DE4431929C1 - Hybrid-Antriebssystem für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Hybrid-Antriebssystem für Kraftfahrzeuge

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DE4431929C1
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Wolf Dr Ing Boll
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Boll Wolf Dr De
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Daimler Benz AG
Mercedes Benz AG
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hybrid-Antriebssystem für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der AT-PS 245 947 ist bereits ein Hybrid-Antriebssystem für Kraftfahrzeuge der gattungsgemäßen Art bekannt, das eine Brenn­ kraftmaschine, einen Elektromotor und ein Schwungrad umfaßt, wo­ bei das Hybrid-Antriebssystem quer zur Fahrtrichtung und im Be­ reich einer Antriebsachse des Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und die Antriebswelle des Elektromotors ist über eine Schaltkupplung und ein Wechsel­ getriebe nebst Zwischenwelle mit der Antriebsachse des Kraft­ fahrzeuges wahlweise verbindbar. Der Elektromotor ist auf der Zwischenwelle angeordnet und ist von der Brennkraftmaschine mit­ tels Umschaltung des Schaltgetriebes auch als Generator zum Auf­ laden einer Batterie betreibbar.
Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Druck­ schriften DE-Z "Mobil, Ausg. März 1994, S. 8 u.g.", DE-PS 6 93 234 und DE 32 30 121 A1 verwiesen.
Ein Nachteil von Hybrid-Antriebssystemen der gattungsgemäßen Art ist ein baulich aufwendiges Wechselgetriebe mit zwei Zwischen­ wellen zur Realisierung der Antriebsverbindung zwischen An­ triebswelle des Wechselgetriebes und Antriebsachse des Kraft­ fahrzeuges und zur Realisierung des Betriebes des Elektromotors als Generator. Das aufwendige Wechselgetriebe und die zur Dar­ stellung der Übersetzung von der Antriebswelle des Wechselge­ triebes zur Antriebsachse des Kraftfahrzeuges nötigen zwei Zwi­ schenwellen sind besonders für Hybrid-Antriebssysteme von Klein­ kraftfahrzeugen nicht geeignet, da bei einer erwünschten Placie­ rung des Hybrid-Antriebssystems oberhalb der Antriebsachse zwi­ schen den angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeuges die Bauhöhe derartiger Antriebssysteme zu groß ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Hybrid-Antriebssystem möglichst einfach, kompakt und mit niede­ rer Bauhöhe derart auszubilden, daß dieses auch in Kleinkraft­ fahrzeugen oberhalb und quer zur Antriebsachse leicht placierbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebssystems liegt darin, daß durch den separat vom Elektromotor ausgebildeten Ge­ nerator und dessen Anordnung auf der Kurbelwelle nun die Mög­ lichkeit besteht, das Getriebe wesentlich einfacher als im gat­ tungsgemäßen Stand der Technik zu gestalten, da die Getriebestu­ fen für den Generatorbetrieb des Elektromotors entfallen, wo­ durch insgesamt eine kompaktere Bauweise und eine Verringerung der Bauhöhe des Hybrid-Antriebssystems erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Bauweise liegt darin, daß sowohl die Brennkraftmaschine als auch der Elektromotor bei der jeweils optimalen Auslegungsdrehzahl betrieben werden können und daß das erfindungsgemäße Hybrid-Antriebssystem dennoch mit einem Minimum an Zahneingriffen und Lagerstellen auskommt.
Ein Vorteil für den Gesamtentwurf des Fahrzeuges ergibt sich da­ durch, daß als Basisfahrzeug von einem verbrennungsmotorsich be­ triebenen Fahrzeug ausgegangen werden kann, bei dem lediglich eine bereits vorhandene Reserveradmulde durch einen Batterietrog ersetzt wird.
