DE19937381A1 - Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb und Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit Hybridantrieb - Google Patents
Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb und Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit HybridantriebInfo
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Abstract
Ein Kraftfahrzeug weist einen Hybridantrieb mit einem Elektromotor auf, wobei im Bremsbetrieb der Elektromotor als Generator betreibbar ist und elektrische Energie in einem Energiespeicher gespeichert werden kann. Im Antriebsbetrieb ist der Elektromotor für den Fahrzeugantrieb nutzbar. Weiterhin ist eine Regel- und Steuereinheit zur Generierung von Stellsignalen vorgesehen, über die die Funktionen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors in Abhängigkeit von den aktuellen Fahrzustand repräsentierenden Signalen koordiniert werden. DOLLAR A Zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades ist im Kraftfahrzeug eine Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines Ereignissignals angeordnet, welche ein außerhalb des Kraftfahrzeugs vorhandenes oder vorfallendes Ereignis kennzeichnet. In Abhängigkeit des Ereignissignals ist ein Stellsignal zur Einstellung des Verbrennungsmotors und/oder des Elektromotors erzeugbar.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb und
ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit Hybridan
trieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 11.
Aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 43 06 381 A1 ist ein
derartiger Hybridantrieb für Kraftfahrzeuge bekannt, der einen
Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfaßt, wobei die bei
den Antriebsarten in Abhängigkeit von aktuellen, den Fahrzu
stand repräsentierenden Eingangssignalen aufeinander abgestimmt
werden. So ist insbesondere für einen wirtschaftlichen und um
weltfreundlichen Betrieb eine Betriebsart "Stadtfahrt" vorgese
hen, in der der thermische Antrieb über den Verbrennungsmotor
und der elektrische Antrieb über den Elektromotor in vorgegebe
ner Weise aufeinander abgestimmt sind. Gegebenenfalls wird, so
fern die Fahreranforderung dies erlaubt, die Antriebsleistung
des Verbrennungsmotors zum Betrieb des Elektromotors als Gene
rator für die Erzeugung elektrischer Leistung herangezogen, um
einen Energiespeicher des Elektromotors aufzufüllen. Als Rand
bedingungen, welche für die Abstimmung zwischen Verbrennungsmo
tor und Elektromotor zu beachten sind, werden die Drehzahl, das
maximale Drehmoment, die Abgaswerte der Brennkraftmaschine, die
Fahrzeuggeschwindigkeit sowie die manuell vorzugebende Be
triebsart "Stadtfahrt" berücksichtigt.
Weitergehende Betriebsmöglichkeiten sind aus der DE 43 06 381
A1 nicht bekannt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Gesamtwirkungs
grad eines Kraftfahrzeugs mit Hybridantrieb zu verbessern.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An
spruches 1 bzw. 11 gelöst.
Das neuartige Kraftfahrzeug ist mit einem Hybridmotor versehen,
bestehend aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor,
wobei zur Koordination der Funktionsweise der Brennkraftmaschi
ne und des Elektromotors in einer Regel- und Steuereinheit in
Abhängigkeit des aktuellen Fahrzustands Stellsignale erzeugt
werden, über die der Betrieb der Brennkraftmaschine und des
Elektromotors je nach Fahrsituation aufeinander abgestimmt wer
den.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein Ereignis, welches au
ßerhalb des Kraftfahrzeugs geschieht bzw. existiert, im Kraft
fahrzeug erfaßt und der Erzeugung eines Stellsignals zur Ein
stellung des Verbrennungsmotors und des Elektromotors zugrunde
gelegt wird, wobei mit dem Begriff "Ereignis" sowohl dynamisch
sich ändernde Vorkommnisse, wie zum Beispiel bewegte Fahrzeuge,
als auch statische Gegebenheiten umfaßt, wie zum Beispiel der
Streckenverlauf oder die absolute, über ein externes System zu
bestimmende Fahrzeugposition. Das Ereignis wird nach vorgegebe
nen Kriterien bewertet; auf der Grundlage der Bewertung wird
entschieden, ob der Antrieb des Fahrzeugs über den Verbren
nungsmotor oder über den Elektromotor erfolgen soll oder ob der
Elektromotor im Fahrzeug-Bremsbetrieb bzw. im befeuerten An
triebsbetrieb als Generator eingesetzt werden soll.
