DE19606771C2 - Hybridantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge, um
fassend eine Brennkraftmaschine und ein mit dieser über eine Kupplung (Freilauf)
verbundenes aus Elektromaschinen und einem Überlagerungsgetriebe
(Summierungsplanetengetriebe) kombiniertes stufenloses Getrie
be, dessen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt als Generator oder Motor wirkende
Elektromaschinen über eine Steuerung elektrisch miteinander und mit einem
elektrischen Energiespeicher (Batterie) in Verbindung stehen, wobei eine der Elek
tromaschinen mit einer Reaktionswelle des Überlagerungsgetriebes und die andere,
im Motorbetrieb eine Zusatzleistung abgebende und im Generatorbetrieb der Ener
gierückgewinnung dienende Elektromaschine mit einer der übrigen Wellen
(Antriebswelle, Abtriebswelle) des Überlagerungsgetriebes in An
triebsverbindung steht, und wobei die mit den Elektromaschinen in Antriebsver
bindung stehenden Wellen (Reaktionswelle und Antriebswelle) des
Überlagerungsgetriebes mittels einer ansteuerbaren Überbrückungskupplung dreh
fest verbindbar sind derart, daß sämtliche Elektromaschinen über das verblockte
Überlagerungsgetriebe einen gemeinsamen Antriebsmotor oder einen gemein
samen Generator bilden.
Ein derartiger Hybridantrieb ist in der DE 41 24 479 A1 beschrieben, auf deren
Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird. Das bei diesem bekannten
Hybridantrieb verwendete Getriebe verfügt theoretisch über eine unendlich große
Spreizung, so daß es ohne zusätzliches Anfahrelement (Rutschkupplung, hydro
dynamischer Wandler) in einem mit einer Brennkraftmaschine angetriebenen Kraft
fahrzeug eingesetzt werden kann. Im normalen Fahrbetrieb mit der Brennkraft
maschine wird das Drehmoment der Antriebswelle, das heißt der
Welle der Brennkraftmaschine mit dem Drehmoment der mit der Reaktionswelle in
Antriebsverbindung stehenden Elektromaschine überlagert. Es hat sich aber ge
zeigt, daß das überlagerte Drehmoment bei bestimmten Betriebszuständen zu klein
sein kann, um die Reaktionswelle des Überlagerungsgetriebes abzustützen. Ein
weiterer Nachteil dieses bekannten Hybridantriebs besteht darin, daß Elektro
maschinen gegenüber mechanischen Getrieben einen schlechten Wirkungsgrad
haben. Der Anteil der elektrisch übertragenen Leistung und damit die Getriebe
verluste sind in diesem Getriebe in vielen Betriebspunkten so hoch, daß der Ge
samtwirkungsgrad gegenüber einem herkömmlichen Antriebsstrang nicht verbessert
werden kann. Der Kraftstoffverbrauch steigt eher noch an. Aus Gründen des be
grenzten Bauraumes und des Gewichtes können in Personenkraftwagen auch nur
Elektromaschinen mit sehr begrenzten Maximalmomenten und Maximalleistungen
eingesetzt werden, was zu Problemen für die Anwendung dieses Getriebes in Fahr
zeugen mit höherer Motorisierung führt. Es müssen geringere Fahrleistungen als mit
einem rein mechanischen Getriebe hingenommen werden. Außerdem begrenzen
die Kennwerte der Elektromaschinen die nutzbare Getriebespreizung.
In der DE 35 36 335 A1 ist ein stufenloses hydrostatisches-mechanisches
Leistungsverzweigungsgetriebe für Kraftfahrzeuge beschrieben, bei welchem zwi
schen der Reaktionswelle und dem als REVIGNEAUX-Planetenradsatz ausgebilde
ten Überlagerungsgetriebe ein zweistufiges Übersetzungsgetriebe angeordnet ist,
das mittels einer ersten und einer zweiten ansteuerbaren Schaltkupplung schaltbar
ist und zwei Abtriebswellen hat. Bei diesem bekannten Leistungsverzweigungs
getriebe ist der Steg des Überlagerungsgetriebes mit der Abtriebswelle drehfest ver
bunden, und das Hohlrad des Überlagerungsgetriebes ist direkt mit der Antriebs
welle verbunden. In allen offenbarten Ausführungsformen ist eine Bremse am
Planetenradträger (Steg) des Übersetzungsgetriebes nötig und stets ist dessen
Hohlrad drehfest mit der Abtriebswelle verbunden. Bei diesem hydrostatisch-
mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe ist das zweistufige Übersetzungs
getriebe bei mechanischem Antrieb des Kraftfahrzeugs unwirksam. Eine Über
setzung der Drehzahl der Reaktionswelle zur Vergrößerung ihres Drehmoments ist
daher nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Hybridantrieb
dahingehend zu verbessern, daß die nutzbare Getriebespreizung vergrößert und die
übertragene elektrische Leistung verringert wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.
