DE19539571C2 - Hybridantrieb - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hybridantriebe für Fahrzeuge sind bekannt. Diese weisen eine Brennkraftmaschine und eine Elektro
maschine auf, mittels denen wahlweise eine Antriebsachse des Fahrzeuges antreibbar ist. Ziel dieser
Hybridantriebe ist es, durch die Kombination einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine
den Antrieb des Fahrzeuges effektiver, insbesondere schadstoffärmer, zu gestalten. So soll bei einer
relativ geringen Beanspruchung des Antriebes, beispielsweise im Stadtverkehr, das Fahrzeug aus
schließlich mit der Elektromaschine betrieben werden, während bei einer höheren Beanspruchung,
beispielsweise bei Autobahnfahrten oder Bewältigung von Anstiegen, durch ein Zuschalten der
Brennkraftmaschine das Antriebsverhalten verbessert wird. Hierzu sind Anordnungen bekannt, bei
denen die Brennkraftmaschine
und die Elektromaschine parallel oder
seriell angeordnet sind und diese mechanisch mit ei
nem Getriebe verbunden sind. Eine derartige Anordnung
zeigt beispielsweise die DE-PS 29 43 554. Hierbei ist
nachteilig, daß die Brennkraftmaschine und die Elek
tromaschine über mechanische Trennkupplungen in bzw.
außer Eingriff gebracht werden müssen. Neben den mit
den Kupplungen verbundenen Nachteilen des nicht ruck
freien Verbindens der Antriebsmaschinen ist ein wei
terer Nachteil, daß bei der Kopplung der Brennkraft
maschine mit der Elektromaschine eine Drehmomentaddi
tion erfolgt. Die für den Antrieb eines Fahrzeuges
notwendige Drehzahländerung geht bei der Drehmoment
addition unter, so daß die mit den bekannten Hybrid
antrieben ausgestatteten Fahrzeuge nur eine mangelnde
Effektivität und einen eingeschränkten Fahrkomfort
aufweisen.
Aus der DE-OS 33 38 548 ist eine Hybrid-
Antriebsanordnung bekannt geworden, bei der eine
Brennkraftmaschine und eine zu dieser in Reihe
liegende elektrische Maschine mit einer Antriebsachse
des Fahrzeuges zum getrennten oder gemeinsamen
Antrieb verbindbar sind. Die elektrische Maschine
weist einen drehbaren inneren Läufer und einen
drehbaren äußeren Läufer auf, die über eine
Überbrückungskupplung zur Herstellung einer starren
Verbindung koppelbar sind. Durch mechanisches Ein-
bzw. Ausrücken der Überbrückungskupplung ist ein
Umschalten des Hybridantriebes auf einen Antrieb
ausschließlich durch die Brennkraftmaschine möglich. Hierbei ist es nachteilig, dass zum Ein- bzw.
Ausrücken der Überbrückungskupplung zusätzliche mechanische Schaltelemente vorzusehen sind, die
einerseits zu einem relativ großen Verschleiß der Überbrückungskupplung und andererseits zu einem
nicht ruckfreien Umschalten zwischen den verschiedenen Betriebsarten des Hybridantriebs führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hybridantrieb der eingangs genannten Art zu schaf
fen, der einen verbesserten Fahrkomfort während des Umschaltens zwischen den verschiedenen An
triebsarten bietet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Hybridantrieb mit den im Anspruch 1 genannten
Merkmalen gelöst.
Der erfindungsgemäße Hybridantrieb
bietet den
Vorteil, dass der Fahrkomfort des Fahrzeuges wesentlich verbessert ist. Dadurch, dass die Brenn
kraftmaschine und die Elektromaschine mittels eines elektro-dynamischen Wandlers gekoppelt sind,
ist es vorteilhaft möglich, einen Hybridantrieb zu schaffen, bei dem mittels einer verlustarmen
Überbrückungskupplung zwischen dem Primärrotor und dem Sekundärrotor ein Umschalten des Hyb
ridantriebs auf einen Antriebmittels der Brennkraftmaschine und/oder der Elektromaschine erfolgt
durch Axialverschieben des Sekundärrotors,
wobei dieser die Axialverschiebung in Abhängigkeit einer Erregung über den Primärrotor er
fährt. Hierdurch wird eine im wesentlichen verschleißfreie, geräuschlose und unmittelbare Betätigung
der Überbrückungskupplung möglich.