Der Elektromotor übernimmt je nach Betriebszustand die Funktion
eines Fahrzeugantriebes oder eines Bremssystems. Der dem Elek
tromotor zugeordnete Energiespeicher wird im Bremsbetrieb von
dem als Generator eingesetzten Elektromotor gespeist, wobei im
Antriebsbetrieb wieder auf den aufgefüllten Energiespeicher zu
rückgegriffen. Im Energiespeicher wird ein beträchtlicher Teil
der im Bremsbetrieb freigewordenen kinetischen Energie des
Fahrzeugs in potentielle Energie umgewandelt, die im Antriebs
betrieb wieder in kinetische Fahrzeugenergie umgesetzt wird.
Ein Generatorbetrieb kommt auch im Antriebsbetrieb in Betracht,
sofern die Lastanforderung an die Brennkraftmaschine unterhalb
der Vollastgrenze liegt.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der Elektromotor in Si
tuationen mit einem erhöhtem Bedarf an Antriebsleistung zuge
schaltet werden kann, wodurch beispielsweise Anstiege oder
Überholvorgänge auch mit kleineren Verbrennungsmotoren leichter
und schneller bewältigt werden können. Auf sehr leistungsstar
ke, schwere Verbrennungsmotoren kann verzichtet werden, wodurch
insgesamt eine Gewichtseinsparung im Kraftfahrzeug zu erzielen
ist.
Es besteht die Möglichkeit, den Antrieb des Kraftfahrzeugs zu
mindest kurzzeitig vollständig über den Elektromotor abzuwic
keln, so daß in diesem Zeitraum keine Abgasemissionen entste
hen. Bei Einbeziehung eines Systems zur Bestimmung der aktuel
len Fahrzeugposition, beispielsweise ein Global Positioning Sy
stem, können Gegenden oder Städte, in denen ein minimaler
Schadstoffausstoß vorgeschrieben oder erwünscht ist, frühzeitig
in der Erfassungseinrichtung erkannt werden, so daß Vorsorge
für einen aufgeladenen elektrischen Energiespeicher getroffen
werden kann, damit ein rechtzeitiges und problemloses Umschal
ten auf den emissionsfreien elektrischen Antrieb möglich ist.
Durch diese Betriebsweise ist eine vorausschauende Fahrweise
möglich, bei der der Betrieb von Elektromotor und Brennkraftma
schine optimal zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads aufeinander
abgestimmt werden können. Es ist möglich, geographische Gege
benheiten im Streckenverlauf, insbesondere die Topographie, zu
berücksichtigen und beispielsweise zu befahrende Gefällstrecken
und/oder Anstiege unter Beachtung des aktuellen Ladezustands
des Energiespeichers des Elektromotors und der Fahreranforde
rung optimal zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor aufzu
teilen. Leistungsanforderungen des Fahrers, welche beispiels
weise an Anstiegen über den ausschließlichen Betrieb des Ver
brennungsmotors nicht bewältigt werden können, können durch Zu
schaltung des elektrischen Antriebes erfüllt werden, wobei zu
vor der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers erhöht
werden kann, um sicherzustellen, daß ausreichende elektrische
Antriebsleistung zur Verfügung steht.
Diese Ausführung ermöglicht es außerdem, auf kostenintensive
zusätzliche Motorbremssysteme, insbesondere Luftretarder, zu
verzichten, weil der Elektromotor im Generatorbetrieb als Mo
torbremse eingesetzt werden kann. Da durch den kombinierten
Einsatz von Verbrennungsmotor und Elektromotor Kraftstoff ein
gespart werden kann, amortisieren sich die Ausrüstungskosten
für den Einsatz der beiden motorischen Antriebe in Abhängigkeit
der Kilometerleistung in der Regel bereits nach kurzer Zeit.
Der Effekt der Kraftstoffeinsparung macht sich insbesondere mit
steigender Dynamik im Straßenverkehr bemerkbar, beispielsweise
bei hoher Verkehrsdichte und/oder starker Verkehrsbelastung.
