DE102009050957A1 - Mischhybrid - Google Patents
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Abstract
Ein Hybrid-Antriebsstrang für ein Fahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor, zwei Elektromaschinen und ein Getriebe, die mechanisch miteinander verbunden sind, um wenigstens eine Achse des Fahrzeugs anzutreiben, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) und eine erste Elektromaschine (2) auf einer Eingangswelle des Getriebes (3) und eine zweite Elektromaschine (4) auf einer Ausgangswelle (6) des Getriebes oder zur Einwirkung auf einer Achse des Fahrzeuges vorgesehen sind, wobei die maximale Leistung und/oder das maximale Drehmoment des Verbrennungsmotors wesentlich größer ist als die vom Getriebe übertragbare Leistung bzw. Drehmoment.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug, umfassend einen parallelhybriden Teilstrang und einen seriellhybriden Teilstrang.
- Antriebsstränge für Hybridfahrzeuge sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. So sind beim sogenannten Parallelhybrid ein Verbrennungsmotor und eine Elektromaschine derart angeordnet, dass sie einzeln bzw. gemeinsam Leistung bzw. Moment in den Antriebstrang einleiten können, um das Hybridfahrzeug anzutreiben. Dies ermöglicht eine Unterstützung des Verbrennungsmotors durch die Elektromaschine. Weiterhin sind sogenannte Seriellhybride bekannt, bei denen ein Verbrennungsmotor eine als Generator betriebene Elektromaschine antreibt. Der hierbei erzeugte elektrische Strom wird einem elektrischem Speicher, beispielsweise einer Batterie, zugeführt bzw. zur Versorgung einer als Motor betriebenen Elektromaschine verwendet. Dies ermöglicht einen verbrauchsoptimierten Betrieb des Verbrennungsmotors im Bestpunkt.
- Weiterhin sind Kombinationen eines seriellen Hybridantriebs mit einem parallelen Hybridantrieb bekannt. Ein derartiger kombinierter Antriebstrang ist in der gattungsbildenden
DE 10 2007 002 734 A1 dargelegt. Dabei ist ein Plantetengetriebe vorgesehen, um das Moment des Verbrennungsmotors, der zwei Elektromaschinen und des Getriebes zu koppeln. - Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen einfach aufgebauten und universell einsetzbaren Antriebstrang, als Kombination eines Seriellhybrid mit einem Parallelhybrid, vorzuschlagen. Die Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Antriebstrangs vorzuschlagen.
- Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 6 und 10.
- Die Erfindung beruht auf der allgemeinen Idee, den Antriebsstrang eines Mischhybriden mit einem Getriebe auszustatten, das zur Übertragung einer wesentlich geringeren maximalen Leistung, bzw. eines wesentlich geringeren maximalen Drehmoments, ausgelegt ist als vom Verbrennungsmotor maximal geliefert werden kann. Hierbei bedeutet wesentlich geringer beispielsweise um die Hälfte oder um ein Drittel geringer. Dazu ist der Verbrennungsmotor zusammen mit einer ersten Elektromaschine auf einer Eingangswelle des Getriebes angeordnet. Eine zweite Elektromaschine ist entweder auf der Ausgangswelle des Getriebes oder zur Einwirkung auf eine Achse des Fahrzeuges vorgesehen. Dabei sollen unter der Bezeichnung zweite Elektromaschine auch solche Konstruktionen verstanden werden, die anstelle einer Elektromaschine zwei oder mehr Elektromaschinen aufweisen.
- Ein derartiges „Getriebe-Downsizing” ermöglicht beispielsweise eine Verwendung getriebeinterner Kupplungen mit weniger Lamellen, da ein geringeres maximales Drehmoment übertragen werden muss, womit auch weniger Verluste im Getriebe anfallen. Zudem kann ein vereinfachter Aufbau des Getriebes realisiert werden, beispielsweise durch eine Reduzierung der Zahl der Gangstufen, eine Spreizung und/oder eine Stufung. So ist es etwa möglich, niedrige Gangstufen entfallen zu lassen oder Gangstufen auf unterschiedliche maximale Drehmomente hin auszulegen.
