Kühlmitteltempe­ ratur), Abgasrückführung (z. B. durch Steuerung eines Abgas- Rückführungsventils), und dadurch Drehzahl (insbesondere im Leerlauf), Drehmoment, Leistung, Kraftstoffverbrauch und Abgaszusammensetzung des Verbrennungsmotors 1.
Die Steuerung des Verbrennungsmotors 1 und der Start-Stop- Automatik erfolgt in Abhängigkeit von verschiedenen ver­ änderlichen Größen: Zum einen in Abhängigkeit von benut­ zergesteuerten Größen, wie Fahrpedalstellung (und damit ggf. Drosselklappenstellung), vorgewählte Fahrgeschwindig­ keit, gewählte Getriebe-Gangstufe, Brems- und Kupplungs­ betätigung und Fahrcharakteristik in der Fahr-Vorgeschichte (z. B. sportliche Fahrcharakteristik); zum anderen Betriebs­ größen, wie Drehzahl, Kurbelwellenwinkel, Drehmoment, Gas­ druck, Klopfen, Antriebsschlupf, Kühlmitteltemperatur, Abgaszusammensetzung, Fahrgeschwindigkeit. All diese Steu­ eraufgaben werden von der sehr leistungsfähigen Steuerein­ richtung 31 zur Drehungleichförmigkeits-Verringerung mit übernommen.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen übernimmt ein - von einem herkömmlichen Motor-Managementsystem abge­ leitetes - Motor-Steuergerät (ähnlich 33 in Fig. 2) die Steuerung der Drehungleichförmigkeits-Verringerung. Dort kann daher die Steuereinrichtung 31 entfallen.
Bei Ausführungsformen der in den Fig. 2 und 6 gezeigten Antriebssysteme ist der Verbrennungsmotor 1 ein leistungs­ starker vielzylindriger Motor (z. B. mit sechs oder mehr Zylindern), bei dem zwecks Wirkungsgraderhöhung im Fall geringen abgefragten Drehmoments und bei niedrigen und mittleren Drehzahlen mehrere, insbesondere die Hälfte der Zylinder abgeschaltet werden, und zwar insbesondere durch Abschalten der Kraftstoffzufuhr zu den betreffenden Zylin­ dern. Beispielsweise läuft dann ein Sechszylindermotor als Dreizylindermotor.
Die Steuerung der Zylinderabschaltung (und -anschaltung) übernimmt bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 2 das Motorsteuergerät 33, während bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 6 die gemeinsame Steuereinrichtung 31 auch hierfür zuständig ist. In beiden Fällen erzeugt das jeweilige Steuermittel 33 bzw. 31 - sobald die Bedingungen für eine Zylinderabschaltung vorliegen - ein Zylinderab­ schaltsignal, welches die Unterbrechung der Kraftstoffzu­ fuhr zu den betreffenden Zylindern herbeiführt. Sobald die Abschalt-Bedingungen nicht (mehr) vorliegen, wird das Ab­ schaltsignal nicht (mehr) erzeugt - es werden dann (wieder) alle Zylinder mit Kraftstoff versorgt.
Das Abschaltsignal greift auch in die Steuerung der elek­ trischen Maschine (4) ein, wie anhand von Fig. 7 für den Fall einer (ggf. adaptiven) Kennfeldsteuerung oder einer Regelung mit (ggf. adaptiver) Kennfeld-Vorsteuerung ver­ anschaulicht ist. Das dort gezeigte Steuerverfahren durch­ läuft in einer quasi-endlosen Schleife Schritte S1 bis S3.
Im Schritt S1 wird abgefragt, ob ein Zylinderabschaltsignal vorliegt. Falls nein, liest die Steuereinrichtung 31 im Schritt S2a die für den momentanen Betriebszustand (Dreh­ zahl, Motorlast) erwarteten Drehungleichförmigkeits-Werte aus einem ersten Kennfeld, nämlich einem Kennfeld für An­ schaltbetrieb (Sechszylinderbetrieb) aus. Falls ja, liest sie hingegen im Schritt S2b die entsprechenden - i.a. betragsmäßig größeren - Werte aus einem zweiten Kennfeld, nämlich einem Kennfeld für Abschaltbetrieb (Dreizylinderbe­ trieb) aus. In Abhängigkeit von dem ausgelesenen erwarteten Drehungleichförmigkeits-Wert wird im Schritt S3 das zum Unterdrücken dieser erwarteten Drehungleichförmigkeit benö­ tigte Drehmoment ermittelt und die elektrische Maschine 4 entsprechend gesteuert (alternativ kann statt der erwarte­ ten Drehungleichförmigkeit in den Kennfeldern auch bereits das zu deren Unterdrückung benötigte Drehmoment abgespei­ chert sein). Anschließend wird Schritt S1 wieder durchge­ führt und das Steuerverfahren wird von neuem durchlaufen.
Bei einer (rückgekoppelten) Regelung mit Vorsteuerung han­ delt es sich bei dem im Schritt S2a bzw. S2b aus dem jewei­ ligen Kennfeld entnommenen Wert um einen Vorsteuerwert, der im Schritt S3 der Voreinstellung der Regelung dient. Die im Schritt S3 anschließend stattfindende (Nach)-Regelung ist in Fig. 7 nicht ausdrücklich dargestellt. Die Übergänge von "Abschaltsignal Aus" zu "Abschaltsignal An" und umgekehrt bewirken hier also eine Änderung der Voreinstellung der Regelung, die der jeweils beim Übergang erwarteten Änderung der Drehungleichförmigkeit entspricht.
Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen gibt es mehrere Stufen von Zylinderabschaltung. Beispielsweise können bei einem Achtzylindermotor in einem Übergangs-Ab­ schaltbereich zunächst nur zwei Zylinder, bei weiterem Fortschreiten in den Abschaltbereich hinein dann insgesamt vier Zylinder abgeschaltet werden. Das oben geschilderte steuerverfahren läuft dann entsprechend mit zwei Ab­ schaltsignalen und drei Kennfeldern ab.
Bei all diesen Ausführungsformen bemerkt der Benutzer prak­ tisch nichts vom Zylinderabschaltbetrieb und den Übergängen zwischen An- und Abschaltbetrieb und umgekehrt.
