DE102009050956B4

DE102009050956B4 - Antriebsstrang für ein Allrad-Hybridfahrzeug mit zwei Verbrennungsmotoren sowie Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstranges

Info

Publication number: DE102009050956B4
Application number: DE102009050956.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Poschmann; Martin Roth; Klaus Bastian; Marco Fleckner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: DE102009050956A1

Abstract

Antriebsstrang für ein als Allrad zu betreibendes Hybridfahrzeug, umfassend zwei Verbrennungsmotoren (V1, V2) und zwei Elektromaschinen (E1, E2) zum wahlweisen Antrieb wenigstens eines Rades jeweils einer Achse (A1, A2) des Hybridfahrzeugs, wobei der erste Verbrennungsmotor (V1) über ein Getriebe (G) in Wirkverbindung mit einer ersten Achse (A1) mit wenigstens einem Rad steht, der zweite Verbrennungsmotor (V2) in Wirkverbindung mit der als Generator betriebenen ersten Elektromaschine (E1) steht, sowie die zweite Elektromaschine (E2) in Wirkverbindung mit einer zweiten Achse (A2) mit wenigstens einem Rad steht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Verbrennungsmotor (V1) und der ersten Elektromaschine (E1) eine erste Kupplung vorgesehen ist und wobei zwischen dem zweiten Verbrennungsmotor (V2) und der ersten Elektromaschine (E1) ausschließlich eine zweite Kupplung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug. Dabei umfasst der Antriebsstrang zwei Verbrennungsmotoren und zwei Elektromaschinen zum wahlweisen Antrieb wenigstens eines Rades des Hybridfahrzeugs, wobei der erste Verbrennungsmotor über ein Getriebe in Wirkverbindung mit einer ersten Achse mit wenigstens einem Rad steht, der zweite Verbrennungsmotor in Wirkverbindung mit der als Generator betriebenen ersten Elektromaschine steht, sowie die zweite Elektromaschine in Wirkverbindung mit einer zweiten Achse mit wenigstens einem Rad steht. Aus der DE 36 20 362 A1 ist ein Fahrzeug mit zwei Verbrennungsmotoren und drei Elektromaschinen bekannt. Dabei sind die Verbrennungsmotoren jeweils zum Antrieb einer als Generator betriebenen Elektromaschine vorgesehen, zur Erzeugung von elektrischem Strom. Der elektrische Strom wird der als Motor betriebenen dritten Elektromaschine zugeführt, um das Fahrzeug anzutreiben. Bei diesem Fahrzeug ist somit lediglich ein seriellhybridischer Betrieb möglich.
Ein weiterer Antriebsstrang mit zwei Verbrennungsmotoren und zwei Elektromaschinen wird in der US 2008 / 0 015 760 A1 offenbart. Dabei sind die beiden Verbrennungsmotoren und die beiden Elektromaschinen über Zahnräder oder Riemen miteinander verbunden. Zum Betrieb des Antriebsstrangs ist in einem ersten, niedrigen Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs nur eine als Motor betriebene Elektromaschine vorgesehen. In einem zweiten, höheren Geschwindigkeitsbereich ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Falls das Fahrzeug eine sehr hohe Leistung benötigt, ist ein gemeinsamer Betrieb beider Verbrennungsmotors vorgesehen. Für einen optimierten Betrieb des Antriebsstrangs ist also ein Verbrennungsmotor nötig, der im gesamten zweiten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs effizient zu betreiben ist, da kein Getriebe vorhanden ist. Da mithin die Verbrennungsmotoren direkt an ein Rad bzw. eine Achse des Fahrzeugs gekoppelt sind, ist im ersten Geschwindigkeitsbereich auch kein Antrieb durch einen Verbrennungsmotor möglich, womit das Fahrzeug nur eingeschränkte Einsatzbedingungen aufweist.
Einen weiteren Antriebsstrang mit zwei Verbrennungsmotoren und zwei Elektromaschinen beschreibt die JP H11 - 311 137 A . Dabei werden die beiden Verbrennungsmotoren einzeln oder gemeinsam benutzt, um das Fahrzeug anzutreiben. Aufgrund der Konstruktion ist jedoch die Leistung der Elektromaschinen stets um Verluste im zwischengeschalteten Getriebe vermindert. Zudem ist dieser Antriebsstrang im seriellen Betrieb nicht effizient zu betreiben, da einerseits die Elektromaschinen nach Drehzahl bzw. Moment auf den jeweiligen Verbrennungsmotor abgestimmt sein müssen, andererseits aber ein Verbrennungsmotor nach Drehzahl bzw. Moment auf den Antrieb des Fahrzeugs über das Getriebe abgestimmt sein muss.
Die DE 10 2007 031 605 A1 offenbart einen Antriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine und zwei Elektromaschinen, wobei die Verbrennungskraftmaschine über eine Kupplung mit der als Generator ausgebildeten Elektromaschine verbunden ist und die DE 44 44 545 A1 zeigt einen Antriebsstrang mit zwei Verbrennungskraftmaschinen und zwei Elektromaschinen, wobei zwischen einem Generator und einer Elektromaschine lediglich eine Kupplung vorgesehen ist. Darüberhinaus ist aus der US 6 306 056 B1 ein Antriebsstrang mit zwei Verbrennungskraftmaschinen und einer Elektromaschine bekannt.
