DE19747265A1

DE19747265A1 - Hybridfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges

Info

Publication number: DE19747265A1
Application number: DE19747265A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Lutz
Original assignee: Mannesmann Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1997-10-25
Filing date: 1997-10-25
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2017-10-26
Also published as: US20010044682A1; DE19747265B4; US6249723B1; US6370451B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit Hybridantrieb, bei dem die von einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor zur Ver fügung gestellte Antriebskraft über ein Getriebe mit einer Ge triebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle in den An triebsstrang leitbar ist, wobei der Verbrennungsmotor und der Elektromotor über eine Kupplung miteinander verbindbar sind, der Elektromotor unmittelbar mit dem Getriebe in Verbindung steht und ein durch den Verbrennungsmotor aufladbarer elektrischer Energiespeicher vorgesehen ist. Außerdem wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeuges mit einem satellitengesteuerten Navigationssystem vorgestellt.

Ein eingangs erläutertes Hybridfahrzeug ist beispielsweise be kannt aus der DE 43 23 601 A1. Aus der DE 29 43 554 ist ein Hy bridfahrzeug bekannt, das ausschließlich mit dem Elektromotor angefahren wird und dessen Verbrennungsmotor erst nach Erreichen einer Mindestdrehzahl unter Einsatz der rotierenden Massen zwi schen zwei Trennkupplungen gespeicherter kinetischer Energie angeworfen wird und dann sehr schnell auf die Drehzahl der Elek tromaschine beschleunigt. Bei ansteigender Fahrbahn und/oder bei Beschleunigungsfahrt wird der Elektromotor in bekannter Weise als gleichzeitig wirkende Antriebsmaschine und auf Gefälle strecken und/oder bei Verzögerungsphasen generatorisch zur Spei sung des Energiespeichers betrieben.

Die DE 44 22 636 A1 offenbart ein Verfahren zur automatischen Steuerung eines Verbrennungsmotors in Hybridfahrzeugen. Dabei wird in Abhängigkeit vom Fahrzustand in einer ersten Betriebs weise Leistung durch den Verbrennungsmotor höchstens bei Errei chen eines vorgegebenen Mindestwertes eines der Fahrzeugge schwindigkeit proportionalen Betriebsparameters bereitgestellt. In einer zweiten Betriebsweise wird Leistung durch den Verbren nungsmotor bereitgestellt, wenn eine Gesamtleistung oberhalb einer Kurzzeit-Leistungsgrenze angefordert wird, und in einer dritten Betriebsweise Leistung durch den Verbrennungsmotor um eine vorgegebene Zeitspanne verzögert bereitgestellt, wenn eine Gesamtleistung oberhalb einer Dauer-Leistungsgrenze und unter halb einer Kurzzeit-Leistungsgrenze angefordert wird, und/oder in einer vierten Betriebsweise, wenn der Ladezustand des elek trischen Energiespeichers auf eine untere Grenze abgesunken ist, wird Leistung durch den Verbrennungsmotor solange bereitge stellt, bis eine obere Grenze des Ladezustands wieder erreicht ist. Der Verbrennungsmotor wird dann zugeschaltet, wenn die zur Verfügung stehende Leistung des Elektromotors nicht mehr aus reicht. Als Dauer-Leistungsgrenze wird in dieser Druckschrift die Leistung definiert, die von dem elektrischen Energiespeicher permanent abgebbar ist.

Die DE 195 23 985 A1 beschreibt eine Steuervorrichtung für ein Hybridfahrzeug. In dieser Steuervorrichtung wird Energie, die durch den Antriebsmotor erzeugt wird, an einen Motor/Generator über einen Generatorwechselrichter angelegt, so daß der Motor/Gene rator den Verbrennungsmotor antreibt, um an diesen eine Bremskraft anzulegen. Auf diese Weise kann Energie, die während des Nutzbremsens erzeugt wird und durch eine gesättigte Batterie nicht aufgenommen werden kann (Bergabfahrt) verwendet werden, um das Bremsen des Fahrzeugs zu unterstützen.

