DE3338548A1 - Hybrid-antriebsanordnung - Google Patents

Hybrid-antriebsanordnung

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DE3338548A1
DE3338548A1 DE19833338548 DE3338548A DE3338548A1 DE 3338548 A1 DE3338548 A1 DE 3338548A1 DE 19833338548 DE19833338548 DE 19833338548 DE 3338548 A DE3338548 A DE 3338548A DE 3338548 A1 DE3338548 A1 DE 3338548A1
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Germany
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electrical machine
internal combustion
combustion engine
drive arrangement
drive
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DE19833338548
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Paulus Dipl Ing Heidemeyer
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Description

  • Hybrid-Antriebsanordnung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Rybrid-Antriebsanordnung für Fahrzeuge, insbesondere Eraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Herkömmliche Rybrid-Antrieb sanordnungen dieser in Einwellenkonfiguration aufgebauten Bauart weisen im allgemeinen eine Struktur auf, bei der der Läufer der elektrischen Maschine sowohl mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine als auch mit der Eingangswelle des Getriebes direkt verbindbar ist, so daß sich beim Betrieb beider Antriebsmaschinen eine Drehmomentaddition bei gleicher Drehzahl der Antriebskomponenten ergibt.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, für eine Hybrid-Antriebsanordnung der im Oberbegriff genannten Art eine andere- Struktur vorzuschlagen, die für bestimmte Anwendungsgebiete besondere Vorteile bringen könnte.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Bei dieser ausführung wird das Drehmoment bzw. die Leistung der Brennkraftmaschine über die als Übertrager wirkende elektrische Maschine geleitet, deren beide Komponenten drehbar gelagert sein müssen. Wenn sowohl die Brennkraftmaschine als auch die elektrische Maschine mit positiver Leistung arbeiten, ergibt sich eine Drehzahladdition der beiden Komponenten bei konstantem Drehmoment.
  • Zweckmäßige Weiterbildungen dieser im Anspruch 1 aufgezeigten Grundstruktur ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
  • In der Zeichnung sind verschiedene Varianten der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in schematischen Blockschaltbildern gezeigt, die im folgenden näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 ein Blockschaltbild des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, bei der das Läuferteil der elektrischen Maschine mit der Brennkraftmaschine und das Feldteil mit dem Abtrieb verbunden ist, Figur 2 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, bei der das Feldteil der elektrischen Maschine mit der Brernkraftmaschine und das Läuferteil mit dem Abtrieb verbunden ist, Figur 3 eine Ausführung analog zur Ausführung nach Figur 1 mit einer zusätzlichen Dberbrückungskupplung zwischen den beiden Teilen der- elektrischen Maschine, Figur 4 eine Ausführung analog zur Figur 3 mit einer zusätzlichen Trennkupplung zwischen dem Feldteil der elektrischen Maschine und der Eingangswelle des Getriebes und Figur 5 eine Ausführung analog zu der der Figur 4, wobei noch eine zweite Trennkupplung zwischen dem Läuferteil und der Antriebswelle der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
  • In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind jeweils für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet worden Dabei wird mit 1 die- Brennkraftmaschine, mit 2 die aus einem drehbaren inneren Läuferteil 3 und einem drehbaren äußeren Feldteil 4 bestehende elektrische Maschine und mit 5 ein zu einer hier nicht weiter dargestellten Antriebsachse des Fahrzeugs führendes Getriebe bezeichnet. 6 stellt die Antriebswelle der Brennkraftmaschine und 7 die Eingangswelle des Getriebes 5 dar, während 8 eine beispielsweise durch einen Freilauf oder eine Bremse gebildete Vorrichtung zur Feststellung der Antriebswelle 6 der Brennkraftmaschine 1 und 12 eine beispielsweise durch eine Parksperre oder auch durch eine Handbremse gebildete Vorrichtung zur Feststellung der Antriebswelle 7 des Getriebes bezeichnen.