- Durch diese spezielle Anordnung ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen. Als Mischhybrid ist der Hybridantriebstrang dabei sowohl seriell-hybridisch als auch parallel-hybridisch zu betreiben. Es wird dabei nur die maximal vom Getriebe übertragbare Leistung bzw. das maximal übertragbare Drehmoment des Verbrennungsmotors zum mechanischen Antrieb wenigstens einer Achse des Fahrzeuges genutzt. Eine darüber hinausgehende Leistung des Verbrennungsmotors wird durch den Betrieb der ersten Elektromaschine als Generator in elektrischen Strom umgewandelt. In vorteilhafter Weise wird somit die Verwendung eines kleinen und leichten Getriebes, mit höherem Wirkungsgrad, möglich. Zudem können anstelle dynamiksteigernder Maßnahmen am Verbrennungsmotor, beispielsweise einer Aufladung, nun entsprechend drehmomentstarke Elektromaschinen eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sowohl eine nahe dem Verbrennungsmotor angeordnete Elektromaschine als auch eine nahe einer Achse des Fahrzeuges angeordnete Elektromaschine vorhanden sind. Dabei ist die nahe dem Verbrennungsmotor angeordnete Elektromaschine besonders geeignet für eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors. Die nahe der Achse angeordnete Elektromaschine ist besonders geeignet für elektrisches Fahren oder Rekuperation.
- Möglich ist somit eine entsprechende Dimensionierung dieser ersten, auf der Getriebeeingangswelle vorgesehenen, Elektromaschine. So kann diese ausgelegt sein, um beim Betrieb als Generator maximal diejenige Leistung bzw. Drehmoment des Verbrennungsmotors in elektrischen Strom umzuwandeln, die der Differenz zwischen der maximalen Leistung bzw. Drehmoment des Verbrennungsmotors und der maximal vom Getriebe übertragbaren Leistung bzw. Drehmoment entspricht.
- In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Getriebe eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle auf, wobei der Verbrennungsmotor und eine Elektromaschine auf der Eingangswelle und eine zweite Elektromaschine auf der Ausgangswelle des Getriebes angeordnet sind. Dies stellt eine einfache konstruktive Lösung des erfindungsgemäßen Konzepts dar. Natürlich sind auch Getriebe mit mehr als einer Eingangswelle einsetzbar. Die Verbindungen zwischen den Getriebewellen und den Elektromaschinen können auf verschiedene Art realisiert sein, etwa direkt, über Riemen, oder über Zahnräder.
- Mit Vorteil wird vorgeschlagen, zwischen Getriebe und zweiter Elektromaschine eine Kupplung, z. B. eine als Nass- oder Trockenkupplung ausgeführte Trennkupplung, anzuordnen. Durch das Öffnen dieser Kupplung wird in einfacher Weise ein seriell-hybridischer Betrieb des Antriebsstrangs möglich. In diesem Falle leitet der Verbrennungsmotor Leistung in die als Generator betriebene erste Elektromaschine ein. Der erzeugte Strom dient zur Versorgung der als Motor betriebenen zweiten Elektromaschine, bzw. wird in einem elektrischen Speicher, z. B. einer Hochvoltbatterie, gespeichert. Damit ergibt sich die Möglichkeit, einen Seriellhybrid darzustellen.
- Ein mechanischer Allradantrieb kann einfach realisiert werden, indem das Getriebe eine Zusatzwelle aufweist, zum Antrieb einer weiteren Achse des Fahrzeuges. Zusätzlich zur Ausgangswelle des Getriebes, auf der die zweite Elektromaschine angeordnet ist, kann diese Zusatzwelle nun eine weitere Achse des Fahrzeuges antreiben.