Die Kraftstoffeinsparung hat außerdem einen geringeren Abgas
ausstoß zur Folge.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den
weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung
zu entnehmen, in der eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs
mit einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Ereignisses
bzw. eines Zustandes außerhalb des Kraftfahrzeugs dargestellt
ist.
Das in der Figur gezeigte Kraftfahrzeug 1 wird über einen Hy
bridantrieb 2 angetrieben, welcher eine Brennkraftmaschine 3
sowie einen Elektromotor 4 umfaßt, wobei dem Elektromotor 4 ein
Energiespeicher 5, insbesondere eine elektrische Batterie, zu
geordnet ist. Als Hybridantrieb kann ein Parallel-
Hybridantrieb, bei dem die Brennkraftmaschine und der Elektro
motor über ein Getriebe auf einen gemeinsamen Antrieb einwir
ken, ein Split-Hybridantrieb, bei dem die Brennkraftmaschine
über ein Getriebe und der Elektromotor unmittelbar auf die An
triebswelle einwirkt, ein serieller Hybridantrieb, bei dem die
Brennkraftmaschine als Generator eingesetzt wird und der Fahr
zeugvortrieb über den Elektromotor bewerkstelligt wird, oder
eine anderweitige Kombination von Brennkraftmaschine und Elek
tromotor verwendet werden.
Weiterhin sind eine Lenk-, Brems- und Beschleunigungseinheit 6,
eine Erfassungseinrichtung 7 zur Erfassung von Ereignissen und
Zuständen innerhalb und außerhalb des Kraftfahrzeugs 1 sowie
eine Regel- und Steuereinheit 8 zur Koordinierung der Funktio
nen des Hybridantriebs sowie weiterer Baueinheiten des Kraft
fahrzeugs vorgesehen. Die Regel- und Steuereinheit 8 kommuni
ziert über Signalleitungen mit der Erfassungseinrichtung 7, der
Brennkraftmaschine 3, dem Elektromotor 4 sowie dem Energiespei
cher 5. Gegebenenfalls kann eine Verbindung zu weiteren Einhei
ten des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, beispielsweise zur
Lenk-, Brems- und Beschleunigungseinheit 6.
Die Erfassungseinrichtung 7 umfaßt sowohl eine Meßeinheit für
die Messung von Zustandsgrößen und Ereignissen bzw. Zuständen
innerhalb und außerhalb des Kraftfahrzeugs als auch eine Sende-
und Empfangseinheit für eine elektromagnetische Signalübertra
gung mit externen Sende- bzw. Empfangsanlagen. Die Meßeinheit
umfaßt zweckmäßig Einrichtungen zur Messung des Relativabstan
des und gegebenenfalls der Relativgeschwindigkeit zwischen dem
Kraftfahrzeug 1 und einem Hindernis, insbesondere einem voraus
fahrenden oder nachfolgenden Fahrzeug, eine Meßeinheit zur Re
gistrierung von fahrzeugspezifischen Betriebs- und Zustandsgrö
ßen, eine Sende- und Empfangseinheit zur Bestimmung der Abso
lutposition des Kraftfahrzeugs, sowie eine Empfangseinheit zur
Aufnahme von Informationen, die die aktuelle Verkehrssituation
widerspiegeln. Entsprechend den unterschiedlichen Meß-, Emp
fangs- und Sendeeinheiten werden der Erfassungseinrichtung 7
die Eingangssignale SAbst, SZust, SGPS und STele zugeführt, wobei
unter der Zustandsgröße SAbst der Abstand und gegebenenfalls die
Relativgeschwindigkeit zu einem anderen Fahrzeug, unter der Zu
standsgröße SZust die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, die
Motordrehzahl sowie gegebenenfalls weitere fahrzeugspezifische
Größen, unter der Zustandsgröße SGPS ein Signal zur Bestimmung
der Absolutposition des Fahrzeuges und unter dem Eingangssignal
STele Signale eingehen, die von Telematiksystemen stammen.
Von der Lenk-, Brems- und Beschleunigungseinheit 6 sind der Er
fassungseinrichtung 7 Eingangssignale SAnf zuführbar, welche
Fahreranforderungen bei Betätigung von Lenkung, Bremse und Be
schleunigungspedal repräsentieren.