Der die Brennkraftmaschine und die Elektromaschine koppelnde elektrodynamische Wandler arbeitet
im wesentlichen verschleißfrei,
geräuschlos und unmittelbar, das heißt, ohne zeitliche Verzögerungen, so dass das Antriebsver
halten des Fahrzeuges sehr effektiv beeinflussbar ist. Ein entscheidender Vorteil des neuartigen Hyb
ridantriebes besteht darin, dass anstelle einer Drehmomentaddition eine Drehzahlkopplung erfolgt,
wobei mittels der Elektromaschine eine Drehzahladdition oder eine Drehzahlabsenkung zu der Dreh
zahl der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Hierdurch kann die Brennkraftmaschine sehr vorteilhaft
ständig mit einer Drehzahl ihres größten Wirkungsgrades gefahren werden, so dass eine Variation der
Antriebsdrehzahl ausschließlich mittels der Elektromaschine erfolgt. Durch die Summierung der
Drehzahlen der Brennkraftmaschine und der Elektromaschine ist ein höheres Ausfahren von Gängen
eines Getriebes möglich, so dass während des Fahrens des Fahrzeuges die Anzahl der Schaltvorgänge
drastisch reduziert werden kann. Darüber hinaus kann durch das höhere Ausfahren der Gänge insge
samt ein Getriebe eingesetzt werden, dass mit relativ wenig, vorzugsweise drei Gangstufen aus
kommt. Hierdurch ergibt sich eine Gewichtseinsparung des Getriebes, die sich auf den Kraftstoff
verbrauch des gesamten Fahrzeuges positiv auswirkt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprü
chen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs
beispiel an Hand der zugehörigen Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung eines
Hybridantriebes;
Fig. 2 eine stark vereinfachte Darstellung des
Antriebes eines Fahrzeuges;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch
einen elektrodynamischen Wandler;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Getriebes
des Hybridantriebes und
Fig. 5 ein Geschwindigkeitsdiagramm des
Hybridantriebes.
Fig. 1 zeigt einen schematisch dargestellten Hybrid
antrieb 10 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug.
Der Hybridantrieb 10 besitzt eine Brennkraftmaschine,
im weiteren Verbrennungsmotor 12, sowie eine Elektro
maschine, im weiteren Elektromotor 14. Dem Verbren
nungsmotor 12 ist eine schaltbare Sperre 13 zuge
ordnet, über die der Verbrennungsmotor arretierbar
ist. Der Elektromotor 14 ist als Drehstrom-Asynchron
motor ausgebildet. Ein sogenannter Primärrotor 16 des
Elektromotors 14 ist drehfest auf einer Antriebswelle
18 des Verbrennungsmotors angeordnet. Zur Spannungs
versorgung des Primärrotors 16 sind hier angedeutete
Schleifringe 20 vorgesehen. Der Elektromotor 14
besitzt weiterhin einen sogenannten Sekundärrotor 22,
der zu dem Primärrotor 16 axial beweglich gelagert
ist. Der Sekundärrotor 22 ist drehfest auf einer
Antriebswelle 18' angeordnet, die unabhängig von der
Antriebswelle 18 drehbar gelagert ist. Der Primärro
tor 16 und der Sekundärrotor 22 sind über eine Über
brückungskupplung 24, die mit einer hier angedeuteten
Kupplungsfeder 26 betätigbar ist, mechanisch verbind
bar. Mittels der Überbrückungskupplung 24 erfolgt so
mit eine mechanische Kopplung des Primärrotors 16 mit
dem Sekundärrotor 22. Die Antriebswelle 18' greift in
ein Automatikgetriebe 28 ein, das über hier lediglich
angedeutete Stellantriebe 30 betätigbar ist. Das
Automatikgetriebe 28 weist eine Abtriebswelle 32 auf,
mittels der die Antriebsenergie des Hybridantriebes
10 auf die Antriebsachse des Kraftfahrzeuges über
tragen wird. Das hier schematisch dargestellte Auto
matikgetriebe 28 bildet gemeinsam mit dem Elektro
motor 14 eine als elektrodynamischer Wandler 34 be
zeichnete Triebstrangeinheit 36.
In der Fig. 2 ist schematisch die gesamte Antriebs
anlage eines Kraftfahrzeuges dargestellt, deren
Hauptbestandteil der Hybridantrieb 10 gemäß Fig. 1
ist. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.
Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die Abtriebswelle
32 über ein Umsetzgetriebe 38 an eine angetriebene
Fahrzeugachse 40 angreift. Weiterhin ist eine Kraft
fahrzeugbatterie 42 vorgesehen, die einen Dreiphasen-
Wechselrichter 44 speist. Eine nicht dargestellte
Kraftfahrzeugbatterie zur Bordnetzversorgung des
Kraftfahrzeuges ist über einen hier nicht detailliert
dargestellten Drehstrom-Generator 46 in bekannter
Weise aufladbar. Der Drehstrom-Generator 46 ist Be
standteil des elektrodynamischen Wandlers 34. Weiter
hin ist ein elektronisches Steuergerät 48 angeordnet,
das über hier nicht näher bezeichnete Steuerleitungen
mit dem elektrodynamischen Wandler 34, dem Wechsel
richter 44, einem Geschwindigkeitssensor 50 an der
Fahrzeugachse 40, einem Motordrehzahlsensor 52 an dem
Hybridantrieb 10, einem Gaspedal 54 mit Kick-down-
und Kick-up-Funktion sowie einem Bremspedal 55 ver
bunden ist.
In der Fig. 3 ist eine schematische Schnittdar
stellung durch den elektrodynamischen Wandler 34
gezeigt. Erläutert werden hierbei lediglich die
Hauptbestandteile des elektrodynamischen Wandlers 34,
wobei klar ist, daß zum Aufbau mechanische Verbindun
gen, elektrische Kontaktierungen, Lager usw. gehören.
Auf deren konkreten Aufbau bzw. deren Anordnung soll
im Rahmen der vorliegenden Beschreibung jedoch nicht
näher eingegangen werden.
Der elektrodynamische Wandler 34 weist innerhalb
eines Gehäuses 56 den auf der Antriebswelle 18 ge
lagerten Primärrotor 16 auf. Der Primärrotor 16 wird
von dem axial verschieblich gelagerten Sekundärrotor
22 umgriffen. In das Gehäuse 56 integriert ist der
Drehstromgenerator 46, wobei klar ist, daß dessen
rotierende Klauenpole auf der Antriebswelle 18 ge
lagert sind, und dessen Statorpaket in das Gehäuse 56
integriert ist. Weiterhin weist der elektrodynamische
Wandler 34 das als Dreigang-Planetengetriebe bevor
zugt nach Ravigneaux aufgebaute Automatikgetriebe 28
auf. Dem Automatikgetriebe 28 ist eine erste Getrie
bebremse B1 und eine zweite Getriebebremse B2 zu
geordnet. Weiterhin ist eine über den Stellantrieb 30
betätigbare Kupplungsmuffe 58, eine Parksperre 60 so
wie eine Kupplungsfeder 26 der Überbrückungskupplung
24 zur Kopplung des Primärrotors 16 mit dem Sekundär
rotor 22 im nicht erregten Zustand angedeutet. Ein
gangsseitig greift in den elektrodynamischen Wandler
34 mit der Antriebswelle 18 der Verbrennungsmotor 12
ein. Ausgangsseitig ist die Abtriebswelle 32 aus dem
Gehäuse 56 herausgeführt.
Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Hybridantrieb
10 übt folgende Funktionen aus:
Durch die Anordnung des Verbrennungsmotors 12 und des Elektromotors 14 in einer Kaskadenanordnung über den elektrodynamischen Wandler 34 mit dem nachgeschalte ten Vollautomatikgetriebe 28 sind insgesamt eine Vielzahl von Antriebsfunktionen für das Kraftfahrzeug in einfacher Weise realisierbar. Über den elektrody namischen Wandler 34 können Mehrfachfunktionen für den Hybridantrieb 10 realisiert werden. Bei über die schaltbare Sperre 13 arretiertem Verbrennungsmotor 12 arbeitet der elektrodynamische Wandler 34 als Dreh strom-Asynchronantrieb auf die Antriebswelle 18'. Der Dreiphasen-Wechselrichter 44 stellt hierbei die Energie für einen Vorwärts- bzw. Rückwärtsbetrieb des Elektromotors 14 bereit. Über den Wechselrichter 44 kann bekanntermaßen für einen Drehstrom-Asynchron antrieb die Drehzahl des Elektromotors 14 stufenlos geregelt werden. Durch die Möglichkeit, den Elektro motor 14 sowohl vorwärts als auch rückwärts zu be treiben, kann in dem zugehörigen Automatikgetriebe 28 auf die Anordnung eines Rückwärtsganges mit zugehöri ger Kupplung und Bremse verzichtet werden. Das Getriebe 28 wird somit insgesamt einfacher und leichter aufgebaut.