In der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ist zwischen Antriebswelle des Elektromotors und Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein nichtschaltbares, wahlweise kuppelbares Getriebe mit einer einzigen Zwischenwelle zur Kraftübertragung auf die Antriebsachse des Kraftfahrzeuges angeordnet, wodurch ebenfalls eine wesentliche Reduzierung der Bauhöhe erreichbar ist.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 stellt eine Gesamtantriebsübersetzung eines "langen Fahrganges" (also etwa eines 4. oder 5. Ganges) dar, weshalb der Achsabstand zwischen Antriebsachse des Kraftfahrzeuges und Zwischenwelle oh­ ne eine zweite Zwischenwelle oder ein zusätzliches Über­ brückungszahnrad darstellbar ist.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist eine bevor­ zugte Bauausführung des Hybrid-Antriebssystems.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach den Ansprü­ chen 5 und 6 liegt darin, daß das gesamte Hybrid-Antriebssystem vormontierbar ist und als komplette Baueinheit am Kraftfahrzeug befestigt werden kann.
Ein Vorteil der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 er­ gibt sich dadurch, daß mit der zusätzlich zum Generator angeord­ neten Batterie ein Betrieb des Kraftfahrzeuges im Zero-Emission- Betrieb bzw. das bei Bremsvorgängen eine rekuperative Energie­ speicherung möglich ist.
Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 ist eine Verbesserung der Anfahrsteigfähigkeit des Kraftfahrzeuges er­ reichbar, indem zwischen dem Antriebsritzel und dem weiteren Zahnrad auf der Zwischenwelle ein Reduktionsgetriebe, beispiels­ weise ein Planetengetriebe, angeordnet ist. Das Reduktionsge­ triebe wird nur im Sonderfall aktiviert und erzeugt im Normalbe­ trieb keine Dauerverluste.
Sofern die Abmessungen der Brennkraftmaschine ein dichtes Vor­ beiführen der Antriebsachse nicht zulassen, kann zwischen dem Antriebsritzel und dem auf der Antriebsachse befindlichen Zahn­ rad ein Überbrückungszahnrad zwischengefügt werden mit der Kon­ sequenz, daß aus Drehrichtungsgründen der Antriebsblock rechts- links gewendet werden muß.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Sie zeigt ein schematisch dargestelltes Hybrid-Antriebssystem 1 für ein nicht dargestelltes Kraftfahr­ zeug mit einer Brennkraftmaschine 2, einem Elektromotor 3 und einem Schwungrad 12, das auf einer Kurbelwelle 11 der Brenn­ kraftmaschine 2 angeordnet ist. Das Hybrid-Antriebssystem 1 ist quer zur Fahrtrichtung und im Bereich einer Antriebsachse 6 des Kraftfahrzeuges angeordnet.
Eine Antriebswelle 7 des Elektromotors 3 ist mit der Antriebs­ achse 6 des Kraftfahrzeuges über ein Getriebe 9 permanent ver­ bunden. Die Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine 2 und die An­ triebswelle 7 des Elektromotors 3 sind über eine Schaltkupplung 8 und das Getriebe 9 nebst Zwischenwelle 10 wahlweise verbind­ bar.
Ein vom Elektromotor 3 baulich getrennter Generator 4 ist im ge­ zeigten Beispiel neben dem Schwungrad 12 direkt auf der Kurbel­ welle 11 angeordnet, wobei ein Teil der Kurbelwelle 11 gleich­ zeitig als Generatorwelle 5 dient. Der Generator 4 kann aber auch auf der mit der Kurbelwelle 11 kuppelbaren Zwischenwelle 10 angeordnet sein. In einer bevorzugten Bauausführung sind das Schwungrad 12 und Generator 4, die beide auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 2 angeordnet sind, zu einer Baueinheit zusam­ mengefaßt.
Das Getriebe 9 ist nicht schaltbar ausgeführt und besitzt nur die mit der Schaltkupplung 8 wahlweise kuppelbare Zwischenwelle 10. Diese ist in Verlängerung der Drehachse der Kurbelwelle 11 ange­ ordnet und ist mit dieser durch die Schaltkupplung 8 verbunden, wobei die Schaltkupplung 8 beispielsweise als Reibkupplung oder auch als Klauenkupplung ausgebildet sein kann. Auf der Zwischen­ welle ist ein Antriebsritzel 13 und ein weiteres Zahnrad 14 an­ geordnet, wobei das Antriebsritzel 13 direkt mit einem auf der Antriebsachse 6 des Kraftfahrzeuges sitzenden Zahnrad 15 und das weitere Zahnrad 14 mit einem Ritzel 16 der Antriebswelle 7 des Elektromotors 3 verbunden ist.