Fig. 8 veranschaulicht schematisch einen Steuerablauf einer Ausführungsform des Antriebssystems. Nach einem manuellen Start des Verbrennungsmotors 1 im Schritt T0 wird im fol­ genden Schritt T1 abgefragt, ob eine Bedingung zum Stoppen des Verbrennungsmotors 1 erfüllt ist. Im einzelnen setzt sich die Stopbedingung aus einer logischen UND-Verknüpfung folgender bestimmter Bedingungen zusammen:
  • 1. Motordrehzahl n ist kleiner als 1300 U/min;
  • 2. Kraftfahrzeug-Fahrgeschwindigkeit V ist kleiner als 4 km/h;
  • 3. Kühlmitteltemperatur T des Verbrennungsmotors 1 ist größer als 60°C;
  • 4. das Fahrzeug ist seit dem letzten (manuellen oder automatischen Start) wenigstens einmal schneller als 4 km/h gefahren; und
  • 5. der Batterieladezustand ist für weitere Starterbetäti­ gungen ausreichend (diese Bedingung ist in Fig. 8 nicht dargestellt).
Falls die Antwort auf diese Abfrage Nein ist, mündet der Steuerablauf wieder oben zwischen den Schritten T0 und T1 ein, so daß die Abfrage im Schritt T1 nach Art einer Quasi- Endlosschleife bis zum Eintreten der Stopbedingung wieder­ holt ausgeführt wird. Falls die Antwort hingegen Ja ist, wird der Verbrennungsmotor 1 im Schritt T2 automatisch gestoppt, z. B. durch Unterbrechen der Kraftstoffzufuhr.
Im anschließenden Schritt T3 wird abgefragt, ob eine Bedin­ gung zum Starten des Verbrennungsmotors 1 (sog. Startbedin­ gung) erfüllt ist. Die Startbedingung kann beispielsweise die Bedingung "Berührung des Gangschalthebels durch Benut­ zer?" sein. Falls die Antwort auf diese Abfrage Nein ist, mündet der Steuerablauf wieder oben zwischen den Schritten T2 und T3 ein, so daß die Abfrage im Schritt T3 nach Art einer Quasi-Endlosschleife wiederholt ausgeführt wird, solange bis die Startbedingung erfüllt ist. Falls die Ant­ wort auf die Abfrage hingegen Ja ist, wird der Verbren­ nungsmotor 1 im Schritt T4 automatisch wieder gestartet, und zwar durch die direkt mit der Triebwelle 10 des Ver­ brennungsmotors 1 gekoppelte elektrische Maschine 4. Um hierbei ein unbeabsichtiges Anfahren des Kraftfahrzeugs auszuschließen, wird jedoch das Erfülltsein der Bedingung "Kein Gang eingelegt" gefordert.
Anschließend mündet der Steuerablauf wieder oben zwischen den Schritten T0 und T1 ein, so daß der Steuerablauf wieder von vorne beginnt, also im folgenden wieder abgefragt wird, ob die Stopbedingung vorliegt. In beiden o.g. Quasi-End­ losschleifen ist außerdem noch eine (nicht gezeigte) Ab­ frage vorhanden, ob ein manueller Stop (etwa durch Drehen eines Zündschlüssels) durchzuführen ist. Falls in der je­ weiligen Schleife die Antwort Nein ist, wird sie weiter durchlaufen. Falls die Antwort Ja ist, endet der Steuer­ ablauf.
Eine elektrische Doppelmaschine 4 gemäß Fig. 9, welche zusätzlich die Funktion einer elektromagnetischen Kupplung und/oder Synchronisiereinrichtung ausführen kann, sitzt im Antriebsstrang 2 zwischen der Antriebswelle, z. B. der Triebwelle 10 des Verbrennungsmotors 1, und der Abtriebs­ welle, z. B. der mit einem Getriebe 6 gekoppelten Getriebe­ welle 55. Sie umfaßt zwei elektrische Maschinen 4a, 4b mit jeweils einem drehfesten Ständer 8a, 8b und jeweils einem mit der An- bzw. Abtriebswelle drehenden Läufer 9a, 9b. Die Läufer 9a, 9b - und damit die An- und Abtriebswelle - sind mit Hilfe einer mechanischen Überbrückungs-Kupplung 60 - hier einer form- oder reibschlüssigen Kupplung - fest me­ chanisch miteinander verbindbar. Diese ist vorzugsweise in gesteuerter Weise betätigbar, z. B. mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch. Bei anderen Ausführungsformen ist die Überbrückungs-Kupplung 60 nicht vorhanden.
Fig. 10 zeigt eine Fig. 9 entsprechende Doppelmaschine 4, bei der die Läufer 9a, 9b in koaxialer Anordnung in einem gemeinsamen Ständerkörper 59 angeordnet sind, der die bei­ den (elektrisch getrennten oder trennbaren) Ständer 8a, 8b aufnimmt und drehfest z. B. an einem Kurbelgehäuse 61 des Verbrennungsmotors 1 befestigt ist. Die (hier nicht darge­ stellte) Überbrückungskupplung kann z. B. dadurch realisiert sein, daß die Läufer 9a, 9b durch Axialverschiebung mitein­ ander in Form- oder Reibschluß gebracht werden können. Alternativ kann sie durch z. B. durch eine in die Läufer 9a, 9b integrierte Reib- oder Klauenkupplung gebildet sein.
Die Doppelmaschine 4 der Fig. 9 und 10 hat neben ihrer Funktion als elektromagnetische Kupplung die Funktionen einer aktiven Getriebe-Synchronisiereinrichtung, eines aktiven Drehungleichförmigkeits-Verringerers, eines Direkt- Starters für den Verbrennungsmotor, eines Generators zur Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer Energie, und eines Boosters sowie einer generatorischen Bremse zur Un­ terstützung des Verbrennungsmotors 1 bzw. von Fahrzeugbrem­ sen beim Beschleunigen bzw. Abbremsen etwa eines Kraftfahr­ zeugs, auch im Rahmen einer - durch Regelung des Schlupfes in der elektrischen Maschine erzielbaren - ASR zur An­ triebsradschlupf-Verringerung.
Bei der Kupplungsfunktion handelt es sich bei einer Aus­ führungsform um die Funktion einer Anfahr- und Schaltkupp­ lung, bei einer anderen Ausführungsform nur um die einer Schaltkupplung zum Gangwechsel. Bei der ersten Ausfüh­ rungsform kann die beim Kraftfahrzeug im Antriebsstrang vorhandene herkömmliche mechanische oder hydrodynamische Kupplung entfallen. Bei der zweiten Ausführungsform ist sie hingegen als Anfahrkupplung zusätzlich zur elektromagneti­ schen Kupplung 4 vorhanden. Sie ist z. B. nachfolgend in der Abtriebswelle 55 angeordnet und kann nach dem Anfahren - also auch während eines Gangwechsels - geschlossen bleiben.
