DE4113386C2

DE4113386C2 - Hybridantriebsanordnung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE4113386C2
Application number: DE4113386A
Authority: DE
Inventors: Bernd-Robert Hoehn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2011-04-25
Also published as: DE4113386A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hybridantriebsanord nung für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, ei ner Zusatzantriebseinrichtung, einer Einrichtung zum Ab zweigen von Überchußleistung der Brennkraftmaschine in einen der Zusatzantriebseinrichtung zugeordneten Speicher, und mit einer übergeordneten Steuereinrichtung für den Betrieb der Brennkraftmaschine und/oder den Betriebsmodus der Zusatzantriebseinrichtung.

Die Erfindung geht von einem Stand der Technik aus, wie er anordnungsgemäß in den DE-OS'en 23 09 680, 31 50 611 und 25 58 707 beschrieben ist. Der dort dargestellte Stand der Technik geht davon aus, daß ein Elektromotor über eine Kupplung oder fest mit dem Abtrieb verbunden ist und ein zweiter Antrieb über eine Brennkraftmaschine und eine Kup plung zu- der abschaltbar besteht. Weiterhin seien erwähnt die DE-OS 33 22 373 und die DE-OS 38 42 632. Besonders in den beiden zuletzt genannten Druckschriften wird als ein wesentliches Ziel von Hybridantrieben die Reduzierung des Kraftstoffverbrauches z. T. bei bestimmten örtlichen Gege benheiten genannt. Dabei zeichnet sich die DE-OS 38 42 632 durch einen besonders komplizierten Gesamtaufbau aus, denn der dort vorgestellte Hybridantrieb besteht aus einer Krennkraftmaschine, einer Elektromaschine, die sowohl als Motor und Generator laufen kann, einem mechanischen Schwungradspeicher und einem komplexen Überlagerungsge triebe, mit dem die Leistungen summiert oder aufgeteilt werden können. Besonders das in der DE-OS 38 42 632 er wähnte Hybridkonzept erscheint für einen Antrieb in einem PkW zu kompliziert und damit zu teuer. Bei allen anderen Dokumenten, die von einem wesentlich einfacheren Hybrid konzept ausgehen (Brennkraftmaschine und Zusatzantriebs einrichtung treiben über ein Getriebe das Fahrzeug an), wird keine Anweisung gegeben, wie groß die Leistung der Zusatzantriebseinrichtung im Verhältnis zur Leistung der Brennkraftmaschine sein sollte, damit der in der DE-OS 30 22 373 erwähnte schlechte Wirkungsgrad der Brennkraft maschine ausgeschaltet wird und dafür ein rein elektri scher Antrieb möglich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen einfachen Hybridan triebsstrang zu konzipieren, beidem der Kraftstoffver brauch besonders im niedrigen Geschwindigkeitsbereich (bis ca. 50 km/h) deutlich reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auslegungsleistung (P_E) der Zusatzantriebseinrichtung so gewählt ist, daß der spezifische Kraftstoffverbrauch für Leistungen unterhalb der Auslegungsleistung (P_E) beim Betrieb von Brennkraftmaschine und Zusatzantriebseinrich tung günstiger ist als beim Antrieb durch die Brennkraft maschine alleine, und daß diese Auslegungsleistung be stimmt ist durch den Schnittpunkt der Kurve des tatsäch lich spezifischen Kraftstoffverbrauchs (b_eMOT) der Brennkraftmaschine und der Kurve des zulässigen spezifi schen Kraftstoffverbrauchs (b_ezul), wobei die letztge nannte Kurve definiert ist durch

darin sind
b_eEck der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch bei der kleinsten fahrbaren Drehzahl der Brennkraftmaschine
η₁ der Wirkungsgrad für die Umwandlung der mecha nischen Energie der Brennkraftmaschine in die Speicherenergie
η₂ der Wirkungsgrad für die Umwandlung der Spei cherenergie in die Energie der Zusatzantriebs einrichtung
P die abgerufene Leistung
P_Eck die maximale Leistung der Brennkraftmaschine bei minimaler Betriebsdrehzahl

Bei diesem Lösungsprinzip ist die Zusatzantriebseinrich tung so ausgelegt, daß der Betrieb der Brennkraftmaschine im Teillastbereich mit sehr hohem spezifischen Kraftstoff verbrauch völlig ausgeschaltet werden kann.

Bei allen Brennkraftmaschinen, Diesel oder Otto, ist der Bereich des niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauches in der Nähe der Vollastlinie. Es ist durch ein entspre chendes automatisches Getriebe anzustreben, daß der Motor seine vom Kunden geforderte Leistung möglichst immer mit maximalem Drehmoment und entsprechender (niedriger) Dreh zahl bringt. Erreicht die Brennkraftmaschine bei dieser Betriebsweise, die durch eine übergeordnete Steuereinrich tung für eine Brennkraftmaschine und ein stufenloses Ge triebe möglich wird, seine minimal fahrbare Betriebsdreh zahl, so muß jetzt bei noch geringerer Leistungsanforde rung durch den Kunden in den Teillastbetrieb gegangen wer den. Dies ist bei heutigen Fahrzeugen und Brennkraftma schinen für Geschwindigkeiten unter 70 bis 100 km/h erfor derlich. D. h. gerade im innerstädtischen Bereich fährt der Motor mit einem spezifisch hohen Verbrauch und mit ent sprechender Umweltbelästigung. Dieser hohe spezifische Verbrauch der Brennkraftmaschine wird vermieden durch die dargestellte Hybridantriebseinrichtung. Ist die vom Kunden gewünschte Leistung niedriger als die in Fig. 2 darge stellte Eckleistung des Motors, so gibt es 2 Möglichkeiten:

