DE19709457A1

DE19709457A1 - Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19709457A1
Application number: DE19709457A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Schmidt-Bruecken
Original assignee: Mannesmann Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1997-03-07
Publication date: 1998-09-10
Also published as: US6059059A; JPH10259746A; FR2760411A1; FR2760411B1; JP2942533B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug, das sowohl durch Radan triebsmomente einer Brennkraftmaschine als auch durch Radan triebsmomente einer als Motor betriebenen elektrischen Maschine antreibbar ist.

Es existieren unterschiedliche Typen von Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge. Serielle Hybridantriebe speisen den die An triebsräder treibenden Elektromotor aus einem Generator, der seinerseits von der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs angetrieben wird. Die Brennkraftmaschine kann auf diese Weise in einem unter dem Gesichtspunkt der Verringerung des Energie verbrauchs und der Verringerung der Schadstoffemission ausge wählten Bereich ihres Kennlinienfelds betrieben werden. Der Gesamtkraftstoffverbrauch läßt sich aber bei seriellen Hybrid antrieben nur begrenzt reduzieren und die in Dauerbetrieb verfügbare Leistung ist vergleichsweise gering. Unter Serien randbedingungen (Kosten, Gewicht) ist es mit dem heutigen Stand der Elektromotorentechnik nicht möglich, Fahrleistungen (Anfahrmoment, Höchstleistung, Höchstgeschwindigkeit) zu rea lisieren, die sich mit einem leistungsstarken konventionellen Antrieb vergleichen lassen. Vorteil serieller Hybridantriebe ist, daß sie ohne mehrstufiges Schaltgetriebe auskommen.

Bei Parallelhybrid-Antrieben wird die Leistung der Brennkraft maschine sowie einer parallel angeordneten Elektromaschine mechanisch auf die Antriebsräder übertragen. Es muß jedoch nach wie vor ein variables Getriebe im Drehmomentübertragungs weg zwischen der Brennkraftmaschine und gegebenenfalls dem Elektromotor einerseits sowie den Antriebsrädern andererseits angeordnet sein.

Weiterhin sind in mehreren Betriebsarten betreibbare Hybrid antriebe bekannt geworden, bei welchen die Brennkraftmaschine und eine sowohl als Generator als auch als Motor betreibbare elektrische Maschine über ein gemeinsames, leistungsteilendes Getriebe, beispielsweise ein Planetenradgetriebe oder ein Differentialgetriebe mit den Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs verbunden sind. Hybridantriebe dieser Art kommen ohne Getriebe mit variabler Übersetzung aus, erfordern aber entweder kom plexe mechanische Konstruktionen mit entsprechenden ungünsti gen Wirkungsgraden oder relativ voluminöse elektrische Maschi nen, wenn sie ihre Höchstleistung im Dauerbetrieb erbringen sollen. Hybridantriebe des letztgenannten Typs sind beispiels weise in EP 0 744 314 A1, EP 0 743 215 A2, den US-Patenten 5 577 973, 5 558 588, 5 558 589, 5 558 595 sowie in den Sympo sium Proceedings EVS-13 The 13th International Electric Ve hicle Symposiumll, October 13 bis 16, 1996 Osaka, Japan, Vol. 1, Seiten 603-610 beschrieben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen vergleichsweise kompakt aufbaubaren Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, das im Dauerbetrieb bei vergleichsweise hohen Fahrgeschwindig keiten betrieben werden kann.

Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfaßt:
eine Brennkraftmaschine, die über einen ersten Drehmomentüber tragungsweg in Radantriebsverbindung mit zumindest einem An triebsrad des Kraftfahrzeugs steht oder bringbar ist,
eine zumindest als Motor betreibbare, aus einer elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs zu speisende (erste) elek trische Maschine, die über einen zweiten Drehmomentübertra gungsweg in Radantriebsverbindung mit dem Antriebsrad bzw. den Antriebsrädern steht oder bringbar ist,
in dem ersten oder/und den zweiten Drehmomentübertragungsweg angeordnete Kupplungsmittel, die in einem ersten Betriebszu stand den Antrieb des Kraftfahrzeugs durch das Radantriebs drehmoment der (ersten) elektrischen Maschine ohne mechanische Drehmomentunterstützung durch die Brennkraftmaschine zulassen und die in einem zweiten Betriebszustand den Antrieb des Kraftfahrzeugs durch das Radantriebsmoment der Brennkraftma schine ohne mechanische Drehmomentunterstützung durch die (erste) elektrische Maschine zulassen,
eine elektronische Fahrsteuerung, die abhängig von einem die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs repräsentierenden Si gnal zumindest in einem den Fahrzeugstillstand einschließenden ersten Teilbereich von Fahrgeschwindigkeiten den ersten Be triebszustand aktiviert, wenn die Fahrgeschwindigkeit kleiner als eine vorbestimmte Geschwindigkeitsgrenze ist und zumindest in einem die Fahrzeughöchstgeschwindigkeit einschließenden zweiten Teilbereich von Fahrgeschwindigkeiten den zweiten Betriebszustand aktiviert, wenn die Fahrgeschwindigkeit größer als die vorbestimmte Geschwindigkeitsgrenze ist.

Bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten in Vorwärtsfahrtrichtung, insbesondere aber auch in Rückwärtsfahrtrichtung, wird das Kraftfahrzeug ausschließlich durch die (erste) elektrische Maschine angetrieben. Der Betriebsstrom wird entweder aus einer Batterie des Kraftfahrzeugs zugeführt oder aber von einer als Generator arbeitenden, von der Brennkraftmaschine angetriebenen zweiten elektrischen Maschine nach Art eines seriellen Hybridantriebs geliefert, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird. Soweit die Brennkraftmaschine zum An treiben eines Generators genutzt wird, sind die Kupplungsmit tel im ersten Drehmomentübertragungsweg geöffnet.

Die als Motor betriebene erste elektrische Maschine arbeitet lediglich in einem unteren Fahrgeschwindigkeitsbereich, wäh rend die Brennkraftmaschine in erster Linie in einem die Höchstgeschwindigkeit einschließenden, oberen Fahrgeschwin digkeitsbereich das Kraftfahrzeug antreibt. Auf diese Weise lassen sich der erste und der zweite Drehmomentübertragungsweg hinsichtlich ihrer Drehzahlübertragungsverhältnisse gesondert voneinander dimensionieren und den in diesen beiden Fahrge schwindigkeitsbereichen unterschiedlichen Drehmomentanforde rungen gezielt anpassen. Während im unteren Fahrgeschwindig keitsbereich hohe Radantriebsmomente erreicht werden können, kann die Brennkraftmaschine das Fahrzeug auch bei Höchstge schwindigkeit im Dauerbetrieb antreiben. In keinem der beiden Drehmomentübertragungswege, insbesondere aber nicht in dem der Brennkraftmaschine zugeordneten ersten Drehmomentübertragungs weg ist ein Getriebe mit variabler Übersetzung erforderlich.

Die Kupplungsmittel, über die die beiden Drehmomentan triebswege entweder für die erste elektrische Maschine oder die Brennkraftmaschine geöffnet bzw. geschlossen werden, kön nen herkömmlich ausgebildet sein. Geeignet sind beispielsweise herkömmliche Reibungskupplungen, aber auch formschlüssige Kupplungen, wie zum Beispiel Klauenkupplungen oder derglei chen. Geeignet sind ferner nach Art eines Planetenradgetriebes aufgebaute, mittels einer steuerbaren Bremse zwischen einem Freilaufzustand und einem Drehmomentübertragungszustand schaltbare Kupplungen. Da die beiden Drehmomentübertragungs wege bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten zum Einsatz kommen, können die Kupplungsmittel auch Freilaufkupplungen (Einwegkupplungen) umfassen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, daß die Geschwindigkeitsgrenze annähernd gleich der Fahr geschwindigkeit gewählt wird, die sich aus der maximalen Dreh zahl der ersten elektrischen Maschine und den nachgeordneten Reduzierungsgetrieben ergibt. Die maximale Drehzahl der elek trischen Maschine ist bestimmt durch deren mechanische Festig keit, durch deren Konstruktion, insbesondere die Polpaarzahl, und durch die Höchstfrequenz, mit der zumeist als Halbleiter bauelemente ausgebildete Kommutatorschalter, wie zum Beispiel frequenzänderbare Wechselrichterschaltungen oder Frequenzum richter, arbeiten können. Oberhalb dieser Grenze, gegebenen falls unter Einschluß eines Übergangsbereichs, geht der Rad antrieb von dem ausschließlich elektromotorisch wirkenden ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand über, in welchem zumindest ein Teil des Radantriebsdrehmoments von der Brennkraftmaschine oder nach Art eines Parallelhybrids von der Brennkraftmaschine und der dann als Motor arbeitenden zweiten elektrischen Maschine aufgebracht wird.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß im ersten oder/und zweiten Dreh momentübertragungsweg eine Getriebeanordnung vorgesehen ist, bei welcher das Verhältnis Eingangsdrehzahl zu Ausgangsdreh zahl im ersten Drehmomentübertragungsweg kleiner ist als im zweiten Drehmomentübertragungsweg. In dem den niedrigen Fahr geschwindigkeiten zugeordneten ersten Betriebszustand kann dann durch das hier höher bemessene Drehzahlverhältnis das Antriebsdrehmoment auf die zum Anfahren erforderlichen, rela tiv hohen Drehmomentwerte angehoben werden. Da der Geschwin digkeitsbereich, in welchem die erste elektrische Maschine für den Fahrantrieb ausgenutzt wird, begrenzt ist, kann sie für eine kleinere Dauerleistung bemessen sein als die Brennkraft maschine, deren Leistung eine Dauerbelastbarkeit bei Höchst geschwindigkeit garantieren muß. Es hat sich in dem Zusammen hang als günstig erwiesen, wenn die Geschwindigkeitsgrenze, bis zu der die erste elektrische Maschine ausgenutzt wird, etwa bei der halben Höchstgeschwindigkeit liegt. Der nutzbare Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine bei durchgekuppeltem ersten Drehmomentübertragungsweg überlappt damit beträchtlich mit dem für den ersten Betriebszustand vorgesehenen Bereich von Fahrgeschwindigkeiten. Dieser Überlappungsbereich kann für ein Umschalten vom ersten auf den zweiten Drehmomentübertra gungsweg unter Last genutzt werden. Darüber hinaus gibt die Brennkraftmaschine bei halber Höchstgeschwindigkeit bereits etwa die halbe Höchstleistung ab. Damit muß die zweite elek trische Maschine nur auf etwa die halbe Maximalleistung der Brennkraftmaschine ausgelegt werden, um zusammen mit der Brennkraftmaschine nach Art eines Parallelhybrids bei jeder Geschwindigkeit in den oberen Geschwindigkeitsbereich die Höchstleistung bereitstellen zu können.