Bei beiden Ausführungsformen wird die Überbrückungskupplung 60 bei Gleichlauf der Wellen 10, 55 geschlossen, um dann die elektromagnetischen Kopplungsverluste zu eliminieren, bei der zweiten Ausführungsform auch um das hohe Anfahr­ moment zu übertragen, sowie bei anderen Funktionen, wie dem Drehungleichförmigkeits-Verringern und Starten, durch ge­ koppelten Parallellauf beider Maschinen 4a, 4b größere Drehmomente zur Verfügung zu haben. Da die Überbrückungs­ kupplung 60 nur bei Wellengleichlauf eingekuppelt wird, ist sie vorteilhaft als formschlüssige Kupplung (z. B. Haken­ kupplung) ausgebildet.
Bei einer dritten Ausführungsform hat die elektrische Dop­ pelmaschine 4 keine Kupplungsfunktion, dient aber (wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform) der aktiven Getrie­ besynchronisation durch Beschleunigen bzw. Abbremsen der Abtriebswelle 55 in dem Zeitraum zwischen Wellentrennung und -verbindung, die durch eine als mechanische oder hydro­ dynamische Anfahr- und Schaltkupplung, z. B. in Form einer reibschlüssig ausgebildeten Überbrückungskupplung 60 be­ wirkt wird.
Die elektrische Ansteuerung der Maschinen 4a, 4b erfolgt bei den Ausführungsformen mit Kupplungsfunktion unabhängig voneinander, hier durch zwei im wesentlichen unabhängige Wechselrichter, um die Erzeugung entgegengesetzter Drehmo­ mente (z. B. wenn die antriebsseitige Maschine 4a als Gene­ rator und die abtriebsseitige 4b als Motor arbeitet) und/ oder von Drehmomenten bei verschiedenen Drehzahlen (z. B. während des Anfahrens und nach Gangwechsel) zu ermöglichen. Bei der Ausführungsform ohne elektromagnetischen Kupplungs- Funktion ist keine unabhängige Ansteuerung erforderlich. Hier genügt ein Wechselrichter, der zur Steuerung der ver­ schiedenen Funktion (Synchronisierung, Drehungleichförmig­ keits-Verringerung, Starten, Stromerzeugung, Beschleuni­ gung, Bremsung) geeignet ist und wahlweise mit nur einer Maschine 4a oder 4b oder beiden Maschinen 4a, 4b koppelbar ist. Die wahlweise Koppelbarkeit erlaubt einerseits für manche Funktionen - etwa zum Starten - beide Maschinen 4a, 4b gemeinsam (bei geschlossener Überbrückungskupplung 60) Moment erzeugen zu lassen, und andererseits für andere Funktionen nur eine von ihnen (bei geöffneter Überbrüc­ kungskupplung 60) Moment erzeugen zu lassen - etwa die abtriebsseitige Maschine 4b ein bremsendes Moment zur Syn­ chronisierung oder zum Abbremsen des Fahrzeugs erzeugen zu lassen. Elektrische Energie, die durch generatorisches Bremsen und Kupplungsschlupf anfällt, wird gespeichert, z. B. einem elektrischen (z. B. Kondensator), elektrochemi­ schen (z. B. Batterie oder einem kinetomechanischen Speicher (z. B. Schwungrad-Speicher), und wiederverwendet. Falls die anfallende Energie oder Leistung das Aufnahmevermögen des Speichers übertrifft - was z. B. bei der Anfahrkupplungs­ funktion der Fall sein kann -, wird die Überschußenergie in Form von Wärme (über Heizwiderstände) abgeführt.
Eine elektrische Einzelmaschine 4 gemäß Fig. 12, welche die Funktion einer elektromagnetischen Kupplung und/oder Syn­ chronisiereinrichtung hat, weist ein inneres und ein äuße­ res elektromagnetisches Wirkelement auf, die in Anlehnung an bei elektrischen Maschinen üblichen Bezeichnungsweisen hier Läufer 9 und Ständer 8′ genannt werden. Der Läufer 9 ist drehfest mit der Abtriebswelle 55 und der Ständer 8′ ist drehfest mit der Triebwelle 10 verbunden (bei anderen - nicht gezeigten - Ausführungsformen ist diese Zuordnung umgekehrt). Die elektrische Maschine 4 ist also zusätzlich zur Läuferdrehung als Ganzes drehbar; der Begriff "Ständer" ist also angesichts dessen Drehbarkeit nur in einem über­ tragenen Sinn zu verstehen. Während es bei einer festste­ henden elektrischen Maschine - z. B. einer Drehfeld-Maschine - möglich ist, die Stromzufuhr auf das feststehende Wirk­ element (d. h. den Ständer) zu beschränken und im drehbaren Wirkelement (d. h. im Läufer) Ströme ohne Stromzufuhr nur durch Induktion hervorzurufen, wird hier - wo beide Wirk­ elemente drehbar sind - wenigstens einem von ihnen (hier dem Ständer 8′) Strom über drehbewegliche elektrische Ver­ bindungen (z. B. über hier nicht gezeigte Schleifer/Schleif­ ring-Kontakte) zugeführt. Die Abtriebswelle 55 ist mit einer mechanischen Kupplung, hier einer gegen das Fahr­ zeugchassis oder das Getriebegehäuse abgestützten Bremse 62 gegen Drehung festlegbar. Die gezeigte Ausführungsform hat keine Überbrückungskupplung, andere (nicht gezeigte) Aus­ führungsformen sind jedoch mit einer reib- oder kraft­ schlüssigen Überbrückungskupplung zur mechanischen Verbin­ dung der Wellen 10, 55 ausgerüstet. Die Maschine 4 kann im oder am Motorgehäuse, Getriebegehäuse oder an beliebiger anderer Stelle im Antriebsstrang 2 plaziert sein.
Die elektrische Einzelmaschine 4 kann - trotz ihres ein­ fachen Aufbaus - im wesentlichen alle Funktionen der Dop­ pelmaschine gemäß Fig. 9 und 10 ausführen, so daß die dort gemachten Ausführungen - soweit hier sinnvoll - auch hier Gültigkeit haben.