Durch die Anordnung eines zwischen der Reaktionswelle und dem Überlagerungs
getriebe angeordneten zweistufigen Übersetzungsgetriebes ist es möglich, durch
entsprechende Untersetzung der Drehzahl der zugeordneten Elektromaschine
deren Drehmoment zu vervielfachen, so daß in allen Betriebszuständen ein ausrei
chendes Drehmoment auf die Hohlräder der Überlagerungsgetriebe ausgeübt wer
den kann. Die Unterteilung des Überlagerungsgetriebes in ein als Planetengetriebe
ausgebildetes erstes und ein zweites Überlagerungsgetriebe unterschiedlicher
Übersetzung ermöglicht eine Vergrößerung der nutzbaren Getriebespreizung und
eine Verringerung der elektrisch übertragenen Leistung. Der erfindungsgemäße
Hybridantrieb ermöglicht daher eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades und
eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung darge
stellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Hybridantriebs gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Darstellung ähnlich wie Fig. 1, die aber eine zweite Ausführungsform der
Erfindung zeigt, und
Fig. 3 eine Darstellung ähnlich wie Fig. 1, die aber eine dritte Ausführungsform der
Erfindung zeigt.
Ein Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug umfaßt eine (nicht gezeigte) Brennkraft
maschine und ein über eine Kupplung - Freilauf 2 - mit deren Abtriebswelle - Motor
welle 1 - verbundenes, aus Elektromaschinen 3, 4 und einem dreiwelligen Über
lagerungsgetriebe 5, 6 (Summierungsplanetengetriebe) kombiniertes stufenloses
Getriebe. Die in Abhängigkeit vom Betriebspunkt als Generator oder als Motor
wirkenden Elektromaschinen 3, 4 stehen über eine Steuereinrichtung 7 untereinan
der und mit einem elektrischen Energiespeicher - Batterie 8 - in Verbindung. Ähnlich
wie bei dem Hybridantrieb nach der eingangs erwähnten DE 41 24 479 A1 steht
eine der Elektromaschinen 3 mit einer Reaktionswelle 9 in Antriebsverbindung, und
die andere Elektromaschine 4, die im Motorbetrieb eine Zusatzleistung abgibt und
im Generatorbetrieb der Energierückgewinnung dient, steht mit der
Antriebswelle 10 des Überlagerungsgetriebes 5, 6 in Antriebsverbindung. Um einen
von der (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine gesonderten verlustarmen und
leistungsstarken Elektroantrieb zu erzielen, sind die mit den Elektromaschinen 3 und
4 in Antriebsverbindung stehenden Wellen, nämlich die Reaktionswelle 9 und die
Antriebswelle 10 des Überlagerungsgetriebes 5, 6 mittels einer an
steuerbaren Überbrückungskupplung 11 drehfest derart verbindbar, daß bei gelöster
brennkraftmaschinenseitiger Kupplung - Freilauf 2 - sämtliche Elektromaschinen 3, 4
über das verblockte Überlagerungsgetriebe 5, 6 einen gesonderten Antriebsmotor
bilden.
Auf der mit der Abtriebswelle 12 des Überlagerungsgetriebes 5, 6 fluchtenden
Antriebswelle 10 ist ein Anker 13 der Elektromaschine 4 drehfest an
geordnet, wobei die Antriebswelle 10 zusätzlich den antriebsseitigen
Teil 14 der mit dem Überlagerungsgetriebe 5, 6 in Antriebsverbindung stehenden
ansteuerbaren Überbrückungskupplung 11 trägt. Schließlich ist die
Antriebswelle 10 über den Freilauf 2 mit der Motorwelle 1 der (nicht gezeigten)
Brennkraftmaschine kuppelbar.