Durch die Anordnung des Verbrennungsmotors 12 und des Elektromotors 14 in einer Kaskadenanordnung über den elektrodynamischen Wandler 34 mit dem nachgeschalte ten Vollautomatikgetriebe 28 sind insgesamt eine Vielzahl von Antriebsfunktionen für das Kraftfahrzeug in einfacher Weise realisierbar. Über den elektrody namischen Wandler 34 können Mehrfachfunktionen für den Hybridantrieb 10 realisiert werden. Bei über die schaltbare Sperre 13 arretiertem Verbrennungsmotor 12 arbeitet der elektrodynamische Wandler 34 als Dreh strom-Asynchronantrieb auf die Antriebswelle 18'. Der Dreiphasen-Wechselrichter 44 stellt hierbei die Energie für einen Vorwärts- bzw. Rückwärtsbetrieb des Elektromotors 14 bereit. Über den Wechselrichter 44 kann bekanntermaßen für einen Drehstrom-Asynchron antrieb die Drehzahl des Elektromotors 14 stufenlos geregelt werden. Durch die Möglichkeit, den Elektro motor 14 sowohl vorwärts als auch rückwärts zu be treiben, kann in dem zugehörigen Automatikgetriebe 28 auf die Anordnung eines Rückwärtsganges mit zugehöri ger Kupplung und Bremse verzichtet werden. Das Getriebe 28 wird somit insgesamt einfacher und leichter aufgebaut.
Bei einer weiteren Betriebsart des Hybridantriebes 10
kann der elektrodynamische Wandler 34 mit seiner
Elektromaschine 14 die Funktion eines Anlassers für
den Verbrennungsmotor 12 übernehmen. Hierbei sind das
Anlassen des Verbrennungsmotors 12 aus dem Stand und
das Anlassen bei Fahrt zu unterscheiden. Beim Anlas
sen aus dem Stand muß die Antriebswelle 18' und die
Abtriebswelle 32 im Automatikgetriebe 28 blockiert
sein. Durch das Schließen der bereits im Automatik
getriebe 28 vorhandenen Bremsen B1 und B2 wird die
Blockierung erreicht. Sekundärrotor 22 und das Fahr
zeug werden standfest verbunden. Mit der für den An
laßvorgang nötigen Erregerfrequenz wird der Elektro
motor 14 gespeist, und der Primärrotor 16 dreht sich.
Für einen Sanftanlauf des Verbrennungsmotors 12 und
zur Erleichterung des Anlaßvorgangs erfolgt eine
kurze Wegnahme der Kompression des Verbrennungsmotors
12. Eine Wegnahme der Kompression kann beispielsweise
durch einen schaltbaren Anschlag an den Auslaßven
tilen des Verbrennungsmotors 12 realisiert werden.
Mit dem Anspringen des Verbrennungsmotors 12 wird ein
Lastwechsel signalisiert, und die Wechselrichter
frequenz wird gegenläufig zum Verbrennungsmotor 12
geschaltet, so daß Leerlauf entsteht. Nach Lüften der
Bremse B2 im Automatikgetriebe 28 ist mit B1 der 1.
Gang definiert und die gegenläufige Wechselrichter
frequenz wird auf Null verzögert zurückgenommen. Die
Dauer des Anfahrvorganges erfolgt dann nach der Art
des Durchtretens des Gaspedals. Mit der bei Null an
gekommenen Wechselrichterfrequenz entfällt die Er
regung des Primärrotors 16, und die Überbrückungs
kupplung 24 schaltet sich dadurch selbsttätig ein.
Der Anhaltevorgang mit Leerlauf kann mit gleichen
Mitteln erfolgen.