  • In den Figuren 1 und 2 der Zeichnung ist jeweils die Grundstruktur der erfindungsgemäßen Hybrid-Bntriebsanordnung gezeigt, bei der die Brennkraftmaschine 1 und die elektrische Maschine 2 in Reihe hintereinanderliegend über das Getriebe 5 die Antriebsachse des Fahrzeugs antreiben können. Dabei ergibt sich dadurch, daß die beiden drehbar angeordneten Teile der elektrischen Maschine 2, nämlich das Läuferteil 3 und das Feldteil 4, jeweils getrennt mit der Antriebswelle 6 der Brennkraftmaschine 1 und der Eingangswelle 7 des Getriebes 5 verbunden sind, eine Ausführung, bei der beim gleichzeitigen Arbeiten beider Antriebsmaschinen sich eine Drehzahladdition der beiden Komponenten bei gleichem Drehmoment einstellt. Hierbei ist es möglich, entweder das Läuferteil 3, dessen Trägheitsmoment kleiner als das des. Xeliteils 4 ist, oder aber, wie dies in der Figur 2 angedeutet ist, das Feldteil 4 mit der Antriebswelle 6 der Brennkraftmaschine 1 zu verbinden. Entsprechend ist dann in der Figur 1 das Feldteil 4 und in der Figur 2 das Läuferteil 3 mit der Eingangswelle 7 des Getriebes 5 verbunden.
  • Bei diesen Anordnungen wird das Drehmoment bzw. die Leistung der Brennkraffmaschine 1 nicht direkt, sondern nur über die als über trager wirkende elektrische Maschine 2 in den Abtrieb geleitet, wobei deren beide Komponenten, d.hF sowohl das Läuferteil 3 als auch das Yeliteil 4, drehbar gelagert sein müssen.. Arbeitet dagegen die elektrische Maschine 2 allein als Antriebsmaschine, so wird auf der mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen Seite eine Momentenstütze benötigt, die durch die mit 8 bezeichnete Feststellvorrichtung, die als Klemmkörperfreilauf oder als Bremse ausgebildet sein kann, dargestellt wird. Wie bereits erwähnt, ergibt sich beim gleichzeitigen Arbeiten der Brennkraftmaschine 1 und der elektrischen Maschine 2, d.h. in dem Zustand, bei dem die elektrische Maschine nicht nur eine Ubertragerfunktion gegebenenfalls mit einem geissen elektrischen Restschlupf im generatorischen Betrieb ausübt, eine Drehzahladdition beider Antriebskomponenten bei gleichbleibenden Drehmoment. Hierbei wird eine besondere Regeleinrichtung benötigt, die dafür sorgt, daß ausgehend von der an der Brennkraftmaschine 1 anliegenden Last bei gleichzeitigem Betrieb auch der elektrischen Maschine 2 diese in allen möglichen Betriebsweisen des Systems auf das gleiche Drehmoment eingestellt wird.
  • Neben den bereits erwähnten Möglichkeiten des Fahrzeugantriebs, d.h. dem rein elektrischen Antrieb, dem Antrieb allein durch die Brennkraftmaschine und dem Antrieb durch beide Antriebsmaschinen, ergeben sich noch eine Reihe weiterer Betriebsvarianten. Dazu sei angemerkt, daß das Läuferteil 3 der elektrischen Maschine sowohl eine Schleifring- bzw. Kollektoranordnung zur Stromzu- bzw. -abfuhr aufweisen kann, wie dies z.B. bei Synchronmaschinen und Gleichstrommaschinen üblich ist. Dem Feldteil 4 ist dann eine gesonderte Schleifring- bzw. Kollektoranordnung zugeordnet. Es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, das Läuferteil 3 der elektrischen Maschine 2 ohne ollektor- b w. bzw. Schleifringanordnungen auszubilden, wie etwa bei Asynchronmaschinen mit Käfigläufer oder bei Synchronmaschinen mit wicklungslosem Läufer (z.B. Heteropolarmaschinen).
  • Eine derartige elektrische Maschine kann im sogenannten 4-Quadratenbetrieb betrieben werden, wobei sie entweder als Motor oder als Generator eingesetzt werden kann. Insbesondere ist es also auch mQglich, durch Betrieb der elektrischen Maschine 2 als Generator einen Bremsbetrieb mit elektrischer Nutzbremsung, d.h. mit Rückspeisung von elektrischer Energie in die der elektrischen Maschine zugeordnete Batterie, durchzuführen.
