DE2153961A1 - Hybrid-antrieb - Google Patents

Hybrid-antrieb

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DE2153961A1
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drive
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Juergen Dr Ing Helling
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Volkswagen AG
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Description

VOLKSWAGENWERK Aktiengesellschaft
518 Wolfsburg
unsere Zeichen: K 1118
9704/Kah/La
28.10. TI
Hybrid - Antrieb
Me Erfindung "betrifft einen Hybrid-Antrieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit wenigstens zwei- verschiedenartigen Antriebsmaschinen, von denen wenigstens eine eine E-Maschine ist, und wenigstens einem diesem zugeordneten Energiespeicher.
Durch das Gebot zur Reinhaltung der Luft wird es immer drin- *
gender, besonders zum Betrieb in Stadtgebieten, ein Antriebssystem für Kraftfahrzeuge zu schaffen, das der Verunreinigung der Luft Einhalt gebietet.
Durch die VeröffenfLichung in der Zeitschrift "Kfz.-Betrieb und Automarkt" Hr. 18 vom 28. August I969 wurde ein Hybrid-Antrieb für einen Stadtwagen von der Technischen Universität Berlin bekannt, bei dem ein Elektromotor und ein Hydraulikmotor in Reihe geschaltet sind. Beiden Motoren sind Spei-
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eher zugeordnet, wobei dem Hydraulikmotor ein Hoch- und Niederdruckspeicher (nachteilig weil zusätzliche Energieumwandlung), dem Elektromotor elektrochemische Speicher (Ε-Speicher) zugeordnet sind. Der Hydraulikmotor kann hierbei einmal als Motor (beim Beschleunigen aus dem Speicher . gespeist) oder Pumpe (beim Bremsen den Speicher aufladend) arbeiten. Dabei wird der Hydraulikmotor als Beschleunigungsmotor verwendet,während der Elektromotor für die normale Fahrt gedacht ist. Nachteilig an diesem Antrieb ist das hohe Gewicht, sowie der große Raumbedarf des Antriebs fe im Vergleich zur Leisbung. Durch die geringe Energie-Speicherkapazität ist die Reichweite sehr gering und kann nicht für Überlandfahrten befriedigen.
Veiter wurde ein Hybrid-Antrieb bekannt, bei dem eine elektrische Hauptmaschine als Fahrantrieb verwendet wird, die von einem Ε-Speicher, der durch einen von einer Verbrennungskraftmaschine betriebenen Generator aufgeladen wird, mit elektrischer Energie versorgt wird. Diese Art von Hybrid-Antrieben, die vornehmlich aus den Komponenten Verbrennungskraftmaschine und Ε-Antrieb bestehen, haben den Nachteil, daß die Leistung des Verbrennungsmotors nicht direkt mechanisch, sondern über zwei elektrische Maschinen an die Antriebsräder übertragen wird. Dies bedingt die Instalation eines zusätzlichen Ladegenerators und einer für die Übertragung der Leistung der Summe beider Antriebskomponenten ausgelegten Haupt-E-Maschine (schwer und teuer) sowie eine entsprechende Herabsetzung des Wirkungsgrades, mit dem die Leistung der Verbrennungskraftmaschine übertragen wird. Es wird also das doppelte der zum Fahrbetrieb erforderlichen Leistung installiert. Der Hauptnachteil dieses Antriebs ist also eine zu geringe spezifische Leistung insbesondere der Ε-Speicher und somit unbefriedigende Fahrlei stungen.
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Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß die elektrische Komponente die z.B. beim Stadtverkehr (stop and go) auftretenden hohen Spitzenleistungen und Momente positiven und negativen Vorzeichens erzeugen muß. Hierzu sind besonders die Ε-Speicher und Leistungselektronik nicht geeignet. Dies hat zur Folge, daß die Beschleunigung von Fahrzeugen mit derartigen Antrieben gering ist und die beim Bremsen umzuwandelnde kinetische Fahrzeugenergie nur zu einem kleinen Teil in wieder nutzbare elektrochemische Energie der Batterie umgewandelt werden kann (Nutzbremsung); der größere Teil muß - wie bei konventionellen Antrieben - durch Reibungsbremsen in Warme umgesetzt werden.