Alle bekannten Hybridfahrzeuge benötigen für die Antriebseinheit durch die Hintereinanderschaltung von Verbrennungsmotor und Elektromotor mit der dazwischenliegenden Kupplung und dem sich an den Elektromotor anschließenden Getriebe einen entsprechend hohen Platz. Dieser durch den parallelen Hybrid benötigte zu sätzliche Platzbedarf muß so klein wie möglich sein. Für den Einbau in heutige Fahrzeuge ist eine Verlängerung gegenüber der konventionellen Antriebseinheit von höchstens 30 mm zulässig. Ansonsten müßte der Aufbau des Fahrzeugs verändert werden, was bei einer geringen Stückzahl von Hybridfahrzeugen zu einer er heblichen Verteuerung führen würde.

Von dieser Problemstellung ausgehend soll ein eingangs erläuter tes Hybridfahrzeug verbessert werden.

Zur Problemlösung zeichnet sich das gattungsgemäße Fahrzeug da durch aus, daß das vom Elektromotor zur Verfügung stellbare Drehmoment größer ist als das von dem Verbrennungsmotor, die Getriebeeingangswelle immer in dieselbe Richtung dreht wie die Getriebeausgangswelle und eine Rückwärtsfahrt ausschließlich über den Elektromotor möglich ist.

Anstelle von drehmomentschwachen Motoren, wird also ein Elektro motor mit einem gegenüber dem Verbrennungsmotor wesentlich höhe ren Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen eingesetzt. Der dazu benötigte axiale Bauraum wird durch Einsparung am Getriebe wie der ausgeglichen, in dem der Rückwärtsgang entfällt. Mit dem Elektromotor ist man in der Lage, im heutigen zweiten Gang anzu fahren. Durch den Entfall des Rückwärtsganges wird der axiale Bauraum des Getriebes reduziert. Durch den Fortfall eines her kömmlichen ersten Ganges erfolgt eine weitere Reduzierung. Das hohe Drehmoment des Elektromotors, der vorzugsweise ein Außen läufermotor ist, kann zum Bremsen ausgenutzt werden.

Beide Motoren sind vorzugsweise in Reihe schaltbar, wenn tempo rär eine größere Antriebskraft notwendig ist, als von dem das Fahrzeug gerade antreibenden Motor zur Verfügung gestellt werden kann.

Vorzugsweise wird das Abbremsen durch Umschalten des Elektromo tors in den Generatorbetriebes bewirkt und die Bremsenergie vom elektrischen Speicher dann aufgenommen.

Wenn das Fahrzeug mit einem satellitengesteuerten Navigations system (GPS) ausgerüstet ist, kann der Betrieb vorausplanend gesteuert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Naviga tionssystem oder der mit diesem im Fahrzeug angeordnete Rechner mit Höhendaten aller oder einiger möglicher Fahrstrecken inner halb eines vorgegebenen Gebiets versehen ist.

Ein Verfahren zum Betreiben des zuvor beschriebenen erfindungs gemäßen Fahrzeugs mit GPS zeichnet sich durch folgende Schritte aus:

- Eingabe der aktuellen Zustandsparameter des Fahrzeugs, insbesondere des Kraftstoffsvorrats, Ladungsgrad des elektrischen Energiespeichers und der Zuladung, in einen mit dem Navigationssystem in Verbindung stehen den Rechner,
- Eingabe des gewünschten Fahrziels in den Rechner,
- Errechnen der voraussichtlichen Fahrzeit unter Berück sichtigung der Topographie der Fahrstrecke und der gleichmäßigen Auslastung beider Motoren, und Anzeigen der errechneten Fahrzeit auf einem Display,
- Vergleich der voraussichtlichen Fahrzeit mit der vom Fahrer vorgegebenen Fahrzeit,
- Anpassung der Auslastung jedes Motors an die Fahr strecke zur Realisierung der gewünschten Fahrzeit vor Antritt der Fahrt und
- Vorgabe der Ladezyklen für den Energiespeicher durch den Verbrennungsmotor unter Ausschluß der Zeiten wäh rend einer Bergfahrt des Fahrzeugs.