Aus der DE 102 32 312 A1 ist eine gattungsgemäße Antriebsstrangausführung bekannt, mit der auch ein Allradantrieb zu realisieren ist. Hier sind die beiden Verbrennungsmotoren jedoch unter anderem zu Startzwecken des zweiten Verbrennungsmotors und zum Betreiben der ersten Elektromaschine als Generator durch den ersten Verbrennungsmotor mittels eines aufwendigen und bauraumintensiven Übertragungsgetriebes miteinander verbunden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug mit zwei Verbrennungsmotoren und zwei Elektromaschinen anzugeben, der eine gesteigerte Gesamteffizienz bei verschiedensten Einsatzbedingungen des Hybridfahrzeuges aufweist. Insbesondere soll der Antriebsstrang sowohl einen seriellhybridischen Betrieb als auch einen konventionellen, verbrennungsmotorischen Betrieb mit hoher Effizienz ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Verbrennungsmotor und der ersten Elektromaschine eine erste Kupplung vorgesehen ist und wobei zwischen dem zweiten Verbrennungsmotor und der ersten Elektromaschine ausschließlich eine zweite Kupplung angeordnet ist. Der hauptsächlich mit dieser Konstruktion erzielte Vorteil besteht darin, dass ein als Allrad zu betreibendes Hybridfahrzeug mit einem derartigen Antriebsstrang bei den verschiedensten Einsatzbedingungen mit hoher Effizienz zu betreiben ist. Insbesondere kann das Hybridfahrzeug mit hoher Effizienz konventionell verbrennungsmotorisch betrieben werden, indem der erste Verbrennungsmotor über das Getriebe die erste Achse antreibt. Zudem ist ein seriellhybridischer Betrieb bzw. ein elektrisches Fahren mit hoher Effizienz möglich, indem die als Motor betriebene zweite Elektromaschine die zweite Achse antreibt, sowie eine effiziente Rückgewinnung kinetischer Energie des Hybridfahrzeugs (Rekuperation) ermöglicht, wenn die zweite Elektromaschine als Generator betrieben wird. Diese zweite Elektromaschine ist somit speziell als effizienter Fahrmotor bzw. Generator optimierbar, insbesondere nahe der zweiten Achse anordenbar. Dabei sollen unter der Bezeichnung zweite Elektromaschine auch solche Konstruktionen verstanden werden, die anstelle einer zweiten Elektromaschine zwei oder mehr zweite Elektromaschinen aufweisen, beispielsweise eine für jedes Rad der zweiten Achse. Demgegenüber ist die erste Elektromaschine speziell als Startermotor bzw. Generator optimierbar. Auf zusätzliche Anlasser, wie auch auf ein Übertragungsgetriebe zwischen erstem und zweitem Verbrennungsmotor, kann verzichtet werden.
Zudem ermöglicht die Erfindung einen Allradantrieb für ein Hybridfahrzeug, ohne dass eine mechanische Verbindung zwischen dessen Achsen vorgesehen sein muss, insbesondere bei hohen Leistungsanforderungen.
Mit Vorteil wird vorgeschlagen, zwischen dem Getriebe und dem oder jedem Rad der ersten Achse eine Kupplung anzuordnen. Damit besteht die Möglichkeit, bei Rekuperation die durch den Betrieb der zweiten Elektromaschine als Generator gewonnene elektrische Energie zu maximieren bzw. bei elektrischer Fahrt die zum Betrieb der zweiten Elektromaschine als Motor benötigte elektrische Energie zu minimieren, da keine Verluste durch Getriebe und/oder ersten Verbrennungsmotor entstehen.
Noch flexibler einsetzbar wird der Antriebsstrang, wenn eine schaltbare mechanische Verbindung zwischen der ersten Elektromaschine und dem ersten Verbrennungsmotor vorgesehen ist. Hierzu kann beispielsweise eine Verbindungswelle mit einer ersten Kupplung vorgesehen sein. Wenn diese erste Kupplung geöffnet ist, besteht keine mechanische Verbindung zwischen erstem Verbrennungsmotor und erster Elektromaschine. Wenn die erste Kupplung geschlossen ist, ist die erste Elektromaschine drehfest mit dem ersten Verbrennungsmotor verbunden und die erste Elektromaschine kann als Generator betrieben werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Dies verbessert die Effizienz weiter, indem nun eine Versorgung des Bordnetzes möglich ist ohne den zweiten Verbrennungsmotor betreiben zu müssen, und/oder eine Lastpunktverschiebung des ersten Verbrennungsmotors ermöglicht wird. Zudem kann dann ein separater Starter für den ersten Verbrennungsmotor entfallen, da der erste Verbrennungsmotor nun durch Ansteuerung der ersten Kupplung mittels der ersten Elektromaschine gestartet werden kann. Zur weiteren Minimierung von Verlusten kann eine zweite Kupplung zwischen dem zweiten Verbrennungsmotor und der ersten Elektromaschine angeordnet sein. Falls die erste Kupplung geschlossen ist, um den ersten Verbrennungsmotor mit der zweiten Elektromaschine zu verbinden, kann der zweite Verbrennungsmotor nun abgekoppelt werden.