In der Funktion als Schaltkupplung und ggf. als Anfahr­ kupplung wird ein Gleichlauf der Wellen 10, 55 durch eine solche Einstellung der drehmomenterzeugenden magnetischen Felder der Maschine 4 erzielt, daß Drehzahlgleichheit zwi­ schen den Wellen 10 und 55 herrscht, also der Kupplungs­ schlupf zwischen Ständer 8′ und Läufer 9 genau verschwin­ det. Bei einer Asynchronmaschine wird dies beispielsweise durch die Regelung bzw. Steuerung des magnetischen Schlup­ fes eines entgegen der Antriebsdrehmoment-Richtung umlau­ fenden Drehfelds geeigneter Frequenz und Amplitude er­ zielt. Eine (hier nicht dargestellte) formschlüssige Über­ brückungskupplung eliminiert bei verschwindendem Kupplungs­ schlupf die elektromagnetischen Verluste.
Die aktive Getriebesynchronisierung - die bei Ausführungs­ formen der Einzelmaschine 4 auch ohne Kupplungsfunktion realisiert sein kann - erfolgt hier in Abstützung gegen die mit der variablen Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 dre­ hende Triebwelle 10. Der Beitrag dieser Drehung wird bei der Bestimmung und Steuerung der für die jeweilige Synchro­ nisation nötigen Relativdrehzahl der Maschine 4 berücksich­ tigt.
Eine Verringerung von Drehungleichförmigkeiten der Trieb­ welle 10 kann im Stand des Fahrzeugs in Abstützung gegen den dann mit Hilfe der Bremse 62 gegen Drehung festgelegten Läufer 9 erfolgen. Bei angetriebener Fahrt können bei nicht eingekuppelter (oder nicht vorhandener) Überbrückungskupp­ lung Drehungleichförmigkeiten der Abtriebswelle 55 durch schnelles Variieren des übertragenen Drehmoments verringert werden, und zwar durch dessen Verkleinerung (d. h. einer Vergrößerung des Kupplungsschlupfes) bei positiver Dreh­ ungleichförmigkeit und dessen Vergrößerung (d. h. einer Verkleinerung des Kupplungsschlupfes) bei negativer.
Zusatzbeschleunigung oder -bremsung ist bei nicht einge­ kuppelter Überbrückungskupplung durch Erzeugung entspre­ chenden Drehmomente - oder anders ausgedrückt - kleineren oder größeren Kupplungsschlupfes möglich. Die elektrische Maschine 4 kann in eine ASR-Regelung derart einbezogen sein, daß bei zu großem Antriebsrad-Schlupf der Kupplungs­ schlupf augenblicklich vergrößert und damit das an den Antriebsrädern anliegende Moment verkleinert wird. Eine Generatorfunktion zur Stromerzeugung wird durch dauernd aufrechterhaltenen Kupplungsschlupf erzielt.
Die elektrische Maschine 4 kann den Verbrennungsmotors 1 direkt in Abstützung gegen die durch die Bremse 62 festge­ legte Abtriebswelle 55 starten. Bei einer anderen Ausfüh­ rungsform, bei der die Maschine 4 hierfür kein ausreichen des Drehmoment aufbringt, kann sie unter Ausnutzung der elektromagnetischen Kupplungsfunktion als verschleißfreier Schwungradstarter dienen. Hierzu beschleunigt die elektri­ sche Maschine 4 zunächst bei nicht eingelegtem Gang und gelöster Bremse 62 den dann frei laufenden Läufer 9 zusammen mit der Abtriebswelle 55 in Abstützung gegen die Triebwelle 10 und die Kompression des noch nicht laufenden Verbren­ nungsmotors 1 auf eine relativ hohe Drehzahl, z. B. auf 2000 U/min. Dann wird die elektrische Maschine 4 innerhalb kur­ zer Zeit so umgesteuert, daß sie ein bremsendes Moment, also Kraftschluß zwischen dem Läufer 9 und dem Ständer 8′ herstellt. Dadurch werden der Läufer 9 mit der Abtriebs­ welle 55 und der Ständer 8′ mit der Triebwelle 10 schnell auf eine gemeinsame mittlere Drehzahl (z. B. 800 U/min) gebracht und der Verbrennungsmotor 1 gestartet.
Fig. 13 zeigt eine Weiterbildung der elektrischen Maschine mit drehbaren Wirkeinheiten gemäß Fig. 12. Die dort sowie im Zusammenhang mit Fig. 9 und 10 gemachten Ausführungen haben auch hier - soweit sinnvoll - Gültigkeit. Die Ma­ schine 4 gemäß Fig. 13 hat bei etwas größerem Aufwand den Vorteil, auch im Antriebszustand des Antriebssystems eine Verringerung von Drehungleichförmigkeiten an ihrem Ursprung - also an der Triebwelle 10, und nicht nur an der Ab­ triebswelle 55 - zu erlauben, ferner die Generatorfunktion bei geschlossener Überbrückungskupplung - und damit bei höherem Wirkungsgrad - bereitzustellen, sowie die Synchro­ nisierung bezüglich eines feststehenden - und nicht mit variabler Drehzahl rotierenden - Bezugselements zu ermögli­ chen, was deren Steuerung vereinfacht.
Dies wird dadurch erreicht, daß der Ständer 8′ nicht mehr dauernd mit der Triebwelle 10 gekoppelt ist, sondern in steuerbarer Weise drei verschiedene Kopplungszustände ein­ nehmen kann:
  • 1. mit der Triebwelle 10 gekoppelt (wie in Fig. 12);
  • 2. ohne Kopplung mit der Triebwelle 10 frei drehbar;
  • 3. gegen Drehung festgelegt.
Zwei zusätzliche mechanische Kupplungen, bei denen es sich um reibschlüssige, vorzugsweise aber um formschlüssige Kupplungen handeln kann, dienen hierzu: Eine Motorkupplung 63, die im geschlossenen Zustand den Ständer 8′ mit der Triebwelle 10 koppelt (Kopplungszustand 1), und eine Fest­ leg-Kupplung 64, die ihn im geschlossenen Zustand gegen Drehung festlegt, z. B. durch Kopplung mit dem Kurbelgehäuse 61 (Kopplungszustand 3). Für den Kopplungszustand 2 sind beide geöffnet; ein gleichzeitiges Schließen ist ein ver­ botener Zustand. Die Kupplungen 63, 64 (die in Fig. 13 nur aus Gründen der Rotationssymmetrie doppelt gezeichnet sind), sowie die Überbrückungskupplung 60 sind in gesteuerter Weise betätigbar, z. B. mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch.