  • Weiter ist es möglich, bei Einrücken der die Antriebswelle 7 des Getriebes 5 festlegenden Feststellvorrichtung 12, die beispielsweise durch eine Parksperre oder eine Handbremse gebildet sein kann, die Brennkraftmaschine 1 im Stand des Fahrzeugs durch die elektrische Maschine 2 anwerfen zu lassen. Auch im Fahrbetrieb des Fahrzeugs kann bei ausgerückter Feststellvorrichtung 12 mit Hilfe der elektrischen Maschine 2 die Brennkraftmaschine 1 angelassen werden, wobei dann die elektrische Maschine eine über tragungsfunktion in umgekehrter Richtung zu den Verhältnissen beim Antrieb durch die Brennkraftmaschine ausübt.
  • Wenn im wesentlichen nur die Brennkraftmaschine 1 als Antrieb verwendet wird, erzeugt die elektrische Maschine 2 den beim Anfahren erforderlichen Schlupf, so daß eine besondere Anfahrkupplung nicht erforderlich ist. Auch während der Fahrt des Fahrzeugs ergibt sich ein generatorischer Schlupf in der elektrischen Maschine, sofern allein die Brennkraftmaschine zum Antrieb herangezogen wird.
  • Das Getriebe 5 kann sowohl als Stufengetriebe als auch als stufenlos veränderliches Getriebe ausgebildet sein. Im Falle der Verwendung eines Stufenschaltgetriebes können die infolge der Gangstufen auftretenden Drehzahl- bzw. Drehmomentsprünge über die elektrische Maschine ausgeglichen und gedämpft werden.
  • Grundsätzlich läßt sich noch sagen, daß bei der Heranziehung beider Antriebsmaschinen für den Antrieb des Fahrzeugs bei der Regelung in der Leistungsaddition die Grenzen des Drehmoments der Brennkraftmaschine, das dem Drehmoment der elektrischen Maschine gleich ist, berücksichtigt werden müssen.
  • Durch die Trennung des Antriebsstranges im Bereich zwischen den beiden drehbaren Teilen der elektrischen Maschine 2 ergibt sich ein Dämpfungseffekt für die von der Brennkraftmaschine 1 ausgehenden Drehschwingungen, was sich vorteilhaft auf das Geräuschniveau eines derart angetriebenen Fahrzeugs auswirkt.
  • Bei der Ausführung nach der Figur 3 ist nun zusätzlich zu der in der Figur 1 gezeigten Struktur noch eine Uberbrückungskupplung 9 zwischen den beiden drehbaren Teilen 3, 4 der elektrischen Maschine 2 vorgesehen. Durch Einrücken dieser gegebenenfalls als Anfahrkupplung ausgebildeten Überbrückungskupplung 9 läßt sich ein herkömmlicher Betrieb eines Fahrzeugs allein durch die Brennkraftmaschine 1 verwirklichen, wobei dann die elektrische Maschine 2 stromlos geschaltet ist und zweckmäßigerweise auch die Schleifringanordnungen abgehoben sind. Die Überbrückungskupplung 9 könnte auch als umfangsspielfreie Kupplung zum starren Verbinden der beiden drehbaren Teile 3, 4 der elektrischen Maschine ausgebildet sein und beispielsweise drehzahl- und gegebenenfalls lastabhängig zur Vergrößerung der Schwungmasse der Brennkraftmaschine 1 eingerückt werden, um so beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen einen runderen Motorlauf auch bei höheren Lasten sicherzustellen.
  • Die geschlossene Uberbrückungskupplung 9 könnte im übrigen auch eine Parksperre ersetzen, da ein Rückwärtsrollen beispielsweise an einem Steilhang dann nicht mehr möglich ist.
  • Wenn ein mit einer derartigen Antriebsanordnung ausgerüstetes Fahrzeug bei geschlossener Uberbrückungskupplung von der Brennkraftmaschine 1 mit Drehzahlen angetrieben wird, die unterhalb der Ruckelgrenze liegen, könnte durch Öffnen dieser uberbrückungskupplung und Zuschalten der elektrischen Maschine 2 im generatorischen Betrieb eine wirkungsvolle Dämpfung erreicht werden.