Bei der Auslegung des Hybridfahrzeuges geht man davon aus, daß von der Gesamtmenge des Kraftstoffeinsatzes (beispielsweise 4,6 Liter/100 km, bei einem Fahrzeuggewicht von 1 t und 500 kg maxi maler Zulast), der Verbrennungsmotor ca. 30% mechanische Leistung und 70% Abwärme liefert. Von der mechanischen Leistung sind 1/5 absolut für die Reibung, Geschwindigkeit und Beschleu nigung, ca. 1/10 für den Nebenabtrieb. Von der Abwärme gehen 40% als Wärme im Kühlkreislauf verloren und müssen abgeführt werden. Davon sind wiederum 10% nutzbar für die Heizung und 30% werden im Abgas abgeführt. Das heißt der Verlust beträgt insgesamt 60%. Bei einem Hybridfahrzeug kann dieser Verlust halbiert werden. Ebenso der Verlust von 10% für die Beschleunigung. Durch eine rekuperative Anordnung können 50% der Energie gewonnen werden, so daß ein Hybridfahrzeug insgesamt etwa 35% Energie einspart. Das Ziel der Hybridfahrzeuge ist es, anstatt 4,6 Liter nur noch 3 Liter pro 100 km zu verbrauchen.

Um eine Energieeinsparung des Hybridfahrzeugs bei gleichem Ge samtgewicht wie ein vergleichbares konventionelles Fahrzeug zu erreichen, sollte beispielsweise ein elektrischer Turbolader, der den Verbrennungsmotor aufladen kann, eingesetzt werden. Auch elektrische Nebenabtriebe sollten so konstruiert sein, daß sie den Verbrennungsmotor zumindest zeitweise entlasten. Anstatt einer Langzeitbatterie ist anzustreben eine Brennstoffzelle vor zusehen.

Mit Hilfe einer Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Er findung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 die schematische Anordnung eines Hybridantriebs und der notwendigen Steuerelementen;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Auslegung eines Hybridantriebes;

Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Steuerung des Fahrzeugbetriebs.

Der Hybridantrieb besteht im wesentlichen aus dem Verbrennungs motor 1, der nur eine mittlere Leistung besitzt, dem hieran an geschlossenen Elektromotor 3, der über eine Kupplung 2 mit dem Verbrennungsmotor 1 verbunden ist und dem an den Elektromotor 3 angeflanschten Getriebe 5 mit der Getriebeeingangswelle 4 und der Getriebeausgangswelle 8. Über eine Batterie 7 mit geringer Arbeit und hoher Leistung wird der Elektromotor 3 unter Zwischenschaltung der Leistungselektronik 13 angetrieben. Ein Fahrzeugrechner 10 steuert über die Motorelektronik 14 den Ver brennungsmotor 1, den Elektromotor 3 und steht mit der Batterie 7 und dem Fahrpedal 11 bzw. dem Bremspedal 12 in Verbindung. Über die Getriebsteuerung 8, die ebenfalls mit dem Rechner 10 verbunden ist, wird das Getriebe 5 gesteuert. Ein satellitenge steuertes Navigationssystem N steht ebenfalls mit dem Rechner 10 in Verbindung. Der GPS-Empfänger 9 empfängt die Signale von den in einer Erdumlaufbahn befindlichen Satelliten S und leitet die se an das Navigationssystem N weiter, in dem Straßenkarten be liebigen Umfangs (deutschlandweit, europaweit, weltweit) gespei chert sind. Das Navigationssystem N oder der mit diesem verbun dene Fahrzeugrechner 10 ist mit Daten der Topographie, also mit Angaben zur Höhe der in ihm gespeicherten Straßenkarten verse hen.

Der Verbrennungsmotor 1 ist nur für die Dauerleistung und nicht für die Spitzenleistung des Fahrzeugs ausgelegt. Der elektrische Energiespeicher 7 ist für eine hohe Leistung ausgelegt, jedoch mit einer sehr kleinen Energie, zum Beispiel nur 1/5 der heute üblichen Energie. Das Gewicht beträgt etwa 60 kg. Der Elektromo tor 3 wird in einer Bauart gewählt, die ein sehr hohes Leistungsgewicht aufweist. Dazu ist er vorzugsweise in Außenläu ferbauart ausgeführt, mit einer Leistung in der Größenordnung des Verbrennungsmotors für die zusätzliche Spitzenlast und einem Drehmoment, das wesentlich größer ist als das Drehmoment des Verbrennungsmotors 1. Das Getriebe 5 weist keinen Rückwärtsgang auf, so daß sich die Eingangswelle 4 immer in dieselbe Richtung wie die Ausgangswelle 6 dreht. Um den Gangwechsel zu optimieren, wird das Getriebe 5 über die Getriebeelektronik 8 gesteuert. Da der Elektromotor 3 umpolbar ist, erfolgt die Rückwärtsfahrt aus schließlich mittels des Elektromotors 3. Dieser wird auch zum Anfahren des Fahrzeugs benötigt. Da er sehr drehmomentstark ist, kann die Getriebeübersetzung für den Anfahrgang der Übersetzung eines zweiten Ganges bei Fahrzeugen mit heute üblichen Verbren nungsmotoren verwendet werden, so daß neben dem Rückwärtsgang der bis heute übliche 1. Gang entfällt.