Diese Nachteile wirken sich um so negativer aus, je größer der Leistungsanteil und je diskontinuierlicher der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile, insbesondere die zweifache Installation der Leistung, das dadurch bedingte hohe Gewicht des Antrdäaes und die schlechte Fahr leistung des Fahrzeuges zu beseitigen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß beide Antriebsmaschinen über ein Leistungsverzweigungsgetriebe, dabei ihre Leistungen addierend, an eine AÜriebswelle angeschlossen sind. Vorzugsweise liegt hierbei der Energiespeicher in Kraftflußrichtung vor dem Leistungsverzweigungsgetriebe. Es sollen also die Leistung der beiden Antriebsmaschinen in einemLeistungsverzweigungsgetriebe (Differentialgetriebe) addiert werden, indem bei Momentenausgleich die DrehzaHßn überlagert werden. Die resultierende Leistung ist dann Antrieb = Momerrt:x(:Drellzanl de^ einen Antriebsmaschine+
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Drehzahl der anderen Antriebsmaschine).
Die eine Antriebsmaschine ist eine Verbrennungskraftmaschine (Komponente für große Reichweite) und die andere eine Ε-Maschine, der ein Ε-Speicher, während beiden Antrieb ε maschinen ein Gyro-Speicher zugeordnet ist. Der Gyro-Speicher bzw. Gyro-Antrieb liefert kurzzeitig hohe Leistung ohne Wirkungseinbüße durch Umwandeln kinetischer Energie in andere Energieform und ist vorzugsweise der Verbrennungskraftmaschine parallel geschaltet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Gyro-Speicher unter Zwischenschaltung einer Überh ο 1 kupplung derart zwischen der Brennkraftmaschine und dem Leistungsverzweigungsgetriebe angeordnet, daß bei einer Verringerung der Velleiidrehzahl der Welle der Gyro-Speicher gekoppelt ist, bei Erhöhung jedoch bis auf die Übertragung eines kleinen Momentes entkoppelt ist. Dem Gyro-Speicher ist ein Übersetzungsgetriebe zugeschaltet.
Um die Momentenkennlinien von Verbrennungskraft- und E-MaBchine einander besser anzupassen und um den zum dynamischen Fährbetrieb erforderlichen Drehzahl- und Dreh-™ momentwandlungsberelch auch für die Ε-Maschine herabzusetzen (Gewichts- und Kostenersparnis) kann es auch eweckinäßig sein, daß zwischen beiden Antriebsmaschinen ■und/oder zwischen Leistungsverzweigungsgetriebe und Abtriebswelle ein Drehmomentwandler eingeschaltet ist.
Um wahlweise nur mit der Verbrennungskraftmaschine oder nur mit der Ε-Maschine zu fahren, sind zwischen beiden An-
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triebsmaschinen und dem Leistungsverzweigungsgctriebe jeweils eine Bremse vorgesehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die E-Maschine als Anlasser für die Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Bas Bordnetz eines Kraftfahrzeuges ist an den E-Speicher angeschlossen.
Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Hybrid-Antriebes ist der, daß sich bei einer Installation von 1H, die sich
z.B. aus 1/2 N für die Ε-Maschine und 1/2 Ή für die Verbren- "
nungskraftmaschine aufteilt in Verbindung mit dem Gyro-Speicher der Langstreckenbereich, der Mittelstreckenbereich (Stadtverkehr) bei emissionsgünstigem Betrieb und gute Beschleunigungszeiten verwirklichen lassen. Ferner wird durch die Gyro-Komponente die installierte Leistung der E- und Verbrennungskraftmaschine verringert sowie Kraftstoffverbrauch und Emissionen vermindert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der einzigen Zeichnung beschrieben. Die Figur soll den Hy br id-Antrieb schematisch darstellen.