Soll bei einem mittels des Elektromotors 14 ange
triebnen, fahrenden Fahrzeug der Verbrennungsmotor 12
angelassen werden, wird die durch den Wechselrichter
44 erzeugte Frequenz reduziert, um die kinetische
Energie des Fahrzeuges für den Anlaßvorgang mitheran
ziehen zu können. Dazu wird die Sperre 13 aufgehoben,
und der Primärrotor 16 treibt über die Welle 18 den
Verbrennungsmotor 12 für den Anlaßvorgang an. Soll
der Verbrennungsmotor 12 alleine weiterlaufen, dann
wird Gleichlauf zwischen Primärrotor 16 und Sekundär
rotor 22 hergestellt, der Wechselrichter wird abge
schaltet, und die Überbrückungskupplung 24 schaltet
sich automatisch ein. Sollen der Verbrennungsmotor 12
und der Elektromotor 14 gemeinsam weiterlaufen, wird
die Drehzahl des Elektromotors 14 und des Verben
nungsmotors 12 der gewünschten Fahrtgeschwindigkeit
angepaßt. Rückführungen in vorhergehende Konstel
lationen erfolgen in entsprechender Weise vornehmlich
mit Unterstützung durch den Elektromotor 14.
Bei einem mit dem Verbrennungsmotor 12 angetriebenen
Fahrzeug kann der Elektromotor 14 zugeschaltet wer
den, indem über den Wechselrichter 44 eine An
steuerung des Elektromotors 14 derart erfolgt, daß
dieser in gleicher Drehrichtung wie die Antriebswelle
18 des Verbrennungsmotors 12 dreht. Hierdurch findet
eine Addition der Drehzahlen des Verbrennungsmotors
12 und des Elektromotors 14 statt. Durch eine stufen
lose Regelung der Drehzahl des Elektromotors 14 über
den Wechselrichter 44 kann die Abtriebswelle 32 mit
einer variablen Drehzahl betrieben werden. Der Ver
brennungsmotor 12 kann hierbei ständig mit einer
Drehzahl betrieben werden, bei der dessen größter
Wirkungsgrad eintritt. Die Änderung der Drehzahl der
Abtriebswelle 32 erfolgt hierbei ausschließlich durch
eine Regelung der Drehzahl des Elektromotors 14. So
sind bei konstanter Drehzahl des Verbrennungsmotors
12 an der Abtriebswelle 32 Drehzahlen erreichbar, die
beispielsweise über der Maximaldrehzahl des Verbren
nungsmotors 12 liegen. Durch eine entsprechende An
steuerung des Elektromotors 14 kann die Drehzahl der
Antriebswelle 18 auch verringert werden, so daß eine
Nutzbremsung an der Abtriebswelle 32 erfolgt. Die von
dem Verbrennungsmotor 12 bereitgestellte konstante
Drehzahl kann somit verringert werden.
Soll das Fahrzeug ausschließlich über den Verbren
nungsmotor 12 angetrieben werden, kann der Erreger
strom für den Elektromotor 14 abgeschaltet werden.
Für diesen Fall wird über die Überbrückungskupplung
24 der Primärrotor 16 mit dem Sekundärrotor 22 über
brückt, so daß die Antriebswelle 18 des Verbrennungs
motors 12 schlupffrei mit der Antriebswelle 18' und
somit mit dem Getriebe 28 und der Abtriebswelle 32
verbunden werden kann. Die Überbrückungskupplung 24
ist hierbei mittels der Kupplungsfeder 26 betätigbar
und als mechanisch synchronisierende, vorzugsweise
formschlüssige Kupplung ausgebildet. Durch die somit
stattfindende Überbrückung des Elektromotors 14 ist
beispielsweise ein An- bzw. Abschleppen des Fahrzeu
ges problemlos möglich.
Soll während des Fahrens des Fahrzeuges in dem Ge
triebe 28 ein Gangwechsel erfolgen, erfolgt eine Syn
chronisierung zur Überbrückung der Gangsprünge mit
Hilfe des Elektromotors 14. Hierzu wird der Elektro
motor 14 über den Wechselrichter 44 beim Umschaltvor
gang von einem Gang in einen anderen Gang gezielt in
einen Freilauf geschaltet. Dies ist sowohl bei Hoch-
als auch Rückschaltvorgängen möglich. Diese Synchro
nisierung arbeitet vorteilhafterweise ohne Verschleiß
der Schaltelemente der Kupplungsmuffe 58, der Bremse
B1 oder Bremse B2 und sichert einen ruckfreien
Schaltübergang. Durch das synchronisierte Schalten
wird ein drehmomentabhängiger Steuerdruck der heuti
gen Getriebeautomaten vermieden, so daß die Verwen
dung einer formschlüssigen Kupplung hier möglich ist.
Darüber hinaus ist bei dem Automatikgetriebe 28 die
Verwendung teurer Spezialautomatiköle nicht notwen
dig.