  • Die Ausführung nach der Figur 4 unterscheidet sich von derjenigen der Figur 3 dadurch, daß zusätzlich noch eine erste schaltbare Trennkupplung 10 zwischen der elektrischen Maschine 2 und der Eingangswelle 7 des Getriebes 5 vorgesehen ist. Diese erste Trennkupplung könnte ebenfalls als Anfahrkupplung ausgebildet sein, so daß ein Anfahren sowohl mit der elektrischen Maschine 2 als auch mit der BrennkraStmaschine 1 über diese Kupplung möglich wäre. Wenn bei dieser Anordnung das Getriebe 5 als stufenlos veränderbares Ge-Getriebe ausgebildet wäre, könnte das mit der Eingangswelle 7 des Getriebes über die Kupplung 10 verbindbare Feldteil 4 der elektrischen Maschine 2 auch als Schwungradspeicher zur zumindest kurzzeitigen mechanischen Energiespeicherung während eines Fahrzeugbremsmanöve rs herangezogen werden. Eine entsprechende Regelung des stufenlos veränderbaren Getriebes müßte dann selbstverständlich vorgesehen sein.
  • Der Vorteil einer derartigen Ausbildung würde darin bestehen, daß dann die auf diese Weise mechanisch gespeicherte kinetische Energie für die Anfahrbeschleunigung des Fahrzeugs herangezogen werden kann, so daß keine besonders hohen Spitzenströme aus der Batterie gezogen werden müssen. Darüber hinaus erfolgt die mechanische Rückspeicherung mit einem höheren Wirkungsgrad als die elektrische Rückspeicherung.
  • In der in der Figur 5 gezeigten Ausführung wird nun zusätzlich zu der in der Figur 4 gezeigten Struktur noch eine zweite schaltbare Kupplung 11 zwischen der Antriebswelle 2 der Brennkraftmaschine 1 und der elektrischen Maschine 2 vorgesehen. Die Anordnung einer solchen zweiten Kupplung ist insbesondere dann sinnvoll und zweckmäßig, wenn die Antriebswelle 6 der Brennkraftmaschine 1 im wesentlichen schwungmassenlos ausgeführt ist und folglich der mit der Antriebswelle 6 über die Kupplung 11 verbindbare Teil der elektrischen Maschine 2, hier also der innere Läuferteil 3, als Schwungmasse zum Ausgleich des Drehkraftdiagramms der vorzugsweise als Hubkolben-Maschine ausgebildeten Bæ nnkraffmaschine 1 dient. Durch das Ausrücken dieser zweiten Kupplung 11 kann dann die Antriebswelle 6 der Brennkraftmaschine 1 von ihrer Schwungmasse getrennt werden, so daß die Brennkraftmaschine 1 in vielen Fällen ohne zusätzliche Maßnahmen stillgesetzt werden kann. Dies ermöglicht einen bereits bekannten Betrieb, bei dem, insbesondere während des Schubbetriebs und im Stillstand des Fahrzeugs, der Antrieb abgeschaltet und die sowohl von der Antriebsmaschine als auch von der Antriebsachse des Fahrzeugs getrennte Schwungmasse reibungsarm weiterdrehen kann, um dann die Brennkraftmaschine 1 bei nachfolgenden Antriebszuständen wieder energiesparend anwerfen zu können.
  • Bei der hier gezeigten AusSuhru kaDn die durch den inneren Läuferteil 3 gebildete Schwungmaa'sdurch das Feldteil 4 der elektrischen Maschine 2 auch in den Fällen, in denen die Drehzahl der Schwungmasse unter ein Niveau abzusinken droht, bei der nicht mehr genügend Energie zum Abwerfen der Brennkraftmaschine 1 vorhanden ist, erneut motorisch angetrieben werden. Auf diese Weise läßt sich eine ständige Motoranwurfbereitschaft selbst bei längeren Stillstandszeiten des Fahrzeugs erreichen. Ein Anwerfen des Motors erfolgt im übrigen wegen der durch die elektrische Maschine 2 erreichbaren Dämpfung weitgehend ruckfrei.
  • Die mit 8 bezeichnete Feststellvorrichtung kann bei einer Ausführung, bei der gemäß Figur 5 die zweite Kupplung il zwischen der Antriebswelle 6 der Brennkraftmaschine 1 und dem Läuferteil 3 der elektrischen Maschine 2 angeordnet ist, auch auf der der elektrischen Maschine 2 zugewandten Seite der Kupplung 11 liegen. Hierdurch würde das innere Läuferteil 3 direkt durch eine Bremse oder einen Freilauf festgelegt werden können, was für den Antrieb des Fahrzeugs allein mit der elektrischen Maschine 2 erforderlich ist.