Die Antriebsachse 6 des Kraftfahrzeuges ist in üblicher, nicht näher dargestellter Weise im Kraftfahrzeug gelagert und umfaßt einen mittleren Achsabschnitt 6a und zwei Achsschenkel 6b und 6c. Auf dem Achsabschnitt 6a sitzt das einem Ausgleichsgetriebe 18 zugeordnete Zahnrad 15. Der Achsenabschnitt 6a verbindet mit­ tels Gelenken 19 und 20 die zwei Achsschenkel 6b und 6c der An­ triebsachse 6, die wiederum durch Gelenke 21 und 22 mit den an­ getriebenen Rädern 23 und 24 des Kraftfahrzeuges verbunden sind.
Das Hybrid-Antriebssystem ist modular aufgebaut. Der Elektromo­ tor 3 und die Brennkraftmaschine 2 sind an einem Getriebegehäuse 17 anflanschbar.
Die Übersetzung i zwischen Antriebsritzel 13 der Zwischenwelle 10 und dem Zahnrad 15 auf der Antriebsachse 6 des Kraftfahrzeu­ ges beträgt 3-5. Somit ist für Brennkraftmaschinen von Hybrid- Antriebssystemen für Kleinkraftfahrzeuge, je nach geforderter Bodenfreiheit und dem durch diese Forderung begrenzten Durchmes­ ser des Zahnrades 15 ein Achsabstand a zwischen Antriebsachse 6 des Kraftfahrzeuges und Zwischenwelle 10 von ca. 100-150 mm problemlos ohne eine zweite Zwischenwelle oder durch ein Über­ brückungszahnrad darstellbar.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann zum Betreiben des Kraftfahrzeuges im Zero-Emission-Betrieb und zur rekuperati­ ven Energiespeicherung bei Bremsvorgängen zusätzlich zum Elek­ tromotor 3 und dem Generator 4 eine nicht dargestellte Batterie angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Brenn­ kraftmaschine 2, der Elektromotor 3 und das Getriebe 9 nebst Schwungrad 12 und Generator 4 zu einer Baueinheit zusammengefaßt und durch ein Gehäuse miteinander verbunden.
Des weiteren kann der Elektromotor statt in der dargestellten La­ ge auch in anderer Lage montiert sein, also vor, oberhalb oder winkelig zur Brennkraftmaschine. Bei einer Bauweise gemäß Dar­ stellung ist darauf zu achten, daß das Rad beim Lenkungsaus­ schlag vor und hinter dem Elektromotor schwenkt. Je nach zur Verfügung stehendem Bauraum ist die Schaltkupplung 8, der Gene­ rator 4 und das Schwungrad 12 auch rechts neben dem Zahnrad 14 placierbar, wobei die Zwischenwelle 10 dann als Hohlwelle ausge­ führt ist.
Im folgenden werden Funktionsweise und Betriebsarten des erfin­ dungsgemäßen Hybrid-Antriebssystems beschrieben. Die Unterein­ heit Brennkraftmaschine 2 nebst Generator 4 liefert den Strom, der im Betriebseinsatz eines herkömmlichen Serienhybriden (geöffnete Schaltkupplung 8) über einen nicht dargestellten Um­ richter an die Batterie und über einen weiteren Umrichter an den Elektromotor 3 weitergeleitet wird. Der Fahrbetrieb beim Serien­ hybriden erfolgt über den Elektromotor 3, der über das Getriebe 9 eine Antriebsverbindung zur Antriebsachse 6 besitzt.
In der erfindungsgemäßen Anordnung des Hybrid-Antriebssystems 1 treibt bei eingekuppelter Schaltkupplung 8 die Brennkraftmaschi­ ne 2 über die Schaltkupplung S die Zwischenwelle 10 des Getrie­ bes 9 an. Hierbei stellt die Zahnradpaarung 13-15 eine Gesamtan­ triebsübersetzung i (Schaltgetriebeübersetzung mit Achsüberset­ zung) eines "langen Fahrganges", also z. B. eines 4. oder 5. Gan­ ges, eines herkömmlichen Fahrzeuges dar. Durch diese Gesamtan­ triebsübersetzung (i = 3-5) ist es möglich, daß der Achsab­ stand a ohne zusätzliches Überbrückungszahnrad zwischen der Zwi­ schenwelle 10 und der Antriebsachse 6 darstellbar ist.