Wie bereits erwähnt, kann der Brennkraftmaschine eine zweite elektrische Maschine mechanisch parallel geschaltet sein und damit mit dem ersten Drehmomentübertragungsweg verbunden sein. Diese zweite elektrische Maschine wird zweckmäßigerweise so wohl als Motor als auch als Generator genutzt. Bei Betrieb als Generator kann sie im gesamten Fahrgeschwindigkeitsbereich des Kraftfahrzeugs zum Laden einer Fahrstrom liefernden Batterie des Kraftfahrzeugs genutzt werden. Unterhalb der Geschwindig keitsgrenze, d. h. im ersten Betriebszustand, kann der Genera torstrom auch unmittelbar die erste elektrische Maschine trei ben. Im Motorbetrieb kann die zweite elektrische Maschine zum Anlassen der Brennkraftmaschine genutzt werden. Insbesondere erhöht aber die zweite elektrische Maschine im zweiten Be triebszustand und insbesondere an dessen unterer Grenze, d. h. im Bereich des Übergangs zwischen den beiden Betriebszustän den, das von der Brennkraftmaschine gelieferte Radantriebs drehmoment nach Art eines Parallelhybridantriebs. Eine ge wünschte konstante Antriebsleistung in dem Geschwindigkeits bereich zwischen der Geschwindigkeitsgrenze und der Höchst geschwindigkeit vorausgesetzt, kann die Fahrsteuerung die von der zweiten elektrischen Maschine erzeugte Radantriebsleistung mit wachsender Geschwindigkeit mindern, was die Belastung der den Fahrstrom für die zweite elektrische Maschine liefernden Batterie mit wachsender Fahrgeschwindigkeit gleichfalls min dert. Mit Annäherung an die Höchstgeschwindigkeit wird der Anteil der Brennkraftmaschine am gesamten Radantriebsmoment größer und im Bereich der Höchstgeschwindigkeit wird das Fahr zeug zweckmäßigerweise ausschließlich durch die Brennkraftma schine angetrieben.

Die Kupplungen im ersten oder/und zweiten Drehmomentübertra gungsweg werden zweckmäßigerweise von der Fahrsteuerung über Aktuatoren oder dergleichen gesteuert. Dies eröffnet der Fahr steuerung die Möglichkeit, die den Umschaltvorgang zwischen den beiden Betriebszuständen bestimmende Geschwindigkeits grenze fahrsituationsabhängig zu verschieben oder aber bei einem unter Last erfolgenden Umschaltvorgang für einen wei chen, ruckfreien Übergang von einem Betriebszustand in den anderen zu sorgen. Hierzu werden im bereits erwähnten Über lappungsbereich beide Kupplungen geschlossen, das Drehmoment von einem auf den anderen Momentenübertragungsweg langsam verlagert und dann der lastfreie Drehmomentübertragungsweg wieder geöffnet. Das Umschalten kann auch Hystereseverhalten zeigen, derart, daß die für den Umschaltvorgang verantwort lichen Geschwindigkeitsgrenzen unterschiedlich sind, je nach dem, ob das Kraftfahrzeug beschleunigt oder verzögert wird.