Wird der Elektromotor 3 als Generator betrieben, wird die Batte rie 7 über die Leistungselektronik 13 gespeist, wobei diese in der Lage ist, eine größere Leistung aufzunehmen als durch die Bremsenergierückgewinnung nötig ist. Mit dieser Einrichtung wird ein extrem hoher Wirkungsgrad erreicht, da bei jedem Bremsvor gang die Energie vollständig zurückgewonnen werden kann.

Durch die zuvor beschriebene Bauart, den Fortfall des ersten und des Rückwärtsganges im Getriebe ist es möglich, etwa 50 mm bis 70 mm Bauraum bei einem PKW-Getriebe einzusparen. Die Schaltung eines automatisierten mechanischen Getriebes ist vereinfacht, da weniger Schaltstellungen notwendig sind. Da die Motoren beliebig zuschaltbar sind, wenn eine größere Antriebskraft notwendig ist, als gerade von dem das Fahrzeug antreibenden Motor 1 oder 3 zur Verfügung stellbar ist, ist sichergestellt, daß das Fahrzeug auch noch in der höchsten Getriebeübersetzung am Gaspedal hängt und sofort ein ruckfreies Beschleunigen möglich ist.

Bei der Auslegung des Hybridfahrzeuges muß versucht werden, ei nen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch entsprechend den An forderungen des Kunden zu realisieren. Der heutige Energiever brauch als Ist-Zustand setzt sich zusammen aus der Reibung des Fahrzeuges zum Untergrund, der Strömungsverluste bei ent sprechender Geschwindigkeit, dem Beschleunigungsverlusten, den sonstigen Antriebsverlusten des Verbrennungsmotors und den Ver lusten durch die Nebenabtriebe für die Lenkung, Klimatisierung, Beleuchtung usw. Wenn ein Fahrzeug definiert für einen Kunden ausgelegt werden soll, der für entsprechende Fahrleistungen ei nen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch haben möchte, so muß entsprechend seiner Angaben über die Häufigkeit der Fahrweise auf Autobahnen, Bundesstraßen oder im Stadtverkehr, der mittle ren Geschwindigkeiten, der Angaben über Streckenzustände (Berge, Ebene), der zu erzielenden Höchstgeschwindigkeiten und der Mini mierung des Fahrzeuggewichtes vorgegangen werden.

Durch das GPS-System und das Navigationssystem sind alle Infor mationen über eine vom Fahrer vorgegebene Fahrstrecke im voraus abrufbar. So ist auch das Höhenprofil der Strecke exakt vorhan den. Zur Optimierung des Energieverbrauchs gibt der Fahrer bei Antritt der Fahrt die aktuellen Zustandsparameter des Fahrzeu ges, insbesondere den Kraftstoffvorrat, den Ladungszustand der Batterie 7 und die Zuladung in den mit dem Navigationssystem N in Verbindung stehenden Rechner 10 ein. Sodann gibt er in den Rechner 10 sein gewünschtes Fahrziel ein. In Verbindung mit dem Navigationssystem N errechnet der Rechner 10 die voraussichtli che Fahrzeit. Diese wird zunächst so festgelegt, daß der Elek tromotor und der Verbrennungsmotor 1 ungefähr gleichmäßig bean sprucht werden. Ist der Fahrer mit dieser Fahrzeit einverstan den, so werden diese Vorgaben im Rechner festgeschrieben und das Fahrzeug anschließend entsprechend gesteuert. Ist er nicht ein verstanden, so wird entsprechend der Verbrennungsmotor 1 mehr oder weniger beeinflußt. Das heißt, der Fahrer wählt eine kürze re oder eine längere Fahrzeit. Wählt er eine kürzere Fahrzeit, wird der Verbrennungsmotor 1 mehr eingesetzt und die Batterie 7 stärker aufgeladen. Wählt er eine längere Fahrzeit, wird der Elektromotor 3 stärker eingesetzt. Ist der Fahrer mit der dann errechneten Fahrzeit zufrieden, so sind alle Vorgaben für den Verbrennungsmotor 1, den Elektromotor 3 sowie die Ladezyklen der Batterie 7 entsprechend der Strecke festgelegt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei einer Bergauffahrt der Verbrennungsmo tor 1 keine Reserven mehr hat, um die Batterie 7 zu laden. Die Ladezyklen müssen also in die Bergabfahrzeiten und in die Zeiten gelegt werden, wo das Fahrzeug konstant in der Ebene fährt. So mit ist garantiert, daß bei einer bestimmten Strecke ein minima ler Kraftstoffverbrauch mit dem Hybridfahrzeug erreicht wird.