Eine elektrische Maschine 1, die auf ein Leistungsverzweigungsgetriebe (Differentialgetriebe) 3 wirkt, wird von einem E-Speicher 2 mit Energie versorgt. Eine Verbrennungskraftmaschine 4 wirkt ebenfalls, über eine Welle 5» auf das Leistungsverzweigungsgetriebe 3· An das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 ist eine Abtriebswelle 6 angeschlossen, die auf ein Antriebsrad (Räder) 7 wirkt.
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Um die eingangs beschriebenen Nachteile bei diskontinuierlichem Betrieb zu vermeiden (zu hohe positive und negative Leistungsspitzen im elektrischen Teil) und um auch bei dieser Betriebsart die Verbrennungskrafiroaschine möglichst kontinuierlich zu betreiben (nur wenig und/oder langsam erfolgende Änderung des Stellgliedes - z.B. Drosselklappe für Drehmoment und Drehzahl) ist ein Gyro-Speicher (Schwungrad) 8, im folgenden Gyro genannt, vorgesehen. Dieses Gyro steht mit einem Übersetzungsgetriebe 9 mii» der Welle 5 in Verbindung. Stattdessen kann das Gyro 9 jedoch auch durch eine nicht gezeigte Überholkupplung mit der genannten Welle 5 verbunden sein, die so geschaltet ist, daß bei Verringerung der Wellendrehzahl der Welle 5 das Gyro 8 starr gekoppelt, bei Erhöhung jedoch bis auf die Übertragung eines kleinen Momentes entkoppelt wird. Durch eine solche Kupplung oder durch ähnliche Vorrichtungen wird erreicht, daß das Schwungrad seine kinetische Energie bei Beschleunigung des Fahrzeuges kurzzeitig überträgt, das dann erforderliche neue Energiespeichern jedoch langsam erfolgt. Natürlich kann die Überholkupplung auch zwischen dem Übersetzungsgetriebe 9 und der Welle 5 angeordnet sein.
Ein derartiger Gyro-Antrieb zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Leistungsdichte und niedrigen Preis aus. Es kann daher auch vorteilhaft sein, das Gyro so groß zu dimensionieren, daß es nicht nur zur Phlegmatisierung der Verbrennungskraftmaschine dient, sondern einen wesentlichen Teil zur Beschleunigungs- oder Verzögerungsleistung des Fahrzeuges beiträgt. Die installierte Leistung der Verbrennungskraftmaschine kann dadurch entsprechend herabgesetzt werden. Der Gesamtantrieb besteht in diesem Fall aus den drei verschiedenartigen aber etwa gleichwertigen Komponenten E-Maschine, Verbrennungskraftmaschine und Gyro-Speicher bzw.
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Antrieb. Im Grenzfall kann letzterer die Verbrennungskraftmaschine ganz ersetzen.
Um die Momenten-Kennlinien von Verbrennungskraft-und E-Maschine einander besser anzupassen, kann zwischen beiden ein Drehmomentwandler 10 angeordnet werden. Dieser Drehmomentwandler 10 kann auch durch eine entsprechende Kupplung ersetzt werden. Ebenso ist es denkbar Kupplung und Drehmomentwandler anzuordnen.
TIm den zum dynamisehen Fährbetrieb erforderlichen Drehzahl- und Drehmoment-Wandlungsbereich auch für die Ε-Maschine her-
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abzusetzen, ist ein Drehmomentwandler/oder ein Teil dieses Wandlers - vorzugsweise der mechanisch wirkende (Schaltgetriebe) - zwischen Leistungsverzweigungsgetriebe 3 und dem Antriebsrad 7 angeordnet.