Auch können im Bereich des Übergangs beide elektrische Maschi nen zum Beispiel während einer Beschleunigungsphase oder einer Bremsphase gleichzeitig in antriebsdrehmomentliefernder Weise arbeiten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung für ein nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug und

Fig. 2 ein Diagramm, das das Radantriebsdrehmoment M in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit v zeigt.

Der in Fig. 1 schematisch als Blockschaltbild dargestellte Hybridantrieb umfaßt eine Brennkraftmaschine 1, deren Ab triebswelle 3 mit der Abtriebswelle 5 einer sowohl als Genera tor als auch als Motor betreibbaren elektrischen Maschine 7 gleichachsig und fest verbunden ist. Über eine mittels eines Aktuators 9 betätigbare Kupplung 11, beispielsweise eine Rei bungskupplung, ist die aus der Brennkraftmaschine 1 und der elektrischen Maschine 7 gebildete Einheit mit einem Differen tialgetriebe 13 einer Antriebsräder 15 umfassenden Antriebs achseinheit 17 des Kraftfahrzeugs verbunden. Über die Ab triebswellen 3, 5, die Kupplung 11 und das untersetzende Dif ferentialgetriebe 13 führt bei geschlossener Kupplung 11 ein erster Drehmomentübertragungsweg von der Brennkraftmaschine 1 und der dieser mechanisch parallel geschalteten elektrischen Maschine 7 zu den Antriebsrädern 15.

Die Antriebsachseinheit 17 ist darüber hinaus von einer als Motor arbeitenden weiteren elektrischen Maschine 19 antreib bar, die über ein bei 21 angedeutetes untersetzendes Getriebe und eine weitere bei 23 dargestellte, von einem Aktuator 25 betätigbare Kupplung mit dem Eingang des Differentialgetriebes 13 verbunden ist. Von der elektrischen Maschine 19 führt damit über das Getriebe 21, die Kupplung 23 und das Differentialge triebe 13 ein zweiter Drehmomentübertragungsweg zu den An triebsrädern 15.

Beide Drehmomentübertragungswege enthalten keine Getriebe mit variabler Übersetzung, jedoch jeweils eine steuerbare Kupp lung, die es erlaubt, entweder die elektrische Maschine 7 oder die elektrische Maschine 19 in eine Antriebsverbindung mit den Antriebsrädern 15 zu bringen. Soweit Getriebe vorgesehen sind, wie zum Beispiel das Differentialgetriebe 13 oder das Getriebe 21, handelt es sich um Getriebe mit für den Drehmomentüber tragungsweg, in welchem es angeordnet ist, gleichbleibendem Drehzahlübertragungsverhältnis. Insbesondere ist kein dreh richtungsumkehrendes Getriebe vorgesehen. Für die Rückwärts fahrt wird die Drehrichtung der elektrischen Maschine 19 umge kehrt.

Die elektrischen Maschinen 7, 19 sind als vielpolige Maschinen ausgebildet, zu deren Kommutierung eine mehrphasige Halblei terschaltereinheit 27 vorgesehen ist. Die Halbleiterschalter einheit 27, die mit steuerbarer, variabler Kommutierungsfre quenz nach Art eines Wechselrichters oder eines Frequenzum richters oder dergleichen arbeiten kann, verbindet die elek trischen Maschinen 7, 19 für deren Motorbetrieb mit einer den Fahrstrom des Kraftfahrzeugs liefernden Batterie 29 oder der gleichen. Die Schaltereinheit 27 erlaubt es aber auch bei Generatorbetrieb einer oder beider elektrischer Maschinen 7, 19, hier insbesondere der von der Brennkraftmaschine 1 bei geöffneter Kupplung 11 unabhängig von der Fahrsituation des Kraftfahrzeugs im Generatorbetrieb antreibbaren elektrischen Maschine 7, die so erzeugte elektrische Leistung geeignet kommutiert der im Motorbetrieb das Kraftfahrzeug antreibenden elektrischen Maschine 19 zuzuführen. Die Schaltereinheit 27 kann ferner Gleichrichterstufen umfassen, die es erlauben, die Batterie 29 bei Generatorbetrieb der elektrischen Maschinen 7, 19 und insbesondere der Maschine 7 zu laden.