Während des Betriebes des Hybridantriebes 10 wird das
Klauenpolrad des Drehstromgenerators 46 für das
Bordnetz über die Antriebswelle 18 mit angetrieben,
so daß auf die zusätzliche Anordnung eines eigenen
Lagers und von Antriebsmitteln, beispielsweise Keil
riemen oder ähnliches, verzichtet werden kann. Der
Stator des Drehstromgenerators 46 ist gleichzeitig in
das Gesamtgehäuse 56 des elektrodynamischen Wandlers
34 integriert. Mittels des Drehstromgenerators 46
kann in bekannter Weise eine Bordnetzbatterie für
eine elektrisch bzw. elektronisch betriebene Ausstat
tung des Kraftfahrzeuges geladen werden. Die Bord
netzbatterie ist hierbei zusätzlich zu der Kraft
fahrzeugbatterie 42 vorgesehen, die für den Antrieb
des Elektromotors 14 dient.
Insgesamt ist mit dem elektrodynamischen Wandler 34
eine sehr kompakte Einheit geschaffen, die aus den
einzelnen Bestandteilen, wie dem Elektromotor 14, dem
Drehstromgenerator 46 und dem Automatikgetriebe 28
separat montiert werden kann. Der elektrodynamische
Wandler 34 kann somit als Kompletteinheit bei der
Kraftfahrzeugmontage mit dem Verbrennungsmotor 12
gekoppelt werden.
Ein weiterer Vorteil des elektrodynamischen Wandlers
34 besteht darin, daß dieser bei einem lediglich über
den Verbrennungsmotor 12 angetriebenen Fahrzeug als
Generator geschaltet werden kann, und somit ein
selbsttätiges Aufladen der Kraftfahrzeugbatterie 42
erfolgen kann. Somit kann die Einsatzdauer des Elek
tromotorteiles des gesamten Hybridantriebes ohne Zwi
schenaufladen mit der Kraftfahrzeugbatterie 42
wesentlich verlängert werden.
Durch die Kaskadenanordnung des Verbrennungsmotors 12
und des Elektromotors 14 kann das Automatikgetriebe
28 auf einen minimalen Aufbau beschränkt werden. Die
einzelnen Gänge des Getriebes 28 können - wie bereits
erwähnt - durch die Drehzahladdition des Verbren
nungsmotors 12 und des Elektromotors 14 höher ausge
fahren werden, so daß für ein durchschnittliches
Kraftfahrzeug ein dreistufiges Planetengetriebe ohne
Rückwärtsgang ausreichend ist. Ein Schaltschema des
in dem elektrodynamischen Wandler 34 eingesetzten
Automatikgetriebes 28 ist zur Verdeutlichung in Fig.
4 gezeigt.
Mittels der in Fig. 2 beispielhaft gezeigten Senso
ren 50 bzw. 52, des Steuergerätes 48 sowie des Gaspe
dals 54 und des Bremspedals 55 kann ein äußerer Ein
griff in den Hybridantrieb 10 zur Erreichung eines
bestimmten gewünschten Antriebes des Kraftfahrzeuges
erfolgen. Der wesentliche Eingriff erfolgt über das
Gaspedal 54 zum Abrufen einer gewünschten Fahrlei
stung. Bei der Bereitstellung der gewünschten Fahr
leistung aus dem Verbrennungsmotor 12 und dem Elek
tromotor 14 wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors
12 mit der Stellung des Gaspedals 54 vorzugsweise
drehzahlgeregelt. Das Drehmoment des Verbrennungsmo
tors 12 stellt sich hierbei nach dem über das
Steuergerät 48 fest vorgegebenen Motormanagement ein,
das durch die gewünschte Leistungshöhe vorgegeben
wurde und sich durch die vorliegende Last ergibt.
Hierbei ergibt sich eine Ausgangsdrehzahl des elek
trodynamischen Wandlers 34 an der Abtriebswelle 32,
die gleich der Drehzahl des Elektromotors 14 zuzüg
lich der Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 ist. Die
nach der Leistungshöhe zu bestimmende Drehzahl des
Verbrennungsmotors 12 kann hierbei in die Bereiche
verschoben werden, in denen der Verbrennungsmotor 12
einen günstigen Wirkungsgrad aufweist. Die Schalt
punkte des Automatikgetriebes 28 werden in üblicher
Weise gemäß der gewählten Fahrzeuggeschwindigkeit und
der abgerufenen und verfügbaren Leistung des elektro
dynamischen Wandlers 34 bestimmt. Über die Erfassung
von Fahrzeugdaten, wie beispielsweise Beschleunigung
oder Verzögerung über die Sensoren 50 bzw. 52, kann
das Management des Hybridantriebes 10, das heißt, das
Zu- und/oder Abschalten des Verbrennungsmotors 12
bzw. des Elektromotors 14 optimiert werden.