Zwischen dem LeistungsverzweigungsgetriebeJ und dem Drehmomentwandler 11 ist in die Abtriebov/elle 6 eine Feststellbremse 12 eingebaut. |
Zwischen der E-Maschine 1 und dem Leistungsyerzweigungsgetriebe 3 und zwischen der Verbrennungskraftmaschine 4 und dem Leistungsverzweigungsgetriebe sind Peststellbremsen I4 und 15 angeordnet. Diese Bremsen I4 und I5 erlauben es, wahlweise nur mit der Verbrennungskraftmaschine (z.B. bei Langstreckenfahrt und/oder erschöpftem Ε-Speicher) oder nur mit der E-MaBchinc (z.B. bei emissionsfreier I'ahrt in Ballungragebieten) zu fahren.
Mit 13 ißt ein Kegler für den gesamten Hybrid-Antrieb gekennzeichnet.
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Die Funktion des Hybrid-Antriebes gemäß der Figur sei am Beispiel des Anfahrens beschrieben. Ausgangszustand: Das Fahrzeug steht, die Feststellbremse 12 ist angezogen, die Verbx^ennungßlrraftmaschine 4 läuft mit mittlerer Drehizahl und mittlerem Moment (Bereich geringen Verbrauchs und günstiger Emissionswerte), treibt über das Leistungsverzweigungsgetriebe 3 in entgegengesetztem Drehsinn die in diesem Augenblick als Generator betriebene E-Maschine und lädt somit den E-Speicher 2. Der Gyro 8 läuft mit entsprechender (höherer) konstanter Drehzahl.
Zur Auslösung des Anfahrvorganges wird die Feststellbremse gelöst. Das bisher hler (verlustlos) abgestützte Drehmoment wirkt über den Drehmomentwandler (Getriebe) 11 auf das Antriebsrad 7 Ό-Ώ& beginnt das Fahrzeug zu beschleunigen. Zugleich wird über den Regler 13 das Moment der E-Maschine erhöht. Da das Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine nicht oder nur sehr träge verändert wird (Vermeidung höherer Emissionen), entsteht ein Ungleichgewicht der Momente an den Ein- bzw. Ausgängen A, B, C des Leistungsverzweigungsgetriebes 3 (Moment B zu klein), die Drehzahl der Ausgangsseite B und damit des Gyros 8 beginnt sich infolgedessen zu vermindern und erzeugt dadurch "von selbsf'ein stützendes Moment an der Ausgargsseite B. Unter allmählichem Abfall der Drehzahl der Ausgangsseite B gibt damit das Gyro die gespeicherte kinetische Energie an den Fahrzeugantrieb (und zunächst auch an die Batterie) ab. Die negative Drehzahl der E-Maschine 1 verringert sich, geht dann durch n=0 (Übergang von Generator- zu Motorbetrieb) und wird mittels Regler 13 in dem Maß erhöht, wie es die gewünschte Fahrgeschwindigkeit erfordert. Die für den Motorbe-
nö ti ff c
trieb dor E-Maschine/elektrische Energie wird dem E-Speicher 2 entnommen.
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Verzögerungsvorgänge verlaufen in umgekehrter Richtung; die kinetische Energie wird dazu mit geringen Wandlungsverlusten als elektrische Energie in dem E-Speicher und nahezu verlustlos als kinetische Energie im Gyro gespeichert.
Zur Unterteilung des Geschwindigkeitsbereichs (z.B. beim langsamen Befahren von Steigungen) kann der Drehmomentwandler 11 herangezogen werden.
Die Bremsen I4 und 15 sind vorgesehen, um wahlweise entweder nur mit der Verbrennungskraftmaschine, in diesem Fall ist es zweckmäßig, das Gyro mechanisch abzuschalten, (z.B. bei Langstreckenfahrt und/oder erschöpfter Batterie) oder nur mit der Ε-Maschine (z.B. bei emissionsfreier Fahrt In Ballungsgebieten -City- ) zu fahren.