Bei einer Bauausführung mit Batterie kann das Hybrid-Antriebssy­ stem 1 auch als Zero-Emission-Fahrzeug mit reinem Elektroantrieb betrieben werden. Die Nachladung der Batterie erfolgt über die Steckdose oder im Fahrbetrieb über den Generator 4.
Bei höherem Fahrleistungsbedarf oder auf längeren Strecken kann die Brennkraftmaschine 2 kontinuierlich oder intermittierend zur Stromerzeugung zugeschaltet werden. Oberhalb von Fahrgeschwin­ digkeiten, die einer Durchkupplungsdrehzahl von z. B. 1800 1/min an der Kurbelwelle 11 entsprechen, wird die Kupplung vorzugs­ weise geschlossen, damit die Brennkraftmaschine 2 die Antriebs­ achse 6 direkt antreiben kann. Da die elektrischen Komponenten, insbesondere der Elektromotor 3 und der Generator 4, mittels de­ ren Steuerelektronik freischaltbar sind (keine nennenswerte elektrische und magnetische Verlustleistung beim Mitlaufen), er­ folgt der Antrieb hier unter Umgehung der Verluste vom Generator 4, dem Elektromotor 3, der beiden nicht dargestellten Wechsel­ richter (Umrichter) und ggf. Be- und Entladungsverlusten der Batterie. Bei höherem Fahrleistungsbedarf ist auch eine Be­ triebsweise der Brennkraftmaschine 2 abseits des optimalen Ver­ brauchspunktes noch lohnend, solange die Wirkungsgradeinbußen der Brennkraftmaschine 2 die der elektrischen Antriebskette nicht übersteigen.
Solange die Brennkraftmaschine 2 im durchgekuppelten langen Gang (Zahnradpaar 13-15) nicht stark genug ist, Steigungen zu über­ winden, kann sie der Elektromotor 3 unterstützen. Die entnommene Betterieladung kann bei einer anschließenden Talfahrt vom Gene­ rator 4 nachgespeist werden.
Sofern bei Bergfahrt und voller Zuladung und z. B. niederer Fahr­ geschwindigkeit die Motorleistung im durchgekuppelten Zustand nicht ausreicht, kann eine überwachende Steuereinheit die Schaltkupplung 8 automatisch öffnen und den Vortrieb wegen des günstigen Drehmomentverlauf s des Elektromotors 3 (maximales Drehmoment bei Drehzahl n = 0 bis ca. 1/3 nmax; mit nmax = maxi­ male Drehzahl des Elektromotors) von diesem durchführen lassen.
Die Brennkraftmaschine 2 kann zwecks Leistungssteigerung auf ei­ ne höhere Drehzahl gebracht werden.
Im niederen und mittleren Geschwindigkeitsbereich liegt das Drehmoment des Elektromotors 3 (z. B. frequenzgesteuerter Asyn­ chronmotor) so hoch, daß es für Beschleunigungsvorgänge und Steigungen ausreicht. Erst bei höheren Geschwindigkeiten (Drehzahlen) fällt dessen Drehmoment ab. Aus der Kombination der Drehmomentcharakteristik des Elektromotors 3 und jener der Brennkraftmaschine 2 ergibt sich ein wesentlicher Auslegungsvor­ teil des erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebssystems 1, denn der Elektromotor 3 muß nicht für höhere Geschwindigkeiten ausgelegt werden. Die Dauerhöchstgeschwindigkeit wird ausschließlich von der Brennkraftmaschine 2 aufgebracht und nur bei kurzzeitiger Geschwindigkeit über Dauerhöchstgeschwindigkeit oder bei Stei­ gungen wird der Elektromotor 3 zugeschaltet.
Somit können die elektrischen Antriebskomponenten (Elektromotor 3, Generator 4 und die nicht dargestellten Umrichter) relativ klein ausgelegt werden. Lediglich die Anfahrsteigfähigkeit muß alleine mit dem Elektromotor bewältigt werden können und zwar in beiden Fahrtrichtungen, da in der beschriebenen einfachsten Aus­ führung des Hybrid-Antriebssystems 1 eine Rückwärtsfahrt nur elektromotorisch (bei ausgekuppelter Brennkraftmaschine 2) mög­ lich ist.