Die Steuerung der elektrischen Maschine 4 und der Kupplun­ gen 60, 62, 63 erfolgt durch die verschiedenen Betriebs­ zustände und Funktionen des Antriebssystems gemäß folgenden Verfahrensabläufen:
  • 1. Starten des Verbrennungsmotors 1 (Schwungrad-Start):
  • i. Gang freischalten (z. B. durch Bedienungsperson);
  • ii. Motorkupplung 63 wird geschlossen;
  • iii. Läufer 9 wird durch elektrische Maschine 4 auf hohe Drehzahl beschleunigt;
  • iv. Bremsmoment in elektrischer Maschine 4 wird ein­ geschaltet, dadurch wird Läufer 9 abgebremst und Ständer 8′ beschleunigt, so daß der Verbrennungs­ motor 1 startet;
  • 2. Anfahren des Fahrzeugs:
  • i. Überbrückungskupplung 60 wird geöffnet;
  • ii. Läufer 9 wird durch elektrische Maschine 4 zum Stillstand gebracht;
  • iii. 1. Gang wird eingelegt (z. B. durch Bedienungsper­ son);
  • iv. Läufer 9 wird elektromagnetisch mit Anfahr-Nenn­ moment beschleunigt, d. h. durch Ständer 8′ mit­ genommen;
  • v. bei Gleichlauf wird Überbrückungskupplung 60 ge­ schlossen;
  • 3. Stationärer Fahrbetrieb mit Drehungleichförmigkeits- Verringerung:
  • i. Motorkupplung 63 wird geöffnet, so daß der Stän­ der 8′ frei dreht;
  • ii. Ständer 8′ wird durch elektrische Maschine 4 zum Stillstand gebracht;
  • iii. Festleg-Kupplung 64 wird geschlossen, so daß eine starre Verbindung zwischen Ständer 8′ und dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 herrscht;
  • iv. Wechselmoment zur Verringerung von Drehungleich­ förmigkeiten der Triebwelle 10 wird von der elek­ trischen Maschine 4 erzeugt;
  • 4. Schalten:
  • i. Verbrennungsmotor-Antriebsmoment wird weggenommen (ggf. mit Unterstützung der elektrischen Maschi­ ne) (z. B. durch Bedienungsperson);
  • ii. Überbrückungskupplung 60 wird geöffnet;
  • iii. Gang wird herausgenommen (z. B. durch Bedienungs­ person);
  • iv. Läufer 9 wird auf diejenige neue Drehzahl be­ schleunigt oder abgebremst, welche die Synchro­ nisierbedingung für den neu einzulegenden Gang erfüllt;
  • v. dieser Gang wird eingelegt (z. B. durch Bedie­ nungsperson);
  • vi. Überbrückungskupplung 60 wird geschlossen;
  • vii. Verbrennungsmotor-Antriebsmoment wird wieder freigegeben (z. B. durch Bedienungsperson).
Eine Drehungleichförmigkeits-Verringerung ist auch im Leer­ lauf möglich, wie folgende Verfahrensabfolge zeigt, die sich an den obigen Schritt 1 anschließen kann:
  • 5. Leerlauf mit Drehungleichförmigkeits-Verringerung:
  • i. Motorkupplung 63 wird geöffnet, so daß der Stän­ der 8′ frei dreht;
  • ii. Ständer 8′ wird durch elektrische Maschine 4 zum Stillstand gebracht;
  • iii. Festleg-Kupplung 64 wird geschlossen, so daß eine starre Verbindung zwischen Ständer 8′ und dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 herrscht;
  • iv. Wechselmoment zur Verringerung von Drehungleich­ förmigkeiten der Triebwelle 10 wird von der elek­ trischen Maschine 4 erzeugt.
Das Schließen der Kupplungen 60, 63, 64 erfolgt nur bei jeweils verschwindender Relativdrehzahl. Die Generatorfunk­ tion und bremsende oder antreibende Zusatz-Drehmomente werden - wie die Synchronisierungsfunktion und die Dreh­ ungleichförmigkeits-Verringerung - bei geschlossener Über­ brückungskupplung 60 und geschlossener Festleg-Kupplung 64 durch entsprechende bremsende bzw. antreibende Momente der elektrischen Maschine 4 verwirklicht.
Andere Ausführungsformen starten den Verbrennungsmotor 1 direkt, und zwar bei geschlossener Überbrückungskupplung 60 und geschlossener Festleg-Kupplung 64.
Die elektrische Maschine 4 gemäß Fig. 14 entspricht funk­ tionell weitgehend der in Fig. 13 gezeigten, so daß die Ausführungen zu Fig. 13 sowie Fig. 9 bis 12 auch hier - soweit sie nicht im folgenden genannte Abweichungen be­ treffen - Geltung haben. Ein wesentlicher Unterschied zur Maschine gemäß Fig. 13 besteht darin, daß die Umschaltung von "drehbarem Läufer" auf "feststehenden Läufer" nicht mechanisch durch Öffnen und Schließen von Kupplungen, son­ dern auf elektrischem Wege erfolgt. Ein weiterer Unter­ schied besteht darin, daß bei der gezeigten Maschine 4 die Rollen der Triebwelle 10 und der Abtriebswelle 55 gegenüber Fig. 13 vertauscht sind, was zu geringfügigen - unten näher erläuterten - Abweichungen in der Funktionsweise führt. Bei (nicht gezeigten) Ausführungsformen entsprechen die Rollen der Triebwelle 10 und der Abtriebswelle 55 jedoch denen von Fig. 13; diese Ausführungsformen zeigen nicht diese Abwei­ chungen.
Bei der gezeigten elektrischen Maschine 4 sind - wie gesagt - der (außenliegende) Ständer 8′ und der (innenliegende) Läufer 9 drehfest und nicht entkoppelbar mit der Abtriebs­ welle 55 bzw. der Triebwelle 10 verbunden. Zusätzlich zum drehbaren Ständer 8′ ist die Maschine 4 mit einem gegen Drehung festliegenden Ständer 8 ausgerüstet, der sich (z. B.) gegen das Kurbelgehäuse 61 abstützt. Dieser ist dem drehbaren Ständer 8′ unmittelbar benachbart, und zwar in Axialrichtung zum (z. B.) Verbrennungsmotor 1 hin versetzt. Er ist koaxial zum drehbaren Ständer 8′ angeordnet und weist einen Innendurchmesser wie jener auf. Die Wicklungen 36 der beiden Ständer 8′, 8 sind eigenständig, so daß sie in ihrer Magnetfelderzeugung entkoppelt oder entkoppelbar sind. Der Läufer 9 ist so breit ausgebildet, daß er sich in Axialrichtung im wesentlichen über die Wirkflächen der beiden Ständer 8′, 8 erstreckt. Eine Überbrückungskupplung 60 koppelt - wie in Fig. 13 - die Triebwelle 10 mit der Ab­ triebswelle 50. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungs­ formen sind der Läufer 9 außen- und die Ständer 8′, 8 in­ nenliegend.