Zum Speichern elektrischer Energie ist vorzugsweise eine Hochvoltbatterie im Hybridfahrzeug vorgesehen. Diese Hochvoltbatterie ist elektrisch mit der ersten und zweiten Elektromaschine verbunden, um beim Generatorbetrieb einer Elektromaschine den erzeugten Strom zu speichern, bzw. beim Motorbetrieb einer Elektromaschine den benötigten Strom zu liefern.
Ein erster Betriebszustand des erfindungsgemäßen Antriebstrangs sieht vor, dass die zweite Elektromaschine als Motor betrieben wird, um das Hybridfahrzeug anzutreiben, oder als Generator, um die kinetische Energie des Hybridfahrzeugs in elektrischen Strom umzuwandeln und das Hybridfahrzeug dadurch abzubremsen. Durch die Anordnung dieser zweiten Elektromaschine nahe einer Achse des Hybridfahrzeugs ergibt sich eine hohe Effizienz bei Antrieb bzw. Energieumwandlung.
Zudem ermöglicht der Antriebsstrang einen seriellen Hybridbetrieb. Dazu wird der zweite Verbrennungsmotor zum Antrieb der als Generator betriebenen ersten Elektromaschine eingesetzt. Die zweite Elektromaschine ist zum Antrieb einer Achse des Hybridfahrzeugs vorgesehen. Somit ist der zweite Verbrennungsmotor in einem energieeffizienten Modus zum Antrieb der ersten Elektromaschine betreibbar.
Für den Fall das eine hohe Antriebsleistung für das Hybridfahrzeug benötigt wird, werden die erste, konventionell angetriebene Achse und die zweite, elektrisch angetriebene Achse im Betrieb kombiniert. Bei einem derartigen Allradbetrieb treibt der erste Verbrennungsmotor über das Getriebe die erste Achse und die zweite Elektromaschine die zweite Achse des Hybridfahrzeugs an. Zudem kann der zweite Verbrennungsmotor die als Generator betriebene erste Elektromaschine antreiben um elektrischen Strom für den Betrieb der zweiten Elektromaschine zu erzeugen.
Falls eine schaltbare mechanische Verbindung zwischen erstem Verbrennungsmotor und erster Elektromaschine vorhanden ist, kann die erste Elektromaschine zusätzlich auch zur Rekuperation genutzt werden. Wenn beispielsweise die zweite Elektromaschine, zur Rekuperation an der zweiten Achse, nahe ihrer Leistungsgrenze betrieben wird und weitere kinetische Energie des Hybridfahrzeugs rekuperierbar ist, wird die schaltbare mechanische Verbindung geschlossen. Dadurch kann weitere kinetische Energie von der ersten Achse des Hybridfahrzeugs über das Getriebe in die erste Elektromaschine geleitet und in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Dabei zeigt die einzige Fig. eine mögliche Ausprägung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.
Dabei ist ein erster Verbrennungsmotor V1 vorgesehen, der über ein Getriebe G und ein Differential eine erste Achse A1 des Hybridfahrzeugs antreibt. Das vorzugsweise wirkungsgradoptimierte Getriebe G kann beispielsweise als Automatikgetriebe ausgebildet sein. Zudem weist die erste Achse A1 jeweils zwischen dem Differential und einem Rad eine optionale Kupplung K auf. Wenn diese Kupplung K geschlossen ist, kann der Verbrennungsmotor V1 über das Getriebe G mittels des Differentials die Achse A1 mechanisch antreiben. Wenn die Kupplung K geöffnet ist, wird keine kinetische Energie des Hybridfahrzeugs in Getriebe G bzw. Verbrennungsmotor V1 eingeleitet.
Ein zweiter Verbrennungsmotor V2 steht in drehfester Verbindung mit einer erste Elektromaschine E1. Diese Elektromaschine ist beispielsweise als asynchrone Drehstrommaschine ausgebildet und wird als Generator betrieben, um elektrischen Strom zu erzeugen wenn sie vom zweiten Verbrennungsmotor V2 angetrieben wird.
Weiterhin ist eine zweite Elektromaschine E2 vorgesehen, die beispielsweise auch als asynchrone Drehstrommaschine ausgebildet und drehfest mit einer zweiten Achse A2 des Hybridfahrzeugs verbunden ist.
Des Weiteren ist ein elektrischer Speicher B vorgesehen, der z.B. als Hochvoltbatterie ausgebildet sein kann. Der elektrische Speicher B ist über entsprechende Hochvoltleitungen mit der ersten Elektromaschine E1 und der zweiten Elektromaschine E2 verbunden, wobei entsprechende Steuergeräte bzw. Leistungselektroniken der Einfachheit halber nicht dargestellt sind.
Dabei kann die Elektromaschine bei sehr hohen Leistungsanforderungen auch über das Getriebe zum Antrieb genutzt werden..