Wenngleich auch andere Konstruktionen geeignet sind, so ist doch der Rotor der elektrischen Maschine 7 bevorzugt ohne zusätzliche Drehlagerung direkt auf der Kurbelwelle der Brenn kraftmaschine 1 gehalten. Bei der elektrischen Maschine han delt es sich vorzugsweise um eine permanentmagneterregte Syn chronmaschine mit außenlaufendem Rotor.

Zur Steuerung der Betriebszustände des Hybridantriebs ist eine elektronische Fahrsteuerung 31 vorgesehen, die in nicht näher dargestellter Weise auf Fahrbefehle, die beispielsweise mit tels eines Fahrpedals oder eines Bremspedals oder eines Fahrt richtungswählers erzeugt werden, anspricht und die Aktuatoren 9, 25 abhängig von einem mittels eines Sensors 33 erzeugten, die momentane Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs repräsen tierenden Signals steuert. Die Fahrsteuerung 31 steuert darü ber hinaus die elektrischen Maschinen 7, 19 über die Schalter einheit 27 sowie den Betrieb der Brennkraftmaschine 1, ins besondere deren mittels eines Aktuators 35 einstellbaren Lei stungsstellorgans, beispielsweise einer Drosselklappe oder einer Einspritzpumpe.

Die Aktivierung der elektrischen Maschinen 7, 19 und gegebe nenfalls der Brennkraftmaschine 1 erfolgt, wie Fig. 2 verdeut licht, abhängig von der Fahrgeschwindigkeit v. In einem unte ren Bereich von Fahrgeschwindigkeiten, der vom Fahrzeugstill stand bis in den Bereich einer Geschwindigkeitsschwelle v₁ reicht, wird das Kraftfahrzeug durch die als Motor arbeitende elektrische Maschine 19 allein angetrieben. In diesem in Fig. 2 mit I bezeichneten Geschwindigkeitsbereich ist die Kupplung 23 geschlossen und die Kupplung 11 geöffnet. Die Übersetzungen der Getriebe 13, 21 erhöhen das Ausgangsdrehmoment der elek trischen Maschine 19 auf einen zum Anfahren hinreichend hohen Wert M_max. Die vom Differentialgetriebe 13 abgekuppelte elek trische Maschine 7 arbeitet als Generator und wird von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben. Die erzeugte elektrische Energie speist die als Motor arbeitende elektrische Maschine 19. Im Geschwindigkeitsbereich I arbeitet die erfindungsgemäße Antriebsanordnung dementsprechend als serieller Hybridantrieb. Es versteht sich, daß abhängig von der Fahrsituation ein Teil der von der elektrischen Maschine 7 erzeugten elektrischen Energie auch zum Laden der Batterie 29 ausgenutzt werden kann oder, sofern die Leistung des Generators nicht ausreicht, die elektrische Maschine 19 auch aus der Batterie 29 zusätzlich gespeist werden kann.

Fig. 2 zeigt durch eine von links unten nach rechts oben ver laufende Schraffur angedeutet den Bereich des Drehmoments M, in welchem die Fahrsteuerung 31 das Radantriebsmoment in dem Geschwindigkeitsbereich I einstellen kann. Zwischen Stillstand und einer durch die Nenndaten, insbesondere der Nenndrehzahl der elektrischen Maschine 19 bestimmten Eckgeschwindigkeit erzeugt die elektrische Maschine 19 ein annähernd konstantes Drehmoment, das oberhalb der Eckgeschwindigkeit, d. h. in einem Bereich, in dem die elektrische Maschine 19 im Feldschwä chungsbetrieb arbeitet, entsprechend einer Drehmoment-Kurve für konstante Leistung P_max hyperbelförmig abnimmt. Die Ge schwindigkeitsgrenze v₁, die den Geschwindigkeitsbereich I zu ansteigenden Geschwindigkeiten hin begrenzt, ist im wesentli chen durch die maximale Drehzahl der elektrischen Maschine 19 bestimmt, die sich aus mechanischen Grenzen und der maximal möglichen Kommutierungsfrequenz der Schaltereinheit 27 ergibt. Die elektrische Maschine 19 arbeitet auch während der Rück wärtsfahrt im Geschwindigkeitsbereich I.

Oberhalb der Geschwindigkeitsgrenze v₁ ist die elektrische Maschine 19 abgeschaltet, und das Kraftfahrzeug wird durch die Brennkraftmaschine 1 sowie die dann als Motor arbeitende elek trische Maschine 7 in einem bis zur maximalen Fahrgeschwindig keit v_max des Kraftfahrzeugs reichenden Geschwindigkeitsbereich II angetrieben. In diesem in Fig. 2 durch eine von links oben nach rechts unten verlaufende Schraffur angedeuteten Geschwin digkeitsbereich II ist die Kupplung 23 geöffnet und die Kupp lung 11 geschlossen. Die elektrische Maschine 7 wird nach Art eines Parallelhybridantriebs aus der Batterie 29 gespeist.