Durch bekannte, geeignete aber nicht dargestellte Einrichtungen zur Stromübertragung ist es möglich, den E-Speicher "bei stehendem Fahrzeug, insbesondere nachts oder bei spurgebundenem Betrieb des Fahrzeuges, beispielsweise an Leitschienen (dual Mode), von außen aufzuladen.
Mittels einer entsprechenden Schaltung und Betätigung des Beglera I3 kann ferner die aus dem E-Speicher 2 gespeiste E-Maschine 1 zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine 4 benutzt werden. Ferner kann der E-Speicher 2 oder ein Teil von ihm zur Speisung des Bordnetzes des Kraftfahrzeuges herangezogen werden.
Der beschriebene Antrieb gestattet es also, auf die bei Fahrzeugen mit konventionellem Antrieb erforderlichen Zusatzaggregate zu verzichten, die da sind: Anlasser, Lichtmaschine, Startbatterie, diejenigen Elemente des Verbrennungsmotors
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(z.B. oben liegende Nockenwelle) und seiner Nebenaggregate z.B. Vergaser, die für rasch wechselnde oder sehr unterschiedliche Betriebszustände erforderlich sind, ein Teil der Bremsanlage des Fahrzeuges sowie ein Getriebe mit Rückwärtsgang.
Der Regler I3 kann ferner so ausgebildet werden, daß bei der in weitenBetriebsbereichen wählbaren Leistungsteilung zwischen Ε-Maschine und Verbrennungskraftmaschine deren Betriebszustände möglichst so geregelt werden, daß die entstehenden Wärmeverluste, z.B. Kühlwasser und Abgase ,den Wärmebedarf der Fahrzeugheizung decken. So kann bei stehendem Fahrzeug die Verbrennungskraftmaschine zugleich die Funktion des Batterieladens und der Standheizung erfüllen. Damit entfällt das heute vielfach als Standheizung eingebaute Zusatzaggregat .
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Claims (1)

  1. A H SPRUCH E
    Hy br id-An trieb, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit wenigstens zwei verschiedenartigen Antriebsmaschinen, von denen wenigstens eine eine Ε-Maschine ist, und wenigstens einem diesen zugeordneten Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß beide Antriebsmaschinen (1,4) über ein Leintungsverzweigungsgetriebe (5)» dabei ihre Leistungen addierend, an eine Abtriebswelle (6) angeschlossen sind.
    ?. ITybr-id-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die eine Antriebsmaschine eine Verbrennungskraft- λ
    maschine (4) und die andere eine E-Maschine (1) ist, der ein E-Speicher (2), während beiden Antriebsmaschinen ein Gyro-Speieher (θ) zugeordnet ist.
    5. Hybx'id-Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gyro-Speieher (8) unter Zwischenschaltung einer Übe-rholkupplung. derart zwischen der Yerbrennungskraft-
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    maschine (4} find dem Leistungsverzweigungsgetriebe (3) angeordnet ist, daß bei einer Verringerung der Wellendrehzahl der Welle (5) öler Gyro-Speicher (8) gekoppelt ist, bei Erhöhung jedoch bis auf die Übertragung eines kleinen Momentes entkoppelt ist.
    4. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß dem Gyro-Speicher (8) ein Übersetzungsgetriebe (9) zugeschaltet ist.
    5. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeihnet, daß zwischen beiden Antriebsmaschinen (1,4) und/oder zwischen Leistungsverzweigungsgetriebe (3) und Abtriebswelle (6) ein Drehmomentwandler eingeschaltet ist.
    6. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Antriebsmaschiiien (1,4) ΤΧΩ&- dem Leistungsverzweigungsgetriebe (3) eine Bremse (14,15) vorgesehen ist.
    7. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ε-Maschine (1) als Anlasser für die Verbrennungskraftmaschine (4) ausgebildet ist.
    8. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bordnetz eines Kraftfahrzeuges an den E-Spabher (2) angeschlossen ist.
    303818/0160
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