An Hand des in Fig. 5 beispielhaft dargestellten
Geschwindigkeitsdiagrammes soll das Antriebsverhalten
des erfindungsgemäßen Hybridantriebes 10 verdeutlicht
werden. In dem Geschwindigkeitsdiagramm ist die Dreh
zahl der Abtriebswelle 32 über der Fahrgeschwindig
keit des mit dem Hybridantrieb 10 ausgestatteten
Kraftfahrzeuges dargestellt. Insgesamt sind drei
Kurven dargestellt, wobei die durchgezogene Linie 70
für einen kombinierten Antrieb über den Verbrennungs
motor 12 und den Elektromotor 14, die Strich-Punkt-
Linie 72 für einen Antrieb über den Verbrennungsmotor
12 und die Punkt-Linie 74 für einen Antrieb über den
Elektromotor 14 steht. Bei der Darstellung der Kenn
linie wurde jeweils von Vollast ausgegangen.
Ein mit dem Hybridantrieb 10 ausgestattetes Kraft
fahrzeug fährt in der Regel im Zug- und Schubbetrieb
bis ca. 55 km/h ausschließlich mit dem Elektroan
trieb. Zur Bewältigung von Steilstrecken schaltet
sich der Verbrennungsmotor 12 dazu und kann bei ent
sprechender Fahrt Schaltvorgänge des Getriebes 28 bis
ca. 75 km/h vermeiden. Im Normalbetrieb fährt das
Kraftfahrzeug bei einer Geschwindigkeit von ca. 55 km/h
bis ca. 80 km/h mit einem gemischten Antrieb
über den Verbrennungsmotor 12 und den Elektromotor
14. Die Hauptleistung stellt hierbei der Verbren
nungsmotor 12 zur Verfügung, der je nach Bedarf dreh
zahlgeregelt in seinem verbrauchsgünstigen Bereich
läuft. Die Differenz zur notwendigen Fahrdrehzahl der
Abtriebswelle 32 wird durch den Elektromotor 14 er
bracht. Die Differenz zwischen der Drehzahl des Ver
brennungsmotors 12 und der Drehzahl der Abtriebswelle
32 kann auch negativ sein, das heißt, der Elektromo
tor 14 läuft im Generatorbetrieb. Hierdurch kann sehr
vorteilhaft die bereits erwähnte Aufladung der Kraft
fahrzeugbatterie 42 erfolgen.
Der Wechsel zwischen den einzelnen Gängen des Getrie
bes 28 und der Zu- bzw. Abschaltung des Verbrennungs
motors 12 bzw. des Elektromotors 14 erfolgt automa
tisch und wird von dem Steuergerät 48 geregelt. Ab
einer Geschwindigkeit von ca. 80 km/h bis 150 km/h
erfolgt - wie in Fig. 5 verdeutlicht - ein Betrieb
des Hybridantriebes 10 ausschließlich mit dem Ver
brennungsmotor 12. Während dieses Betriebes notwen
dige Zusatzleistungen, beispielsweise bei Überhol
vorgängen, werden über den Elektromotor 14 bereitge
stellt, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors 12
überlagert und somit eine höhere Drehzahl an der
Abtriebswelle 32 bereitstellt. Die Zuschaltung des
Elektromotors 14 kann hierbei über ein Kick-Down des
Gaspedals 54 abgerufen werden. Bei gleichzeitig Vor
liegenden Steilstrecken erfolgt eine entsprechende
Gangumschaltung in dem Getriebe 28, so daß eine
Leistungsanpassung des Hybridantriebes 10 erfolgt.
Bei einem Schubbetrieb des Hybridantriebes 10 erfolgt
die bekannte Bremsunterstützung durch den Verbren
nungsmotor 12 und/oder den Elektromotor 14. Die
Kraftstoffzufuhr zu dem Verbrennungsmotor 12 wird
hierbei unterbrochen. Das Steuergerät 48 stellt hier
bei sicher, daß eine Nutzbremsung über den Elektro
motor 14 gegenüber einer Motorbremsung über den Ver
brennungsmotor 12 Vorrang hat. Hierdurch kann gleich
zeitig ein Aufladen der Fahrzeugbatterie 42 betrieben
werden. Durch die Kick-up-Funktion des Gaspedals 54
bzw. durch das Bremspedal 55 kann selbstverständlich
aktiv in das Bremsgeschehen des Hybridantriebes 10
eingegriffen werden.