Fig. 2 zeigt mit einer strichpunktierten Linie 37 die Vollast- Momentenkennlinie der Brennkraftmaschine 1. Im Bereich der Grenzgeschwindigkeit v₁ bleibt die Vollastmomentenkennlinie 37 unter der Momentenlinie für maximale Gesamtantriebsleistung P_max. Die durch einen Pfeil 39 angedeutete Momentendifferenz wird durch das von der elektrischen Maschine 7 gelieferte Antriebsmoment ausgeglichen. Wie Fig. 2 zeigt nimmt der für den Ausgleich erforderliche Differenzbetrag mit wachsender Geschwindigkeit ab, so daß im Bereich der Höchstgeschwindig keit das Kraftfahrzeug ausschließlich durch die Brennkraftma schine 1 angetrieben wird.

Der maximale Momentenbeitrag 41 der elektrischen Maschine 7 ändert sich gleichfalls abhängig von der Fahrgeschwindigkeit v und ist in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie 43 angedeutet. Wie Fig. 2 zeigt, kann der zur Vollastmomentenkennlinie 37 hinzukommende Momentenbeitrag der elektrischen Maschine 7 im Geschwindigkeitsbereich 11 über der Momentenlinie maximaler Leistung P_max liegen. Dieses überschüssige Moment kann entweder für kurzzeitige Beschleunigungen verwendet werden, oder die Fahrsteuerung 31 begrenzt das Moment auf eine resultierende Gesamtantriebsleistung P_max.

Die Kennlinien 37, 43 erstrecken sich in den Geschwindigkeits bereich I. In dem in Fig. 2 durch eine Kreuzschraffur angedeu teten Geschwindigkeitsbereich III, der im Extremfall von der bei Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine einstellenden Fahrgeschwindigkeit V₀ bis hin zur Grenzgeschwindigkeit V₁ reicht, kann das Kraftfahrzeug sowohl durch die als Motor arbeitende elektrische Maschine 7 als auch durch die Brenn kraftmaschine zusammen mit der parallel geschalteten elektri schen Maschine 19 angetrieben werden. Die Wahl der geeigneten Betriebsart wird von der Steuerung 31 getroffen, wobei die aktuelle Fahrsituation und die Gesamtenergiebilanz der beiden Betriebsarten berücksichtigt werden. Bei Beschleunigungen oder Verzögerungen eignet sich der Geschwindigkeitsbereich III für einen ruckfreien Lastübergang von einer Betriebsart in die andere. Es versteht sich, daß der Geschwindigkeitsbereich III auf Geschwindigkeiten im Bereich der Grenzgeschwindigkeit V₁ beschränkt ist, während im übrigen Geschwindigkeitsbereich I die elektrische Maschine 7 als Generator betrieben wird.

Nicht näher dargestellt ist eine Variante, bei welcher das Umschalten zwischen den Betriebsarten im Geschwindigkeitsbe reich I einerseits und im Geschwindigkeitsbereich II anderer seits hystereseabhängig erfolgt. Das Umschalten bei Beschleu nigung und damit wachsender Fahrgeschwindigkeit erfolgt hier bei abhängig von einer Geschwindigkeitsgrenze, die sich von der Geschwindigkeitsgrenze beim Abbremsen, d. h. abnehmender Fahrgeschwindigkeit, unterscheidet und insbesondere größer ist als die letztgenannte Geschwindigkeitsgrenze ist. Auf diese Weise wird bei Fahrgeschwindigkeiten nahe der Geschwindig keitsgrenze ein ständiges Umschalten zwischen den beiden Be triebsarten verhindert.

Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel wird die elektrische Maschine 19 ausschließlich als Motor genutzt. Nicht näher dargestellt ist eine Variante, bei welcher die elektrische Maschine 19 im Geschwindigkeitsbereich 11 für Bremsenergierekuperation als Generator zum Laden der Batterie 29 ausgenutzt werden kann. Es versteht sich ferner, daß die Anordnungsweisen der Getriebe 21 und 13 und die Ausgestaltun gen der Kupplungen 11 und 23 nicht auf die dargestellten Aus führungsformen beschränkt sein sollen. Insbesondere ist eine koaxiale Anordnung der beiden Drehmomentübertragungswege für einen längs im Fahrzeug eingebauten Antrieb denkbar. Die Kupp lungen können, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel ange deutet, als Reibungskupplungen ausgebildet sein. Da in beiden Drehrnomentübertragungswegen jedoch motorisch betreibbare elek trische Maschinen angeordnet sind, die zur Synchronisierung genutzt werden können, kann es sich bei den Kupplungen auch um formschlüssige Kupplungen, wie zum Beispiel Klauenkupplungen oder dergleichen, handeln. Nachdem die Drehmomentübertragungs wege in unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeitsbereichen wirk sam sind, kann zumindest eine der beiden Kupplungen, insbeson dere die Kupplungen 11 auch als Freilauf- bzw. Einwegkupplung ausgebildet sein. Steuerbare Planetenradsätze, wie sie bei spielsweise in Automatikgetrieben von Kraftfahrzeugen einge setzt werden, lassen sich gleichfalls nutzen, insbesondere wenn sie zugleich Getriebefunktion mit übernehmen.