Das Umschalten zwischen dem festliegenden Ständer 8 und dem drehbaren Ständer 8′ erfolgt mit Hilfe einer umschaltbaren Versorgungseinheit, hier des geeignet umschaltbaren Wech­ selrichters 17. Dieser versorgt entweder für die Funktionen Direktstart, Drehungleichförmigkeits-Verringerung, Fahr­ zeugbremsung und -beschleunigung sowie die Generatorfunktion den festgelegten Ständer 8 oder für die Funktionen elektro­ magnetische Kupplung, Synchronisierung sowie Schwungrad- Start den drehbaren Ständer 8′ mit den hierfür jeweils erforderlichen Strömen und Spannungen, wobei er zwischen diesen trägheitslos und ohne merkliche Zeitverzögerung um­ schalten kann.
Anders als in Fig. 13 wird die Funktion "Synchronisierung" durch Momenterzeugung zwischen dem drehbaren Ständer 8′ und dem Läufer 9 gesteuert, was steuerungstechnisch wegen der Abstützung gegen die drehzahlvariable Triebwelle 10 auf­ wendiger ist. Dies liegt daran, daß bei der Maschine 4 gemäß Fig. 14 die Überbrückungskupplung 60 in Abtriebsrich­ tung gesehen hinter der durch den festliegenden Ständer 8 und den Läufer 9 gebildeten elektrischen Maschine liegt, während sie bei der Maschine 4 gemäß Fig. 13 bei festlie­ gendem Ständer vor der elektrischen Maschine 4 liegt. Bei der (nicht gezeigten) Ausführungsform, bei der die Rollen der Triebwelle 10 und der Abtriebswelle 55 gegenüber Fig. 14 vertauscht sind, ist dieser funktionelle Unterschied zu Fig. 13 nicht vorhanden.
Bei anderen Ausführungsformen werden die beiden Ständer 8, 8′ simultan und unabhängig mit Hilfe zweier unabhängiger Versorgungseinrichtungen, hier Wechselrichter 17 gespeist. Dies ermöglicht eine Ausführung von dem festliegenden Stän­ der 8 zugeordneten Funktionen, z. B. der Generatorfunktion und der Drehungleichförmigkeits-Verringerung auch während der Ausführung von dem drehbaren Ständer 8′ zugeordneten Funktionen, z . B. der elektromagnetischen Kupplungsfunktion.
Eine weitere (nicht gezeigte) Ausführungsform der elektri­ schen Maschine mit einem Läufer, einem permanent festlie­ genden Ständer und einer mechanischen Kupplung zwischen dem Antriebsaggregat und der elektrischen Maschine erlaubt eine aktive Getriebesynchronisierung, stellt jedoch keine elek­ tromagnetische Kupplungsfunktion bereit.
Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform des Systems entsprechend Fig. 2 mit der elektrischen Maschine von Fig. 13 mit elek­ trisch umschaltbarem Doppelständer. Im wesentlichen sind in der folgenden Beschreibung nur Unterschiede und Ergänzungen zu dem System gemäß Fig. 2 erwähnt.
Die elektrische Maschine 4 umfaßt zwei äußere Ständer 8, 8′ und einen inneren bürstenlosen Läufer 9, der sich in Axial­ richtung über die Wirkfläche beider Ständer 8, 8′ er­ streckt. Der erste, antriebsseitige Ständer 8 stützt sich drehfest z. B. gegen den Verbrennungsmotor 1 ab, wohingegen der zweite, antriebsseitige Ständer 8′ drehfest mit der Abtriebswelle 55 verbunden ist. Der Läufer 9 sitzt direkt auf der Triebwelle 10 oder einer Verlängerung hiervon und ist mit dieser drehfest gekoppelt. Die Triebwelle 10 und der Läufer 9 sowie die Abtriebswelle und der drehbare Stän­ der 8′ rotieren also jeweils gemeinsam. Die Triebwelle 10 und die Abtriebswelle 55, die zwischen dem Läufer 9 und dem drehbaren Ständer 8′ getrennt sind, sind mit einer im Inne­ ren des Läufers 9 integrierten formschlüssigen Überbrüc­ kungskupplung 60, hier einer steuerbar betätigbaren Klauen­ kupplung koppelbar.
Die elektrische Maschine 4 fungiert hier außerdem als elek­ tromagnetische Anfahr- und Schaltkupplung und als aktive Getriebe-Synchronisiereinrichtung, wie im Zusammenhang mit den Fig. 9-13 bereits erläutert wurde, und ersetzt damit auch die (hier nicht vorhandene) mechanische Fahrkupplung 5 und erlaubt die Verwendung eines unsynchronisierten Ge­ triebes.
Der Wechselrichter 17 liefert hier in umschaltbarer Weise entweder dem festliegenden Ständer 8 oder dem drehbaren Ständer 8′ oder beiden parallel elektrische Energie. Die Zuführung zum drehbaren Ständer 8′ erfolgt über (nicht gezeigte) Drehkontakte, hier Schleifer/Schleifring-Kontak­ te. Der externe Zusatzspeicher 24 dient hier auch der Spei­ cherung derjenigen Energie, die beim Anfahren (d. h. Schlupfenergie) und beim abbremsenden Synchronisieren anfällt. Diese Energie kann z. B. für entsprechende Funktio­ nen mit Energiebedarf wiederverwendet werden. Die Steuer­ einrichtung 31 bestimmt auch, welcher Ständer 8, 8′ ange­ steuert wird und gibt dem Wechselrichter 17 auch bezüglich der Kupplungs- und Synchronisierungsfunktion durch entspre­ chende Ansteuerung seiner Halbleiterschalter zu jedem Zeit­ punkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phase die von ihm zu erzeugende Wechselspannung haben soll. Sie kann dies z. B. mit Hilfe gespeicherter Kennfeldwerte tun, die für die verschiedensten Betriebszustände für Kupplungsvorgänge das Soll-Drehmoment (oder den Soll-Kupplungsschlupf) sowie für Getriebesynchronisierungs-Vorgänge die Soll-Drehzahl, je­ weils als Funktionen der Zeit, repräsentieren. Gegebenen­ falls kann die Drehmomentbestimmung ergänzt sein durch eine laufende Messung dieser Größen und eine rückgekoppelte Regelung, welche die Einhaltung der Vorgaben sicherstellt. Die Steuereinrichtung 31 teilt zur Erfüllung ihrer Steuer aufgaben hier auch Sensoren zur Erfassung der Drehzahl des Achsantriebs 7 und der eingelegten Gangstufe mit dem Motor­ steuergerät 33. Das ASR-Steuergerät 34 gibt hier der Steu­ ereinrichtung 31 bei Vorliegen von Antriebsschlupf vor, daß die elektrische Maschine 4 - neben der Möglichkeit, als generatorische Bremse zu wirken - bei geöffneter Überbrüc­ kungskupplung 60 vorübergehend den Kupplungsschlupf ver­ größern soll.