Claims

Antriebsstrang für ein als Allrad zu betreibendes Hybridfahrzeug, umfassend zwei Verbrennungsmotoren (V1, V2) und zwei Elektromaschinen (E1, E2) zum wahlweisen Antrieb wenigstens eines Rades jeweils einer Achse (A1, A2) des Hybridfahrzeugs, wobei der erste Verbrennungsmotor (V1) über ein Getriebe (G) in Wirkverbindung mit einer ersten Achse (A1) mit wenigstens einem Rad steht, der zweite Verbrennungsmotor (V2) in Wirkverbindung mit der als Generator betriebenen ersten Elektromaschine (E1) steht, sowie die zweite Elektromaschine (E2) in Wirkverbindung mit einer zweiten Achse (A2) mit wenigstens einem Rad steht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Verbrennungsmotor (V1) und der ersten Elektromaschine (E1) eine erste Kupplung vorgesehen ist und wobei zwischen dem zweiten Verbrennungsmotor (V2) und der ersten Elektromaschine (E1) ausschließlich eine zweite Kupplung angeordnet ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei zwischen Getriebe (G) und dem oder jedem Rad der ersten Achse (A1) eine Kupplung (K) angeordnet ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein mit der ersten und der zweiten Elektromaschine (E1, E2) elektrisch verbundener elektrischer Speicher (B), insbesondere eine Hochvoltbatterie, vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Elektromaschine (E2) als Motor betrieben wird, um das Hybridfahrzeug anzutreiben, oder als Generator betrieben wird, um elektrischen Strom aus kinetischer Energie des Hybridfahrzeugs zu erzeugen.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs nach Anspruch 4, wobei der zweite Verbrennungsmotor (V2) die als Generator betriebene erste Elektromaschine (E1) antreibt, und die zweite Elektromaschine (E2) als Motor das oder jedes Rad der zweiten Achse (A2) des Hybridfahrzeugs antreibt.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Allradantrieb des Hybridfahrzeugs vorgesehen ist, indem der erste Verbrennungsmotor (V1) über das Getriebe (G) das oder jedes Rad der ersten Achse (A1) und die zweite Elektromaschine (E2) als Motor das oder jedes Rad der zweiten Achse (A2) des Hybridfahrzeugs antreibt.