In einem Kraftfahrzeug, das bis zu einer Höchstgeschwindigkeit von 220 km/h eingesetzt werden kann, ergeben sich bei einer Antriebsanordnung gemäß Fig. 1 beispielsweise folgende Konstruktionsdaten:

Brennkraftmaschine 1:
maximale Leistung 130 kW
maximales Drehmoment 250 Nm
maximale Motordrehzahl 5500 min^-1

Elektrische Maschine 19:
maximale Leistung 120 kW
maximales Drehmoment 420 Nm

Elektrische Maschine 7:
maximale Leistung 90 kW
maximales Drehmoment 255 Nm

Getriebe 13:
Verhältnis von Eingangsdrehzahl zu Ausgangsdrehzahl i=3,3

Getriebe 21:
Verhältnis von Eingangsdrehzahl zu Ausgangsdrehzahl i=2,2

Bezogen auf die Antriebsachse 17 ergeben sich damit folgende Daten:
Geschwindigkeitsbereich I:
maximales Drehmoment 3050 Nm
maximale Leistung 120 kW
maximale Raddrehzahl 825 min^-1
Geschwindigkeitsgrenze v₁ 110 kmh

Geschwindigkeitsbereich II:
maximale Leistung 130 kW
maximale Raddrehzahl: etwa 1650 min^-1
maximale Fahrgeschwindigkeit 220 kmh.

Claims

1. Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend

- eine Brennkraftmaschine (1), die über einen ersten Drehmomentübertragungsweg (11, 13) in Radantriebs verbindung mit zumindest einem Antriebsrad (15) des Kraftfahrzeugs steht oder bringbar ist,
- eine zumindest als Motor betreibbare, aus einer elektrischen Energiequelle (7, 29) des Kraftfahr zeugs zu speisende, (erste) elektrische Maschine (19) , die über einen zweiten Drehmomentübertragungs weg (21, 23, 13) in Radantriebsverbindung mit dem Antriebsrad (15) bzw. den Antriebsrädern steht oder bringbar ist,
- in dem ersten (11, 13) oder/und dem zweiten (21, 23, 13) Drehmomentübertragungsweg angeordnete Kupplungs mittel (11, 23) , die in einem ersten Betriebszustand den Antrieb des Kraftfahrzeugs durch das Radan triebsdrehmoment der (ersten) elektrischen Maschine (19) ohne mechanische Drehmomentunterstützung durch die Brennkraftmaschine (1) zulassen und die in einem zweiten Betriebszustand den Antrieb des Kraftfahr zeugs durch das Radantriebsmoment der Brennkraftma schine (1) ohne mechanische Drehmomentunterstützung durch die (erste) elektrische Maschine (19) zulas sen,
- eine elektronische Fahrsteuerung (31), die abhängig von einem die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs repräsentierenden Signal zumindest in einem den Fahrzeugstillstand einschließenden ersten Teilbe reich (I) von Fahrgeschwindigkeiten den ersten Be triebszustand aktiviert, wenn die Fahrgeschwindig keit kleiner als eine vorbestimmte Geschwindigkeits grenze (v₁) ist und zumindest in einem die Fahrzeug höchstgeschwindigkeit (v_max) einschließenden zweiten Teilbereich (II) von Fahrgeschwindigkeiten den zwei ten Betriebszustand aktiviert, wenn die Fahrge schwindigkeit größer als die vorbestimmte Ge schwindigkeitsgrenze (v₁) ist.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Geschwindigkeitsgrenze (v₁) annähernd gleich der maximalen in dem ersten Betriebszustand durch die Fahrsteuerung (31) bestimmten Fahrgeschwindigkeit gewählt ist.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß im ersten (11, 13) oder/und zweiten (21, 23, 13) Drehmomentübertragungsweg eine Getriebeanordnung (13, 21) vorgesehen ist, bei welcher das Verhältnis Ein gangsdrehzahl zu Ausgangsdrehzahl im ersten Drehmoment übertragungsweg (11, 13) kleiner ist als im zweiten Dreh momentübertragungsweg (21, 23, 13).

4. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die (erste) elektrische Ma schine (19) für eine kleinere maximale Dauerleistung bemessen ist als die Brennkraftmaschine (1).

5. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Geschwindig keitsgrenze (v1) größer gewählt ist als die sich bei Antrieb durch die Brennkraftmaschine (1) über den ersten Drehmomentübertragungsweg (11, 13) bei der Leerlaufdreh zahl der Brennkraftmaschine (1) ergebende Fahrgeschwin digkeit (v0).

6. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) und eine zweite als Motor oder/und als Generator betreibbare elektrische Maschine (7) mechanisch parallel geschaltet sind.

7. Antriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die zweite elektrische Maschine (7) in ständiger drehfester Verbindung zur Brennkraftmaschine (1) steht, insbesondere in direkter Antriebsverbindung steht.

8. Antriebsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Brennkraftmaschine (1) und die zweite elek trische Maschine (7) gleichachsig angeordnete Abtriebs wellen (3, 5) haben.

9. Antriebsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Rotor der zweiten elektrischen Maschine (7) ohne eigene Lagerung direkt auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine montiert ist.

10. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß im ersten Drehmomentübertra gungsweg (11, 13) zwischen der Brennkraftmaschine (1) und der dazu mechanisch parallel geschalteten zweiten elek trischen Maschine (7) einerseits und dem Antriebsrad (15) bzw. den Antriebsrädern andererseits eine Kupplung (11) zum Lösen der Antriebsverbindung dieser Maschinen (1, 7) zu dem Antriebsrad (15) bzw. den Antriebsrädern angeord net ist.

11. Antriebsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die im ersten Drehmomentübertragungsweg (11, 13) angeordnete Kupplung (11) zumindest in dem ersten Teilbe reich (I) von Fahrgeschwindigkeiten geöffnet ist.

12. Antriebsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kupplung als mittels der elektroni schen Fahrsteuerung (31) steuerbare Kupplung (11), ins besondere als mittels eines Aktuators (9) betätigbare Reibungskupplung (11) ausgebildet ist.

13. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Ma schine (7) zumindest in einem Teil des ersten Teilbe reichs (I) von Fahrgeschwindigkeiten als Generator zum Speisen der ersten elektrischen Maschine (19) oder/und Laden eines elektrischen Energiespeichers (29) des Kraft fahrzeugs arbeitet.

14. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Ma schine (7) zumindest in einem Teil des zweiten Teilbe reichs (II) von Fahrgeschwindigkeiten als Motor arbeitet.

15. Antriebsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß die Fahrsteuerung (31) bei Vollastbetrieb die zweite elektrische Maschine (7) in dem zweiten Teilbe reich von Fahrgeschwindigkeiten so steuert, daß sie ein Radantriebsdrehmoment liefert, das das bei Vollast der Brennkraftmaschine (1) von dieser abgegebene Radantriebs moment auf einen im zweiten Betriebszustand zur Errei chung einer zumindest angenähert konstanten Antriebslei stung erforderlichen Wert erhöht.

16. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten Drehmomentüber tragungsweg (11, 13) angeordnete Kupplung (11) in einem dritten Teilbereich (III) von Fahrgeschwindigkeiten klei ner als die Geschwindigkeitsgrenze zur Übertragung von Radantriebsdrehmomenten der Brennkraftmaschine (1) und gegebenenfalls der als Motor arbeitenden, zweiten elek trischen Maschine (7) geschlossen ist.

17. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dritten Teilbereich (III) von Fahrgeschwindigkeiten kleiner als die Geschwin digkeitsgrenze (V₁) und größer als die sich bei Leerlauf der Brennkraftmaschine einstellende Fahrgeschwindigkeit (V₀) die Betriebsart von Fahrsteuerung (31) unter Betrach tung der Energiebilanzen beider Betriebsarten gewählt wird.

18. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Ma schine (19) für eine größere Leistung im Motorbetrieb bemessen ist als die zweite elektrische Maschine (7).

19. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (11, 13) oder/und der zweite (21, 23, 13) Drehmomentübertragungsweg ein betriebsmäßig nicht variables Drehzahlübertragungsver hältnis haben.

20. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Geschwin digkeitsgrenze (v₁) bei Beschleunigung des Kraftfahrzeugs einen ersten Wert und bei Abbremsung einen vom ersten Wert abweichenden zweiten Wert hat.

21. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Drehmomentüber tragungsweg (21, 23, 19) eine Kupplung (23) angeordnet ist.