Zur Vergrößerung der Anfahrsteigfähigkeit kann in einer weiteren Ausführung der Erfindung ein Reduktionsgetriebe (z. B. Planeten­ getriebe) zwischen den Zahnrädern 13 und 14 auf der Zwischen­ welle 10 implementiert werden, das nur im Sonderfall aktiviert wird und im Normalfall keine Dauerverluste erzeugt.
Ferner kann in einer besonderen Ausführungsform die Brennkraft­ maschine 2 einschließlich Schaltkupplung 8 über einen Schnell­ verschluß abkoppelbar und demontierbar gestaltet sein, sofern das Fahrzeug vorwiegend als Elektrofahrzeug genutzt wird (sogenannter range extender).
Des weiteren kann auch der Elektromotor 3 nebst Elektronik und Batterie schnellabkoppelbar gestaltet sein, sofern das Fahrzeug vorwiegend mit der Brennkraftmaschine 2 betrieben werden soll.

Claims (11)

1. Hybrid-Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, das mindestens eine Brennkraftmaschine, einen Elektromotor und einen Generator um­ faßt, wobei das Hybrid-Antriebssystem quer zur Fahrtrichtung und im Bereich einer Antriebsachse des Kraftfahrzeuges angeordnet ist und wobei die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über eine Schaltkupplung und ein Getriebe nebst Zwischenwelle mit der An­ triebsachse des Kraftfahrzeuges wahlweise verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Antriebswelle (7) des Elektromotors (3) mit der An­ triebsachse (6) des Kraftfahrzeuges über das Getriebe (9) perma­ nent verbunden ist und der Generator (4) vom Elektromotor (3) baulich getrennt auf der Kurbelwelle (11) angeordnet ist.
2. Hybrid-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (9) nichtschaltbar ist und nur eine wahlweise kuppelbare Zwischenwelle (10) mit einem Antriebsritzel (13) und einem weiteren Zahnrad (14) aufweist, wobei das Antriebsritzel (13) direkt oder mittelbar mit einem auf der Antriebsachse (6) des Kraftfahrzeuges sitzenden Zahnrad (15) verbunden ist und das weitere Zahnrad (14) mit einem Ritzel (16) der Antriebswelle (7) des Elektromotors (3) verbunden ist.
3. Hybrid-Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzung (i) zwischen Antriebsritzel (13) der Zwi­ schenwelle (10) und dem Zahnrad (15) auf der Antriebsachse (6) des Kraftfahrzeuges 3-5 beträgt.
4. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwelle (10) in Verlängerung der Drehachse der Kurbelwelle (11) angeordnet ist und mit dieser durch die Schalt­ kupplung (8) verbunden ist.
5. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (3) und die Brennkraftmaschine (2) an einem Getriebegehäuse (17) anflanschbar sind.
6. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (2), der Elektromotor (3), das Ge­ triebe (9) nebst Schwungrad (12) und Generator (4) zu einer Bau­ einheit zusammengefaßt und durch ein Gehäuse miteinander verbun­ den sind.
7. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betreiben des Kraftfahrzeuges im Zero-Emission-Betrieb, zur rekuperativen Energiespeicherung bei Bremsvorgängen, zum Beschleunigungen und zur Bergfahrt zusätzlich zum Elektromotor (3) und dem Generator (4) eine Batterie angeordnet ist.
8. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Anfahrsteigfähigkeit des Kraftfahrzeu­ ges zwischen dem Antriebsritzel (13) und dem weiteren Zahnrad (14) ein Reduktionsgetriebe angeordnet ist.
9. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkupplung (8), der Generator (4) und das Schwungrad (12) rechts neben dem Zahnrad (14) placiert und die Zwischen­ welle (10) als Hohlwelle ausgebildet ist.
10. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur vorwiegenden Nutzung des Fahrzeuges als Elektrofahrzeug die Brennkraftmaschine (2) einschließlich der Schaltkupplung (8) über einen Schnellverschluß abkoppelbar und demontierbar ist.
11. Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum vorwiegenden Betrieb des Fahrzeuges mit der Brennkraft­ maschine (2) der Elektromotor (3) nebst Elektronik und Batterie schnellabkoppelbar ist.
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