Das Überlagerungsgetriebe umfaßt ein als Planetengetriebe ausgebildetes erstes
Überlagerungsgetriebe 5 und ein als Planetengetriebe ausgebildetes zweites Über
lagerungsgetriebe 6. Im Überlagerungsgetriebe 5, 6 wird das Moment der
Antriebswelle 10 mit dem Moment der Elektromaschine 3 überlagert. Zur
Erhöhung des am Hohlrad 15 des ersten Überlagerungsgetriebes 5 möglichen
Momentes befindet sich zwischen der Elektromaschine 3 und diesem Hohlrad 15 ein
Übersetzungsgetriebe 16, welches mit einer ersten Schaltkupplung 17 aktiviert und
mit einer zweiten Schaltkupplung 18 überbrückt werden kann, wobei mit der Über
brückung des Übersetzungsgetriebes 16 gleichzeitig das zweite Überlagerungs
getriebe 6 aktiviert und das erste Überlagerungsgetriebe 5 aus dem Leistungsfluß
entfernt wird. Das Umschalten zwischen den beiden Schaltkupplungen 17, 18 kann
ohne Drehzahldifferenz in den Kupplungen erfolgen.
Bei vorgegebener Drehzahl der Antriebswelle 10 kann durch
Steuerung der Elektromaschine 3 bzw. beider Elektromaschinen 3, 4 die Drehzahl
der Abtriebswelle 12 von einem negativen Wert über den 0-Punkt bis zu einer Maxi
maldrehzahl, und damit bis zu einer entsprechenden Maximalgeschwindigkeit des
Kraftfahrzeuges stufenlos verstellt werden. Die beiden Elektromaschinen 3 und 4
können so geschaltet werden, daß jeweils eine den Energiebedarf der anderen
deckt. Bei Realisierung eines Hybridantriebes kann zusätzlich Energie aus dem
Energiespeicher 8 entnommen oder an diesen abgegeben werden.
Mit der Überbrückungskupplung 11 wird das Überlagerungsgetriebe 5, 6 verblockt.
Bei geschlossener Überbrückungskupplung 11 wird die Antriebsleistung rein
mechanisch zur Abtriebswelle 12 übertragen, und eine Veränderung der Drehzahl
der Abtriebswelle 12 ist nur noch durch eine Änderung der Drehzahl der
Antriebswelle 10 möglich.
Mit dem Getriebe ist es möglich ein Kraftfahrzeug elektrisch abzubremsen. In einem
Hybridfahrzeug kann diese Bremsenergie von dem Energiespeicher 8 aufge
nommen werden.
Mit diesem Getriebe kann ein elektrischer Antrieb realisiert werden. Zu diesem
Zweck wird die Antriebswelle 10 durch den Freilauf 2 von der Motor
welle 1 der (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine getrennt. Die Überbrückungs
kupplung 11 kann geschlossen werden, und die beiden Elektromaschinen 3 und 4
können gemeinsam den Antrieb des Fahrzeuges übernehmen.
Die Antriebswelle 10 ist mit dem Sonnenrad 19 des Überlagerungs
getriebes 5, 6 verbunden. Die beiden Überlagerungsgetriebe 5, 6 entstehen durch
die Verwendung von zwei als Stufenplanetenrad ausgebildeten
Planetenrädern 21, 22 und zwei Hohlrädern 15, 23. Je nach dem, welche der beiden
Schaltkupplungen 17, 18 geschlossen ist, befindet sich jeweils eines der Hohlräder
15, 23 im Leistungsfluß.
Das Hohlrad 15 des ersten Überlagerungsgetriebes 5 ist über das Übersetzungs
getriebe 16 und die erste Schaltkupplung 17 mit der Elektromaschine 3 verbunden.
Das Hohlrad 23 des zweiten Überlagerungsgetriebes 6 ist über die zweite Schalt
kupplung 18 direkt mit der Elektromaschine 3 verbunden. Der Steg 26 des ersten
bzw. zweiten Überlagerungsgetriebes 5, 6 ist mit der Abtriebswelle 12 fest ver
bunden.
Dieses Getriebe kommt ohne zusätzliches Anfahrorgan aus, es ist ein unendlich,
stufenlos übersetzendes Getriebe. Im unteren Geschwindigkeitsbereich und für
Rückwärtsfahrt wird das Übersetzungsgetriebe 16 in Verbindung mit dem ersten
Überlagerungsgetriebe 5 benutzt. Durch die Übersetzung des Momentes der Elek
tromaschine 3 steht am Hohlrad 15 des ersten Überlagerungsgetriebes 5 dabei ein
hohes Moment zur Verfügung, was auch ein hohes Moment an der Abtriebswelle 12
ermöglicht. Durch das negative Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsgetriebes
16 kommt es bei steigender Drehzahl der Abtriebswelle 12 bei einem bestimmten
Verhältnis zwischen den Drehzahlen der Abtriebswelle 12 und der Antriebswelle 10
(das durch die Standübersetzungen der verschiedenen Planetenradsätze festgelegt
ist) in der zweiten Schaltkupplung 18 zur Drehzahldifferenz 0. In diesem Punkt wird
die zweite Schaltkupplung 18 geschlossen, und die erste Schaltkupplung 17 wird
geöffnet. Wenn das zweite Überlagerungsgetriebe 6 durch Schließen der zweiten
Schaltkupplung 18 aktiviert wird, dann liegt am Hohlrad 23 des zweiten Überlage
rungsgetriebes 6 das Moment der Elektromaschine 3 an. Durch die Überbrückungs
kupplung 11 können die beiden Überlagerungsgetriebe 5, 6 verblockt werden. Damit
wird die Antriebswelle 10 unmittelbar mit der Ab
triebswelle 12 verbunden.