Bezugszeichenliste

1

Verbrennungsmotor

2

Kupplung

3

Elektromotor

4

Getriebeeingangswelle/Eingangswelle

5

Getriebe

6

Getriebeausgangswelle/Ausgangswelle

7

Batterie/elektrischer Energiespeicher

8

Steuerung/Getriebesteuerung

9

GPS-Empfänger

10

Elektronik/Rechner

11

Fahrpedal

12

Bremspedal

13

Leistungselektronik

14

Elektronik für Verbrennungsmotor
S Satellit
N Navigationssystem

Claims

1. Fahrzeug mit Hybridantrieb, bei dem die von einem Verbren nungsmotor (1) oder einem Elektromotor (3) zur Verfügung gestellte Antriebskraft über ein Getriebe (5) mit einer Ge triebeeingangswelle (4) und einer Getriebeausgangswelle (6) in den Antriebsstrang leitbar ist, wobei der Verbren nungsmotor (1) und der Elektromotor (3) über eine Kupplung (2) miteinander verbindbar sind, der Elektromotor (3) un mittelbar mit dem Getriebe (5) in Verbindung steht und ein durch den Verbrennungsmotor (1) aufladbarer elektrischer Energiespeicher (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Elektromotor (3) zur Verfügung stellbare Dreh moment größer ist als das von dem Verbrennungsmotor (1), die Getriebeeingangswelle (4) immer in dieselbe Richtung dreht wie die Getriebeausgangswelle (6) und eine Rückwärts fahrt ausschließlich über den Elektromotor (3) möglich ist.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Motoren (1, 3) in Reihe schaltbar sind, wenn temporär eine größere Antriebskraft notwendig ist, als von dem das Fahr zeug gerade antreibenden Motor (1 oder 3) zur Verfügung stellbar ist.

3. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbremsen durch Umschalten des Elektromotors (3) in den Ge neratorbetrieb erfolgt und die Bremsenergie vom elek trischen Speicher (7) aufnehmbar ist.

4. Fahrzeug nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprü che, gekennzeichnet durch ein satellitengesteuertes Naviga tionssystem (N).

5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Navigationssystem (N) oder ein damit in Verbindung stehen der Rechner (10) Höhendaten zu der Topographie verschiede ner Fahrstrecken enthält.

6. Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Motoren (1, 3) alternativ zu- und ab schaltbar sind, mit folgenden Schritten:

- Eingabe der aktuellen Zustandsparameter des Fahrzeugs, insbesondere des Kraftstoffsvorrats, Ladungsgrad des elektrischen Energiespeichers (7) und der Zuladung, in einen mit dem Navigationssystem (N), in Verbindung ste henden Rechner (10),
- Eingabe des gewünschten Fahrziels in den Rechner (10),
- Errechnen der voraussichtlichen Fahrzeit unter Berück sichtigung der Topographie der Fahrstrecke und der gleichmäßigen Auslastung beider Motoren (1, 3), und Anzeigen der errechneten Fahrzeit auf einem Display,
- Vergleich der voraussichtlichen Fahrzeit mit der vom Fahrer vorgegebenen Fahrzeit,
- Anpassung der Auslastung jedes Motors (1, 3) an die Fahrstrecke zur Realisierung der gewünschten Fahrzeit vor Antritt der Fahrt und
- Vorgabe der Ladezyklen für den Energiespeicher (7) durch den Verbrennungsmotor (1) unter Ausschluß der Zeiten während einer Bergfahrt des Fahrzeugs.