- Bevorzugt ist die Zusatzwelle, bzw. die Räder der durch die Zusatzwelle angetriebenen Achse, abkuppelbar vorgesehen. Dies ermöglicht einen rein elektrischen Antrieb des Fahrzeuges dann, wenn diese Kupplung bzw. Kupplungen geöffnet sind.
- Beim Betrieb eines derartigen Hybrid-Antriebstrangs ist bevorzugt vorgesehen, die auf der Getriebeeingangswelle vorgesehene erste Elektromaschine als Generator zu betreiben. Dies ist insbesondere bei der Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors von Vorteil, da diese erste Elektromaschine nahe dem Verbrennungsmotor angeordnet ist.
- Zum Antrieb des Fahrzeuges mit dem erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebstrang leitet der Verbrennungsmotor vorzugsweise seine Leistung bzw. Drehmoment bis zur maximal zulässigen Leistung bzw. Drehmoment des Getriebes mechanisch in dieses ein. Eine darüber hinausgehende Leistung bzw. Drehmoment des Verbrennungsmotors wird dann in die als Generator betriebene erste Elektromaschine eingeleitet und in elektrischen Strom umgewandelt. Dies ermöglicht den Einsatz leistungsfähiger Elektromotoren zusammen mit kompakt ausgeführten Getrieben.
- Bevorzugt ist vorgesehen, beim erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsstrang die zweite Elektromaschine als Motor zu betreiben. Diese zweite Elektromaschine ist achsnah vorgesehen, und somit günstig für eine elektrische Fahrt bzw. ein Boosten des Hybridfahrzeuges angeordnet.
- Eine Rekuperation mit dem erfindungsgemäßen Hybridantriebsstrang erfolgt ebenfalls bevorzugt über die zweite Elektromaschine, da diese durch ihre achsnahe Lage besonders hierfür geeignet ist.
- Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Dabei zeigen
1 bis3 drei mögliche Ausprägungen des erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebsstrangs. Dabei werden in allen drei Figuren jeweils die gleichen Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet. - Bei einer ersten Ausprägung gem.
1 ist ein Verbrennungsmotor1 vorgesehen, der auf der Eingangswelle eines Getriebes3 angeordnet ist. Das Getriebe3 kann beispielsweise als Automatikgetriebe ausgebildet sein. Ebenfalls auf der Eingangswelle des Getriebes3 ist eine erste Elektromaschine2 angeordnet. Diese Elektromaschine ist beispielsweise als asynchrone Drehstrommaschine ausgebildet, welche direkt an die Getriebeeingangswelle angebunden ist. Die maximal vom Getriebe3 übertragbare Leistung bzw. Moment, welche auf die Getriebeausgangswelle6 übertragbar ist, ist hierbei wesentlich kleiner als die maximal vom Verbrennungsmotor1 erzeugbare Leistung bzw. Moment. Dabei bedeutet wesentlich kleiner beispielsweise um die Hälfte oder um ein Drittel kleiner. Beispielsweise weist der Verbrennungsmotor1 ein Maximalmoment von 700 Nm auf, während das Getriebe3 ein maximales Moment von 400 Nm übertragen kann. In diesem Falle könnte die erste Elektromaschine2 beim Betrieb als Generator für ein Moment von etwa 300 Nm ausgelegt sein. Somit würde das maximal vom Verbrennungsmotor1 erzeugbare Moment von 700 Nm gerade der Summe aus dem maximal von der als Generator betriebenen Elektromaschine2 absorbierbarem Moment von 300 Nm, und dem vom Getriebe3 übertragbaren Moment von 400 Nm, entsprechen. - Auf der Getriebeausgangswelle