Nach der Erfassung sämtlicher externer, ein Ereignis oder einen
Zustand außerhalb des Kraftfahrzeuges kennzeichnender Größen
sowie sämtlicher interner, das Kraftfahrzeug beschreibender Zu
standsgrößen werden der Regel- und Steuereinheit 8 aus der Er
fassungseinrichtung 7 Ereignissignale Sist zugeführt, welche in
der Erfassungseinrichtung 7 durch Umformung aus den Eingangs
signalen gebildet worden sind bzw. den Eingangssignalen ent
sprechen.
Zusätzlich zu den Ereignissignalen Sist empfängt die Regel- und
Steuereinheit 8 als weiteren Eingang ein Batteriesignal SBatt,
welches von dem als Batterie ausgebildeten Energiespeicher 5
stammt, der dem Elektromotor 4 zugeordnet ist. Das Batteriesi
gnal SBatt repräsentiert den Ladezustand des Energiespeichers 5.
In Abhängigkeit der zugeführten Eingangssignale Sist und SBatt
werden in der Regel- und Steuereinheit 8 gemäß einem hinterleg
ten Regelgesetz unter Berücksichtigung von vorgegebenen Soll
größen Stellsignale SSt erzeugt, die dem Elektromotor 4 bzw.
der Brennkraftmaschine 3 zugeführt werden. Über die Stellsigna
le SSt werden Elektromotor 4 und Brennkraftmaschine 3 einge
stellt, wobei sowohl im Bremsbetrieb als auch in der angetrie
benen Betriebsweise ein ausschließlicher Betrieb entweder nur
der Brennkraftmaschine 3 oder nur des Elektromotors 4 oder ein
gemischter Betrieb von beiden Antriebsarten möglich ist. Die
Entscheidung, welcher Antrieb gewählt wird bzw. zu welchem Pro
zentsatz eine Antriebsart zum Gesamtantrieb beiträgt, wird in
der Regel- und Steuereinheit 8 anhand einer unterlegten Opti
mierungsfunktion mit einem vorgegebenen Kostenfunktional ent
schieden. Als Optimierungskriterium wird vorzugsweise der Ge
samtwirkungsgrad des Hybridantriebs herangezogen.
Mit dem Einsatz der Erfassungseinrichtung 7 zur Erfassung eines
Ereignisses oder eines Zustandes außerhalb des Kraftfahrzeuges
ist eine vorausschauende Fahrweise und eine Optimierung des Be
triebes des Hybridantriebes möglich. Mit der vorausschauenden
Fahrweise können unter Berücksichtigung der Größen Streckenver
lauf, Topographie, Verkehrssituation (Verkehrstelematik), Stra
ßenzustand und Witterung sowie Relativposition und Relativge
schwindigkeit zu anderen Fahrzeugen neben der Optimierung des
Gesamtwirkungsgrades auch weitere Bedingungen wie z. B. zusätz
licher Leistungsbedarf beim Überholvorgang oder besonders emis
sionsarme Fahrweise berücksichtigt werden. Die Kombination von
Brennkraftmaschine und Elektromotor ermöglicht die Verwendung
kleiner dimensionierter Verbrennungsmotoren, wobei in Situatio
nen erhöhten Leistungsbedarfs der Elektromotor zum Betrieb des
Verbrennungsmotors zugeschaltet wird. Das Nachladen des Ener
giespeichers des Elektromotors erfolgt primär bei Bremsvorgän
gen, kann jedoch auch in der angetriebenen Betriebsweise erfol
gen, wobei der Elektromotor zur Aufladung des Energiespeichers
als Generator wirkt. Das Laden des Energiespeichers kann dar
über hinaus auch in Abhängigkeit von der Topographie sowie vom
angesteuerten Zielort erfolgen, wobei diese Informationen über
ein GPS und ein Navigationssystem zur Verfügung gestellt werden
können.