Mit diesem Getriebe kann jederzeit elektrisch gebremst werden. Fahrleistungen
können im normalen Fahrbetrieb, das heißt beim Antrieb durch die Brennkraft
maschine durch zusätzliche elektrische Leistung aus dem Energiespeicher 8 erhöht
werden. Zur Realisierung eines Elektroantriebs können die beiden Überlagerungs
getriebe 5 und 6 durch die Überbrückungskupplung 11 blockiert werden, und die
Antriebswelle 10 wird über den Freilauf 2 von der Motorwelle 1 ge
trennt. Bei blockierten Überlagerungsgetrieben 5, 6 dreht sich die Elektromaschine 4
mit der Drehzahl der Abtriebswelle 12, und die Elektromaschine 3 kann je nach ge
wünschter Drehzahl, beziehungsweise gewünschtem Moment der Abtriebswelle 12
über die erste Schaltkupplung 17 oder die zweite Schaltkupplung 18 mit den
blockierten Überlagerungsgetrieben 5, 6 verbunden werden.
Die zum Verblocken der Überlagerungsgetriebe 5, 6 dienende Überbrückungs
kupplung 11 kann alternativ zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform auch
zwischen der Welle des Sonnenrades 19 und der des Hohlrades 23, den beiden
Hohlrädern 15, und 23 oder zwischen dem Hohlrad 15 und der Abtriebswelle 12
angeordnet werden.
Als weitere Alternative kann auch eines der Hohlräder 15 oder 23 der Überla
gerungsgetriebe 5, 6 festgebremst werden, indem zu einem (nicht gezeigten) Ge
häuse eine Verbindung hergestellt wird. Dann wirkt das entsprechende Planeten
getriebe 19, 21, 15 oder 19, 21, 22, 23 als konstante Übersetzung. Diese Wirkung
wird auch durch das gleichzeitige Schließen beider Schaltkupplungen 17 und 18 er
reicht.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des oben beschriebenen Getriebes. Durch die Ver
wendung von zwei unabhängig voneinander aufgebauten Überlagerungsgetrieben
5', 6', die beide als Planetengetriebe ausgebildet sind, bestehen bei der Auswahl der
Übersetzungen dieser Getriebe größere Freiheiten. Darüber hinaus ist zusätzlich zu
einem ersten Übersetzungsgetriebe 24 ein zweites Übersetzungsgetriebe 25 vor
gesehen. Der Einsatz dieses ebenfalls als Planetengetriebe ausgebildeten zweiten
Übersetzungsgetriebes 25 kann nötig sein, wenn sich anders die geforderten Werte
an der Abtriebswelle 12 (zum Beispiel sehr hohe Momente) mit den vorhandenen
Elektromaschinen 3, 4 nicht verwirklichen lassen. Wenn die erste Schaltkupplung 17
geschlossen ist, dann befinden sich beide Übersetzungsgetriebe 24 und 25 im
Leistungsfluß. Wenn hingegen die zweite Schaltkupplung 18 geschlossen ist, dann
ist nur das zweite Übersetzungsgetriebe 25 wirksam.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform erlaubt noch größere Freiheiten bei der
Übersetzungswahl, da hier jeweils nur eines der beiden als Planetengetriebe aus
gebildeten ersten und zweiten Übersetzungsgetriebe 24' und 25' genutzt wird. Die
Übersetzungsverhältnisse können so ganz individuell für die Anforderungen in den
jeweiligen Fahrbereichen abgestimmt werden. Wählt man in dieser Konstruktion für
eines der beiden Übersetzungsgetriebe 24' oder 25' eine negative und für das an
dere eine positive Übersetzung, kann auch hier das Umschalten zwischen den
beiden Schaltkupplungen 17, 18 ohne Differenzdrehzahl erfolgen.
Alternativ zu den beiden Elektromaschinen (elektrischer Wandler) können auch zwei
Hydrostaten (hydrostatischer Wandler), hydrodynamische Wandler oder andere
stufenlose Getriebe eingesetzt werden.
Alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eines unendlich stufenlos über
setzenden Getriebes ermöglichen hohe Antriebsleistungen mit Hilfe relativ kleiner
Elektromaschinen und demzufolge bei kleinem Bauraum und Gewicht. Durch die
Absenkung des Anteils der elektrisch übertragenen Leistung in einem breiten An
wendungsbereich können die Leistungsverluste verringert werden, und der Kraft
stoffverbrauch kann gesenkt werden. Neben einer großen nutzbaren Getriebe
spreizung ergibt sich auch ein hoher Fahrkomfort und eine geringe Belastung der
Schaltkupplung durch Umschalten zwischen den Betriebsbereichen bei Differenz
drehzahl 0.
Claims (7)
1. Hybridantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassend eine Brennkraft
maschine und ein mit dieser über eine Kupplung (Freilauf) verbundenes aus
Elektromaschinen und einem Überlagerungsgetriebe
(Summierungsplanetengetriebe) kombiniertes stufenloses Getriebe, dessen
in Abhängigkeit vom Betriebspunkt als Generator oder Motor wirkende
Elektromaschinen über eine Steuerung elektrisch miteinander und mit einem
elektrischen Energiespeicher (Batterie) in Verbindung stehen, wobei eine der
Elektromaschinen mit einer Reaktionswelle des Überlagerungsgetriebes und
die andere, im Motorbetrieb eine Zusatzleistung abgebende und im Gene
ratorbetrieb der Energierückgewinnung dienende Elektromaschine mit einer
der übrigen Wellen (Antriebswelle, Abtriebswelle) des Überlagerungs
getriebes in Antriebsverbindung steht, und die mit den Elektromaschinen in
Antriebsverbindung stehenden Wellen (Reaktionswelle und Antriebswelle)
des Überlagerungsgetriebes mittels einer ansteuerbaren Überbrückungs
kupplung drehfest verbindbar sind derart, daß sämtliche Elektromaschinen
über das verblockte Überlagerungsgetriebe einen gemeinsamen Antriebs
motor oder einen gemeinsamen Generator bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reaktionswelle (9) mit dem Überlagerungsgetriebe (5, 6) durch ein
zweistufiges Übersetzungsgetriebe (16; 24, 25) verbunden ist, daß das
Überlagerungsgetriebe ein als Planetengetriebe ausgebildetes erstes und
zweites Überlagerungsgetriebe (5 und 6) umfaßt, daß das Hohlrad (15) des
ersten Überlagerungsgetriebes (5) über das Übersetzungsgetriebe (16; 24,
25) und eine erste Schaltkupplung (17) mit der Elektromaschine (3) ver
bunden ist, daß das Hohlrad (23) des zweiten Überlagerungsgetriebes (6)
über eine zweite Schaltkupplung (18) mit der Elektromaschine (3) verbunden
ist, und daß der Steg (26) des ersten und zweiten Überlagerungsgetriebes
(5, 6) mit der Abtriebswelle (12) drehfest verbunden ist.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad
(23) des zweiten Überlagerungsgetriebes (6) über die zweite Schaltkupplung
(18) direkt mit der Elektromaschine (3) verbunden ist. (Fig. 1)
3. Hybridantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Planeten
räder (21, 22) der beiden Überlagerungsgetriebe (5, 6) als ein Stufen
planetenrad ausgebildet sind. (Fig. 1)
4. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überset
zungsgetriebe in ein erstes und ein zweites Übersetzungsgetriebe (24, 25)
unterteilt ist. (Fig. 2 und 3)
5. Hybridantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad
(15) des ersten Überlagerungsgetriebes (5) über das erste Übersetzungs
getriebe (24), die erste Schaltkupplung (17) und das zweite Übersetzungs
getriebe (25) mit der Elektromaschine (3) verbunden ist, und daß das Hohl
rad (23) des zweiten Überlagerungsgetriebes (6) über die zweite Schalt
kupplung (18) und das zweite Übersetzungsgetriebe (25) mit der Elektro
maschine (3) verbunden ist. (Fig. 2)
6. Hybridantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad
(15) des ersten Überlagerungsgetriebes (5) über das erste Übersetzungs
getriebe (24') und die erste Schaltkupplung (17) mit der Elektromaschine (3)
verbunden ist, und daß das Hohlrad (23) des zweiten Überlagerungs
getriebes (6) über das zweite Übersetzungsgetriebe (25') und die zweite
Schaltkupplung (18) mit der Elektromaschine (3) verbunden ist. (Fig. 3)
7. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abtriebswelle (12) über eine Überbrückungskupplung (11)
mit der Antriebswelle (10) verbindbar ist.
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