6 ist des Weiteren eine zweite Elektromaschine4 angeordnet. Optional ist zwischen der zweiten Elektromaschine4 und der Getriebeausgangswelle6 noch ein Getriebe vorgesehen. Die Getriebeausgangswelle6 erstreckt sich zu einem Differential7 , zum Antrieb einer Achse8 des Fahrzeuges. Alternativ sind zwei zweite Elektromaschinen4 an den Ausgängen des Differentials7 vorgesehen, zum Antrieb der Achse8 des Fahrzeuges, wobei ggf. wieder jeweils ein Getriebe vorgesehen ist. Zudem weist die Getriebeausgangswelle6 zwischen der zweite Elektromaschine4 und dem Getriebe3 eine optionale Kupplung9 auf. Wenn diese Kupplung9 geschlossen ist, kann der Verbrennungsmotor1 über das Getriebe3 mittels des Differentials7 die Achse8 mechanisch antreiben. Wenn die Kupplung9 geöffnet ist, steht die Achse8 mittels des Differentials7 lediglich mit der Elektromaschine4 in mechanischer Verbindung. Falls diese optionale Kupplung9 nicht vorhanden ist, wird das Getriebe3 in Neutralstellung geschaltet, damit die Achse8 lediglich mit der Elektromaschine4 in mechanischer Verbindung steht. - Des Weiteren ist ein elektrischer Speicher
5 vorgesehen, der z. B. als Hochvoltbatterie ausgebildet sein kann. Der elektrische Speicher5 ist über entsprechende Hochvoltleitungen mit der ersten Elektromaschine2 und der zweiten Elektromaschine4 verbunden, wobei entsprechende Steuergeräte bzw. Leistungselektroniken der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. - Der Antriebsstrang kann nun in konventioneller Weise durch den Verbrennungsmotor
1 angetrieben werden. Hierzu wird in diesem Beispiel maximal ein Moment von 400 Nm vom Verbrennungsmotor1 über das Getriebe3 mittels des Differentials7 an die Achse8 übertragen. - Zum Laden des elektrischen Speichers
5 und/oder zur Versorgung weiterer elektrischer Verbraucher des Fahrzeuges, wie z. B. der zweiten Elektromaschine4 , kann die erste Elektromaschine2 als Generator betrieben werden. Sodann kann die zweite Elektromaschine4 , zusätzlich zum Verbrennungsmotor1 , auch zum Antrieb der Achse8 eingesetzt werden. Ein derartiger Hochlastbetrieb teilt die maximale Leistung des Verbrennungsmotors1 in einen mechanischen Teil und in einen elektrischen Teil auf. Der mechanische Teil beträgt in diesem Fall 400 Nm und wird über das Getriebe3 in die Getriebeausgangswelle6 eingeleitet. Der elektrische Teil wird vermittels Strom aus der als Generator betriebenen ersten Elektromaschine2 und/oder dem elektrischen Speicher5 realisiert, wobei dieser Strom die als Motor betriebene zweite Elektromaschine4 versorgt. Demzufolge wird dieser elektrische Teil, entsprechend dem Moment der zweiten Elektromaschine4 , ebenfalls in die Getriebeausgangswelle6 eingeleitet. - Ein seriell-hybridischer Betrieb ist bei geöffneter Kupplung
9 , bzw. mit in Neutralstellung geschaltetem Getriebe3 , durch den Betrieb der ersten Elektromaschine2 als Generator möglich. Indem die erste Elektromaschine2 durch den Verbrennungsmotor1 angetrieben wird, erzeugt diese elektrischen Strom. Der elektrische Strom wird in dem elektrischen Speicher5 gespeichert und/oder zur Versorgung der zweiten Elektromaschine4 genutzt. Damit treibt die zweite Elektromaschine4 über das Differential7 die Achse8 an. Ein derartiger seriell-hybridischer Betrieb kann permanent oder auch intermittierend vorgesehen sein. Dies ermöglicht beispielsweise ein von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges entkoppeltes Heizen des Katalysators des Verbrennungsmotors, um die Erwärmung des Katalysators zu optimieren und so die Abgasemissionen des Verbrennungsmotors zu verbessern. - Eine Rekuperation erfolgt bevorzugt über die zweite Elektromaschine