  • Es brauchte also nicht auch die Kupplung 11 eingerückt zu werden, wenn ein rein elektromotorischer Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen wird.
  • Die Anordnung dieser zweiten schaltbaren Kupplung ii ermöglicht es insbesondere dann, wenn die Überbrückungskupplung 9 zwischen den beiden drehbaren Teilen 3,4 der elektrischen Maschine 2 vorgesehen ist, diese beiden Teile für eine rein mechanische Speicherung der kinetischen Energie heranzuziehen, während bei Fehlen dieser Uberbrückungskupplung 9 eine Kopplung lediglich elektrisch hergestellt würde.
  • Es sei schließlich darauf hingewiesen, daß, abgesehen von den in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispielen, noch eine Vielzahl weiterer Alternativen möglich sind, in denen die einzelnen Elemente unterschiedlich miteinander kombiniert werden. So ist es beispielsweise ohne weiteres möglich, die in dem Figuren 3 bis 5 gezeigten Strukturen auch bei einer Anordnung zu treffen, bei der, wie in der Figur 2, nicht das innera Läuferteil 3 sondern das äußere Feliteil 4 mit der Antriebswelle 6 der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist.
  • Darüber hinaus lassen sich auch die erste Kupplung 10 und die zweite Kupplung 11 mit und ohne uberbrückungskupplung 9 ausführen.

Claims (10)

  1. N SP RU C RE U Eybrid-Antriebsanordnung für Fahrzeuge, insbesondere Eraftfahrzeuge, mit einer eine Antriebswelle aufweisenden Brennkraftmaschine und einer zu dieser in Reihe liegenden elektrischen Maschine, die über ein Getriebe mit einer Antriebsachse des Fahrzeugs zum getrennten oder gemeinsamen Antrieb verbindbar sind,. dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (2) aus einem drehbaren inneren Läuferteil (3) und einem drehbaren äußeren Feldteil (4) besteht, und daß eines der beiden drehbaren Teile der elektrischen Maschine mit der Eingangswelle (7) des Getriebes und das andere mit der Antriebswelle (6) der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist.
  2. 2. Rybrid-Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Feststellvorrichtungen (8, 12) zum Festhalten der jeweils einem drehbaren Teil (3, 4) der elektrischen Maschine (2) zugeordneten Wellen (6, 7) vorgesehen sind.
  3. 3. Hybrid-Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daβ eine UberbrEckungskupplung (9) zur Herstellung einer starren Verbindung zwischen den beiden drehbaren Teilen (3, 4) der elektrischen Maschine (2) vorgesehen ist.
  4. 4. Hybrid-Antriebsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die uberbrückungskupplung (9) als Anfahrkupplung ausgebildet ist.
  5. 5. Hybrid-Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste schaltbare Trennkupplung (10) zur Unterbrechung der Verbindung zwischen dem einen drehbaren Teil (4) der elektrischen Maschine (2) und der Eingangswelle (17) des Getriebes (5) vorgesehen ist.
  6. 6. Hybrid-Antriebsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste schaltbare Trennkupplung (10) als Anfahrkupplung ausgebildet ist.
  7. 7. Rybrid-Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite schaltbare Trennkupplung (11) zur Unterbrechung der Verbindung zwischen dem anderen drehbaren Teil (3) der elektrischen Maschine (2) und der Antriebswelle (6) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist.
  8. 8. Eybrid-Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (6) der Brennkraftmaschine (1) im wesentlichen schwungradlos ausgebildet ist und die zur Erreichung eines ausgeglichenen Drehkraftdiagramms erforderliche Schwungmasse durch das mit der Antriebswelle verbundene andere drehbare Teil (3) der elektrischen Maschine (2) gebildet ist.
  9. 9. Hybrid-Antriebsanordnung nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberbrückungskupplung (9) als umfangsspielfreie Kupplung zur starren Verbindung der beiden drehbaren Teile (3, 4) der elektrischen Maschine zwecks Vergrößerung der Schwungmasse der Brennkraftmaschine (1) ausgebildet ist.
  10. 10. Hybrid-Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine die elektrische Maschine (2) beaufschlagende Regelvorrichtung vorgesehen ist, die das von dieser abgegebene Drehmoment auf den gleichen Wert wie den von der Brennkraftmaschine (1) abgegebenen einstellt.
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