Insgesamt ist mit dem Hybridantrieb 10 ein Antrieb
für Kraftfahrzeuge geschaffen, der die Vorteile von
Verbrennungsmotoren mit denen von Elektromotoren mit
einander kombiniert und insgesamt einen kraftstoff
sparenden und einen hohen Fahrkomfort aufweisenden
Antrieb realisiert. Der Elektromotor 14 ermöglicht
als hoch- oder runterlaufender Servomotor, ohne Un
terbrechungen durch Kupplungen sowohl bei ein- als
auch ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 12 eine Syn
chronisierung beim Gangwechsel im Automatikgetriebe
28. Hierdurch wird die Schaltqualität wesentlich ver
bessert und der technische Aufwand für das Getriebe
28 wesentlich verringert. Insbesondere durch die
Addition der Drehzahlen des Verbrennungsmotors 12 und
des Elektromotors 14 kann eine wesentliche Steigerung
des Leistungsgewichtes des gesamten Hybridantriebes
10 erreicht werden.
Claims (9)
1. Hybridantrieb für ein Fahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine (12) und einer Elektro
maschine (14), deren Antriebsleistung über ein Automatikgetriebe (28) auf eine An
triebsachse (40) des Fahrzeugs übertragbar ist, wobei die Elektromaschine (14) und das
Automatikgetriebe (28) eine Triebstrangeinheit (36) bilden, deren erste Antriebswelle
(18) der Brennkraftmaschine (12) und deren Abtriebswelle (32) mit der Antriebsachse
(40) gekoppelt ist, und wobei die Elektromaschine (14) einen drehfest mit der ersten An
triebswelle (18) verbundenen Primärrotor (16) und einen auf einer zur ersten Antriebs
welle (18) unabhängig drehbar gelagerten zweiten Antriebswelle (18') angeordneten Se
kundärrotor (22) aufweist, wobei die Antriebswellen (18, 18') eine gemeinsame Drehach
se (19) besitzen, und der Primärrotor (16) und der Sekundärrotor (22) zur Ausbildung
der Überbrückungskupplung (24) mechanisch miteinander koppelbar sind, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Primärrotor (16) und der Sekundärrotor (22) zur Ausbildung der
Überbrückungskupplung (24) zueinander axial beweglich gelagert sind, und das Öffnen
der Überbrückungskupplung (24) durch elektrische Erregung sowie das Schließen durch
Nichterregung des Sekundärrotors (22) erfolgt, wobei bei Erregung des Sekundärrotors
(22) dieser axial gegen die Kraft eines Federelementes (26) verlagert wird.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine
(14) einen Drehstrom-Generator (46) aufweist, dessen Rotor drehfest auf der ersten An
triebswelle (18) gelagert ist.
3. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Automatikgetriebe (28)
ein Dreigang-Planetengetriebe ohne Rückwärtsgang ist.
4. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (12)
und die Elektromaschine (14) ohne äußere Unterbrechung
der Triebstrangeinheit (36) auch einzeln antreibbar sind.
5. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (12)
vorzugsweise im günstigsten Antriebsdrehzahlbereich für
den Antrieb des Fahrzeuges betrieben werden kann, die
Elektromaschine (14) den Mehr- oder Minderbedarf der
geforderten Antriebsdrehzahl für das Fahrzeug liefert und
das durchgehend gleiche Antriebsdrehmoment durch die
Brennkraftmaschine (12) bestimmt wird.
6. Hybridantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Minderbedarf der geforderten Antriebsdrehzahl
durch Bremsenergieanfall über die Elektromaschine (14)
automatisch als Batterieladestrom eines
Fahrzeugakkumulators (42) zurückfließt.
7. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (14) als
Anlasser der Brennkraftmaschine (12) einsetzbar ist.
8. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine (14) eine
mechanische Stufung des vorzugsweise verwendeten
Planetengetriebes vorteilhaft ergänzen kann.
9. Hybridantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Gangwechsel des
Planetenantriebes die Synchronisierung zur Überbrückung
der Gangsprünge durch die Elektromaschine (14) erfolgt.
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