4 . Hierbei ist der Verbrennungsmotor1 abgeschaltet und die Kupplung9 geöffnet. Wird ein noch stärkeres Abbremsen bei der Rekuperation benötigt, so kann die Kupplung9 geschlossen werden und somit kinetische Energie über die Getriebeeingangswelle6 auf die nun zusätzlich als Generator betriebene Elektromaschine2 übertragen werden. - Beim Kaltstart des Hybrid-Antriebsstrangs ist bevorzugt ein seriell-hybridischer Betrieb solange vorgesehen, bis genügend Abwärme des Verbrennungsmotors
1 verfügbar ist, um das Öl des Getriebes3 anzuwärmen. Damit ist ein verlustminimierter konventioneller Betrieb möglich wenn das Fahrzeug durch den Verbrennungsmotor1 angetrieben wird. - Bei einer zweiten Ausprägung gemäß
2 ist eine Zusatzwelle10 vom Getriebe3 zum Antrieb einer zweiten Achse8' des Fahrzeuges vorgesehen. Beim konventionellen Betrieb dieses Antriebsstrangs werden nun also sowohl die Achse8 als auch die Achse8' vom Verbrennungsmotor1 über das Getriebe3 angetrieben. Zusätzlich sind zwei Kupplungen11 vorgesehen, zum Abkoppeln der Räder der zweiten Achse8' von der Zusatzwelle10 . Bei geöffneten Kupplungen11 ist wiederum ein rein elektrisches Fahren möglich. Hierbei wird nur die Achse8 angetrieben. Alternativ ist anstelle der beiden Kupplungen11 auch eine einzelne Kupplung in der Zusatzwelle10 möglich. Die übrigen Betriebszustände sind analog zu der in1 dargelegten ersten Ausprägung. - Eine dritte Ausprägung wird in
3 dargelegt. Diese unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausprägungen dadurch, dass die zweite Elektromaschine4 nicht an der Getriebeausgangswelle6 vorgesehen ist, sondern zur Einwirkung auf eine weitere Achse8'' . Damit ist die weitere Achse8'' quasi als elektrische Achse ausgebildet. Im konventionellen Betrieb wird die Achse8 über die Getriebeausgangswelle6 vom Verbrennungsmotor1 angetrieben. Eine rein elektrisches Fahren erfolgt über den Betrieb der zweiten Elektromaschine4 als Motor, zum Antrieb der weiteren Achse8'' . Hierbei sind Kupplungen12 zur Abkupplung der Achse8 , bzw. der Räder der Achse8 , vorgesehen. Zudem kann bei abgestelltem Verbrennungsmotor1 die Achse8 nur durch die erste Elektromaschine2 angetrieben werden. - Ein seriell-hybridischer Betrieb ist beim Betrieb der ersten Elektromaschine
2 als Generator und dem gleichzeitigen Betrieb der zweiten Elektromaschine4 als Motor möglich. Auch hier kann wieder ein permanent seriell-hybridischer Betrieb oder ein intermittierend seriell-hybridischer Betrieb vorgesehen sein. Als Hochlastbetrieb ist wiederum ein Allradantrieb vorgesehen. Dabei wird die Leistung des Verbrennungsmotors1 auf einen konventionellen Anteil aufgeteilt, der mechanisch über das Getriebe3 auf die Fahrzeugachse8 geleitet wird. Zusätzlich wird ein serieller Anteil über die als Generator betriebene erste Elektromaschine2 zur Versorgung der zweiten Elektromaschine4 mit elektrischem Strom eingerichtet, ggf. auch aus dem elektrischen Speicher5 . Die Rekuperation erfolgt wiederum über die achsnahe zweite Elektromaschine4 , die als Generator betrieben wird. Auch hierbei kann zusätzlich ein Betrieb der ersten Elektromaschine2 als Generator vorgesehen sein, um die Abbremsung zu verstärken. - Zusammenfassend legt die Erfindung einen Mischhybrid mit Getriebedownsizing dar. Dabei umfasst der Antriebsstrang einen parallel-hybridischen Teilstrang und einen seriell-hybridischen Teilstrang. Das Moment bzw. die Leistung des Verbrennungsmotors wird nur bis zu dem vom Getriebe zulässigen