Bei einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform ent­ sprechend Fig. 6 übernimmt die Steuereinrichtung 31 die Steueraufgaben des Verbrennungsmotor-Steuergeräts 33 von Fig. 14, welches deshalb bei dieser Ausführungsform ent­ fallen kann.

Claims (31)

1. Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit
  • - einem Antriebsaggregat, insbesondere einem Ver­ brennungsmotor (1), und
  • - wenigstens einer mit dem Antriebsaggregat, und zwar insbesondere mit dessen Triebwelle (10), gekoppelten oder koppelbaren elektrischen Maschi­ ne (4) zur aktiven Verringerung von Drehun­ gleichförmigkeiten,
wobei wenigstens ein Sensor (16, 32) des Antriebssy­ stems und/oder wenigstens eine aus Sensorinformation abgeleitete Größe sowohl der Steuerung des Antriebs­ aggregats als auch der Steuerung der elektrischen Maschine (4) dient, und/oder
wobei eine für die Steuerung der elektrischen Maschine (4) oder des Antriebsaggregats zuständige Steuerein­ richtung (31 bzw. 33) auch das Antriebsaggregat bzw. die elektrische Maschine (4) teilweise oder ganz steu­ ert.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, bei welchem der (die) gemeinsam genutze(n) Sensor(en) eine oder mehrere der folgenden Größen mißt (messen) und/oder die aus Sen­ sorinformation abgeleitete(n) Größe(n) wenigstens eine der folgenden Größen ist (sind): Winkelstellung, Dreh­ zahl, Winkelbeschleunigung, Lastzustand, Temperatur, Abgaszusammensetzung, Verbrennungsluftmenge bzw. -masse, Drosselklappenstellung, Kraftstoffmenge, Einspritzzeitpunkt, Gasdruck, jeweils des Antriebs­ aggregats; Strom, Zwischenkreisspannung, Frequenz, Phase, Schaltzustände von Wechselrichterschaltern, jeweils des Wechselrichters (falls vorhanden); Win­ kelstellung, Drehzahl, Winkelbeschleunigung, Drehmo­ ment, jeweils der elektrischen Maschine (4); Ge­ schwindigkeit, Längs- und Querbeschleunigung, jeweils des Fahrzeugs; Drehzahl der Getriebeabtriebswelle; Winkelstellung, Drehzahl, Winkelbeschleunigung, je­ weils eines oder mehrerer Fahrzeugräder (3); Schlupf eines oder mehrerer Antriebsräder; Zylinderabschalt- und/oder -anschaltsignal.
3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die für die Steuerung der elektrischen Maschine (4) bzw. des Antriebsaggregats zuständige Steuereinrichtung (31 bzw. 33) das Antriebsaggregat bzw. die elektrische Maschine (4) nur während bestimmter Betriebszustände teilweise oder ganz steuert, insbesondere während Leerlaufbetriebs des Antriebsaggregats.
4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die für die Steuerung der elektrischen Maschi­ ne (4) zuständige Steuereinrichtung (31) eine oder mehrere der folgenden Steueraufgaben zur Steuerung des Antriebsaggregats teilweise oder ganz übernimmt: Dreh­ zahlsteuerung, insbesondere im Leerlauf, Kraftstoff­ zufuhrsteuerung, Drosselklappensteuerung, insbesondere im Leerlauf, Kraftstoffeinspritz-Steuerung, Zündungs­ steuerung, Ventilsteuerung, Kühlungssteuerung, Abgas­ reinigungssteuerung, Klopfregelung, Ladedruckregelung, Abgasrückführungssteuerung, Zylinderabschaltung, Start-Stop-Steuerung, Getriebesteuerung.
5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die für die Steuerung des Antriebsaggregats zuständige Steuereinrichtung (33) eine oder mehrere der folgenden Steueraufgaben zur Steuerung der elek­ trischen Maschine (4) teilweise oder ganz übernimmt:
Drehmomentsteuerung, Steuerung von Wechselrichter- Schaltern (bei wechselrichtergesteuerter elektrischer Maschine), Steuerung einer Starterfunktion, Steuerung einer Zusatzdrehmoment-Funktion, wie einer Generator­ funktion oder einer elektromagnetischen Kupplungs- und/oder Synchronisierungsfunktion.
6. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) eine Dreh- oder Wanderfeldmaschine ist.
7. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, mit wenigstens einem Wechselrichter (17) zum Erzeugen der für die magnetischen Felder der elektri­ schen Maschine (4) benötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase.
8. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) so ge­ steuert wird, daß sie positiven und negativen Dreh­ ungleichförmigkeiten entgegenwirkt.
9. Antriebssystem nach Anspruch 8, bei welchem das Entge­ genwirken so erfolgt, daß die elektrische Maschine (4) ein schnell alternierendes, und zwar bei einer posi­ tiven Drehungleichförmigkeit ein bremsendes und bei einer negativen Drehungleichförmigkeit ein antreiben­ des Drehmoment erzeugt, dem sie zur zusätzlichen Er­ zielung einer antreibenden Wirkung oder einer bremsen­ den oder generatorischen Wirkung insbesondere ein positives bzw. negatives Drehmoment überlagern kann.