Claims (12)
1. Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit Hybridantrieb
(2), bestehend aus einem Verbrennungsmotor (3) und einem Elek
tromotor (4), wobei im Bremsbetrieb der Elektromotor (4) als
Generator betreibbar und elektrische Energie in einem Energie
speicher (5) speicherbar ist und im Antriebsbetrieb der Elek
tromotor (4) für den Fahrzeugantrieb nutzbar ist, mit einer Re
gel- und Steuereinheit (8) zur Generierung von Stellsignalen
(SSt) zur Koordinierung der Funktionen des Verbrennungsmotors
und des Elektromotors in Abhängigkeit von den aktuellen Fahrzu
stand repräsentierenden Signalen,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß im Kraftfahrzeug eine Erfassungseinrichtung (7) zur Er zeugung eines Ereignissignals (Sist), welches ein außerhalb des Kraftfahrzeugs vorhandenes oder vorfallendes Ereignis kennzeichnet, vorgesehen ist,
- - daß das Stellsignal (SSt) zur Einstellung des Verbrennungsmo tors (3) und/oder des Elektromotors (4) in Abhängigkeit des Ereignissignals (Sist) erzeugbar ist.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der folgenden Ereignisse detektierbar ist:
- - Straßen- bzw. Streckenverlauf und Topographie,
- - Verkehrssituation,
- - Straßenzustand,
- - Witterung,
- - absolute Fahrzeugposition,
- - Relativposition und Relativgeschwindigkeit des Kraftfahr zeugs zu Hindernissen.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erfassungseinrichtung (7) mit externen, außerhalb des
Fahrzeugs angeordneten Leit- oder Meßsystemen wie GPS oder Te
lematiksystemen kommuniziert.
4. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Stellsignal (SSt) zur Einstellung des Verbrennungsmo
tors (3) und/oder des Elektromotors (4) in Abhängigkeit von Zu
stands- und Betriebsgrößen des Kraftfahrzeugs generierbar ist.
5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Fahrzeug-Zustands- und Betriebsgrößen zumindest eine
der folgenden Größen zu berücksichtigen sind:
- - Ladezustand des Speichers des Elektromotors,
- - Geschwindigkeit, Last, Drehzahl etc.
6. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Neigungssensor zur Ermittlung eines die Straßenneigung
repräsentierenden und der Regel- und Steuereinheit (8) zuzufüh
renden Ereignissignals (Sist) vorgesehen ist.
7. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die über den Elektromotor (4) erzeugbare Leistung im Brems
betrieb bzw. im Antriebsbetrieb manuell zuschaltbar und ein
stellbar ist.
8. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Regel- und Steuereinheit (8) eine Tempomatfunktion
realisiert ist, wobei ein die tatsächliche Geschwindigkeit re
präsentierendes Istsignal ermittelt und mit einem vorgegebenen
Sollsignal verglichen wird und bei einer Abweichung des Istsi
gnals vom Sollsignal ein die Abweichung ausgleichendes, den
Elektromotor beaufschlagendes Stellsignal (SSt) erzeugbar ist.
9. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dem Elektromotor (4) zugeordnete Energiespeicher (5)
eine Batterie ist.
10. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dem Elektromotor (4) zugeordnete Energiespeicher ein
Schwungrad ist.
11. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit Hybridan
trieb, insbesondere zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs nach einem
der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Hybridantrieb (2) einen Ver
brennungsmotor (3) und einen Elektromotor (4) umfaßt, welcher
im Bremsbetrieb elektrische Leistung und im Antriebsbetrieb me
chanische Antriebsleistung erzeugt, wobei in einer Regel- und
Steuereinheit (8) die Funktionen des Verbrennungsmotors (3) und
des Elektromotors (4) in Abhängigkeit vom aktuellen Fahrzustand
koordiniert werden,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein außerhalb des Kraftfahrzeugs (1) vorhandenes oder vorfallendes Ereignis oder ein Zustand erfaßt wird,
- - daß die Einstellung des Verbrennungsmotor (3) und/oder des Elektromotors (4) in Abhängigkeit des erfaßten Ereignisses bzw. des erfaßten Zustands erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Optimierungsfunktion für den Betrieb von Verbrennungs
motor (3) und Elektromotor (4) vorgegeben wird, wobei als Opti
mierungskriterium die Steigerung des Gesamtwirkungsgrads vorge
geben wird.
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