Eingangsmoment durch den parallel hybridischen Teilstrang zum Antrieb des Fahrzeuges geleitet. Darüber hinausgehendes Moment bzw. Leistung wird seriell-hybridisch zum Antrieb des Fahrzeuges umgesetzt. Die Auslegung des Antriebstrangs erfolgt vorzugsweise derart, dass Moment bzw. Leistung des Verbrennungsmotors als die Summe der Leistung bzw. des Moments einer Elektromaschine und des Getriebes angesetzt wird. Der Mischhybrid kann auch zum elektrischen Aufladen des elektrischen Speichers am externen Speicher als so genannter Plug-In-Hybrid ausgebildet sein.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
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Claims (11)
- Hybrid-Antriebsstrang für ein Fahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor, zwei Elektromaschinen und ein Getriebe, die mechanisch miteinander verbunden sind, um wenigstens eine Achse des Fahrzeugs anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (
1 ) und eine erste Elektromaschine (2 ) auf einer Eingangswelle des Getriebes (3 ) und eine zweite Elektromaschine (4 ) auf einer Ausgangswelle (6 ) des Getriebes oder zur Einwirkung auf einer Achse des Fahrzeuges vorgesehen sind, wobei die maximale Leistung und/oder das maximale Drehmoment des Verbrennungsmotors wesentlich größer ist als die vom Getriebe übertragbare Leistung bzw. Drehmoment. - Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei das Getriebe eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle aufweist, wobei der Verbrennungsmotor und eine Elektromaschine auf der Eingangswelle und eine zweite Elektromaschine auf der Ausgangswelle des Getriebes angeordnet sind, und wobei die Ausgangswelle des Getriebes zum Antrieb einer Achse (
8 ) des Fahrzeuges vorgesehen ist. - Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 2, wobei eine Kupplung (
9 ) zwischen dem Getriebe und der zweiten Elektromaschine vorgesehen ist. - Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 3, wobei das Getriebe eine Zusatzwelle (
10 ) aufweist, zum Antrieb einer weiteren Achse (8' ) des Fahrzeuges. - Hybrid-Antriebsstrang nach Anspruch 4, wobei die Zusatzwelle, bzw. die Räder der durch die Zusatzwelle angetriebenen weiteren Achse, abkuppelbar vorgesehen sind.
- Verfahren zum Betrieb eines Hybrid-Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Elektromaschine als Generator betrieben wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Leistung des Verbrennungsmotors bis zur vom Getriebe übertragbaren Leistung in dieses eingeleitet wird, und eine darüber hinaus gehende Leistung des Verbrennungsmotors in die als Generator betriebene erste Elektromaschine eingeleitet wird.
- Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die zweite Elektromaschine als Motor betrieben wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Kupplung zur Abkupplung des Getriebes von der angetriebenen Achse vorgesehen ist, und wobei der Verbrennungsmotor bei geöffneter Kupplung nur die als Generator betriebene erste Elektromaschine antreibt.
- Verfahren zur Rekuperation für einen Hybrid-Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite Elektromaschine als Generator betrieben wird.
- Verfahren zum Kaltstart für einen Hybrid-Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein seriell-hybridischer Betrieb solange vorgesehen ist, bis genügend Abwärme des Verbrennungsmotors verfügbar ist, um das Öl des Getriebes anzuwärmen.
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