10. Antriebssystem nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem beim Verringern einer positiven Drehungleichförmigkeit gewonnene Energie (Drehungleichförmigkeits-Bremsen­ ergie) sowie ggf. bei bremsendem Zusatz-Drehmoment gewonnene Energie (Zusatzdrehmoment-Bremsenergie) wenigstens teilweise gespeichert wird und die gespei­ cherte Drehungleichförmigkeits-Bremsenergie wenigstens teilweise zum Verringern einer negativen Drehun­ gleichförmigkeit wiederverwendet wird.
11. Antriebssystem nach Anspruch 10, bei welchem zur Spei­ cherung der Bremsenergie ein elektrischer Speicher dient und wobei ggf. der Wechselrichter (17) insbe­ sondere ein Zwischenkreis-Wechselrichter ist, dessen Zwischenkreis wenigstens einen elektrischen Bremsen­ ergie-Speicher (19, 24) aufweist oder mit wenigstens einem solchen gekoppelt ist.
12. Antriebssystem nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem ein Schwungrad (28) zur Speicherung der Bremsenergie dient, wobei das Schwungrad (28) insbesondere über eine elektrische Maschine (27) mit dem Antriebssystem gekoppelt ist.
13. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) außerdem die Funktion eines Starters und/oder die Funktion eines Generators zur Stromversorgung hat.
14. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) ein Beschleunigen und/oder Abbremsen einer mit ihr gekop­ pelten Welle herbeiführen oder unterstützen kann, insbesondere um ein Fahrzeug zu beschleunigen bzw. abzubremsen und/oder um im Rahmen einer Anti-Schlupf- Regelung durch Bremsen den Schlupf eines Antriebsrades zu verringern.
15. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) Strom auf relativ hohem Spannungsniveau, insbesondere höher als 100 V liefert, und Hilfsmaschinen, wie Klimama­ schinen (29), Servoantriebe (30), Pumpen, elektrisch auf dem hohen Spannungsniveau angetrieben werden.
16. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem das Verringern von Drehungleichför­ migkeiten durch Regelung, Steuerung, und zwar insbe­ sondere Kennfeldsteuerung, adaptive Steuerung, und/ oder Mischformen hiervon erfolgt.
17. Antriebssystem nach Anspruch 16, bei welchem der Gas­ druck und/oder das momentane Drehmoment des Verbren­ nungsmotors (1) als Regelgröße zum Verringern von Drehungleichförmigkeiten dient.
18. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) einen Feldsektor (41) oder mehrere Feldsektoren (41) mit wenigstens teilweise unabhängigen Wanderfeldern auf­ weist, wobei das bzw. die Wanderfeld(er) in dem (den) Feldsektor(en) (41) so gesteuert ist (sind), daß die elektrische Maschine (4) neben Drehungleichförmigkei­ ten auch Radialschwingungen einer mit ihr gekoppelten Welle verringert.
19. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Dreh- bzw. Wander­ feldmaschine eine Asynchronmaschine, eine Synchronma­ schine oder eine Reluktanzmaschine ist, wobei - im Fall der Asynchronmaschine - deren Steuerung insbeson­ dere auf der Grundlage einer feldorientierten Regelung (Vektorregelung) erfolgt.
20. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) eine hohe Drehmomentdichte - bezogen auf das maximale Dreh­ moment - aufweist, insbesondere größer als 0,01 Nm/cm³.
21. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 20, bei welchem der Wechselrichter (17) kompakt aufgebaut ist, insbesondere indem elektronische Schalter (43, 47, 50) des Wechselrichters (17) fluidgekühlt, insbesondere siedebadgekühlt, sind.
22. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in die elektrische Maschine (4), und zwar insbesondere in deren Läufer (9), eine Kupplung, ins­ besondere eine Fahrkupplung (5) integriert ist.
23. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (17) oder eine mit ihr gekoppelte Welle mit einem Läuferlage- bzw. Wellenlage-Geber, insbesondere einem Drehtrans­ formator (16) oder einem Kodierer, ausgerüstet ist.
24. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem der Verbrennungsmotor (1) mehrzy­ lindrig ist und welches eine Einrichtung (31 bzw. 33) zur Abschaltung wenigstens eines Teils der Zylinder des Verbrennungsmotors (1) umfaßt; wobei die elektri­ sche Maschine (4) zur aktiven Verringerung von Dreh­ ungleichförmigkeiten wenigstens während Zylinderab­ schaltbetrieb zumindest bei bestimmten Betriebszustän­ den aktiv ist.
25. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) direkt mit der Triebwelle (10) des Antriebsaggregats gekop­ pelt ist und so ausgebildet ist, daß sie das An­ triebsaggregat im Zusammenlauf aus dem Stand starten kann, und das Antriebssystem eine automatische Start- Stop-Steuerung des Antriebsaggregats umfaßt.
26. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei welchem die elektrische Maschine (4) als elektromagnetische Kupplung im Antriebsstrang (2) und/oder als aktive Getriebe-Synchronisiereinrichtung oder als ein Teil hiervon wirkt.
27. Antriebssystem, insbesondere nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, mit einer Antriebsschlupfregelung, bei welchem die (bzw. eine) elektrische Maschine (4) derart ausgelegt ist, daß mit ihr eine Antriebs­ schlupfverringerung durch Verkleinerung des Antriebs­ moments herbeiführbar ist, insbesondere durch Brems­ wirkung und/oder - bei als Kupplung wirkender elek­ trischer Maschine - durch Kupplungsschlupf-Wirkung.
28. Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems, insbe­ sondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Antriebssy­ stem
  • - ein Antriebsaggregat, insbesondere einen Verbren­ nungsmotor (1), und
  • - wenigstens eine mit dem Antriebsaggregat, und zwar insbesondere mit dessen Triebwelle (10), gekoppelten oder koppelbaren elektrischen Maschi­ ne (4) zur aktiven Verringerung von Drehun­ gleichförmigkeiten umfaßt,
bei welchem wenigstens ein Sensor (16, 32) des An­ triebssystems und/oder wenigstens eine aus Sensorin­ formation abgeleitete Größe sowohl zur Steuerung des Antriebsaggregats als auch zur Steuerung der elektri­ schen Maschine verwendet wird, und/oder
eine für die Steuerung der elektrischen Maschine (4) oder des Antriebsaggregats zuständige Steuereinrich­ tung (31 bzw. 33) auch das Antriebsaggregat bzw. die elektrische Maschine (4) teilweise oder ganz steuert.
29. Verfahren nach Anspruch 28, bei welchem ein Antriebs­ system nach einem der Ansprüche 1-27 verwendet wird.
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