1. Bei leerem Speicher liefert die Brennkraftmaschine weiterhin ihre Eckleistung, die überschüssige Leistung gegenüber der gewünschten Fahrleistung wird in einem Ener giespeicher abgelegt (Fig. 3, Fall III)).
2. Bei vollem Speicher wird die Brennkraftmaschine abge schaltet und die Leistung für die Zusatzantriebseinrich tung aus dem Energiespeicher entnommen (Fig. 3, Fall VI)).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels und insbesondere der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Schematisch eine Hybridantriebsanordnung,

Fig. 2a zur Erläuterung der Beispiele ein Diagramm mit der Darstellung der Fahrwiderstandsleistung über der Fahrgeschwindigkeit,

Fig. 2b ein Diagramm mit der Darstellung der Motorleistung über der Motordrehzahl,

Fig. 3 eine Gesamtleistungs-Verteilungsschaubild im Zusammenhang mit den beschriebenen Beispielen, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des spezifischen Verbrauches in einem Diagramm.

Die Umwandlung von mechanischer Energie in Speicherenergie läßt sich nicht ohne Verluste durchführen. Auch die Rück wandlung der Speicherenergie in mechanische Energie ge schieht mit einem entsprechenden Wirkungsgrad. Allein da raus folgt schon, daß es nicht sinnvoll ist, die Zusatzan triebseinrichtung mit der Eckleistung der Brennkraftma schine auszulegen. Der Kraftstoffverbrauch für diese Lei stung ist dann am niedrigsten, wenn diese Leistung direkt dem Fahrzeug zur Verfügung steht ohne weitere Verluste durch Energieumwandlungen. Die Leistung der Zusatzan triebseinrichtung ergibt sich aus dem b_e-Kennfeld der verwendeten Brennkraftmaschine und dem Umwandlungswir kungsgrad mechanische Energie in Speicherenergie η₁ bzw. Speicher- in mechanische Energie η₂. Diese Leistung ergibt sich im wesentlichen als Schnitt- punkt zweier Kurven, die in Fig. 4 dargestellt sind. Die eine Kurve entspricht dem Kraftstoffverbrauch im direkten Betrieb nur durch eine Brennkraftmaschine (b_eMot) und die zweite Kurve entspricht dem Kraftstoffverbrauch (b_ezul) eines hybridangetriebenen Fahrzeugs dar. Für den direkten Antrieb durch eine Brennkraftmaschine ergibt sich der Verbrauch aus

Q_d = P . b_eMot . t (G1)

Für den mit einem Hybridantriebsstrang ausgestatteten Fahrzeug ergibt sich der Verbrauch durch entsprechenden Taktbetrieb, der sich aus 2 Anteilen zusammensetzt.

1. Brennkraftmaschine läuft, überschüssige Leistung wird im Energiespeicher abgelegt (Fig. 3, Fall III)).
- 1. Brennkraftmaschine (1) → Kupplung (5) geschlossen → → Getriebe (3) → Rad (7)
- 2. Brennkraftmaschine (1) → Kupplung (5) geschlossen → → Generator (2) → Speicher (4)
2. Speicher ist aufgeladen, Brennkraftmaschine ist abgeschaltet, Fahrzeug wird mit Speicherenergie bewegt (Fig. 3, Fall VI)).

Leistungsfluß

Speicher (

4

) → Motor (

2

) → Getrieb (

3

) → Rad (

7

)

Hier entsteht ein Kraftstoffverbrauch nur im 1. Anteil.

Q_t = P_ECK . b_eEck . t₁ (G2)

und die Speicherenergie

W_sp = (P_Eck - P) . η₁ . t₁ (G3)

Für den 2. Bereich wird die Energie aus dem Speicher genommen und es tritt kein Kraftstoffverbrauch auf. Hier gilt

W_sp . η₂ = P . t₂ (G4)

Weiterhin gilt, daß sich die Gesamtbetriebszeit t für die gewünschte Leistung aus den beiden Einzelbetriebszeiten t₁ und t₂ zusammensetzt.

t = t₁ + t₂ (G5)

(G5) in (G4): W_sp = P/₂ (t - t₁)

Diese Gleichung gleichgesetzt mit Gleichung (G3) und aufgelöst nach t₁ ergibt

Setzt man diesen Wert in Gleichung (2) ein, so kann man sich den Kraftstoffverbrauch im Taktbetrieb berechnen, er ergibt sich zu

Die Leistung der Zusatzantriebseinrichtung ergibt sich jetzt aus dem Kennfeld der Brennkraftmaschine, wenn der direkte Verbrauch Q_d = Q_t ist. Das Gleichsetzen dieser beiden Verbräuche erlaubt, daß Herauskürzen der Zeit t bzw. der Leistung P und es ergibt sich die im Anspruch genannte Gleichung

Fig. 4 zeigt die beiden Kurven, die einmal dem direkten Verbrauch eines Kraftfahrzeuges entsprechen und anderer seits eines Kraftfahrzeuges mit Hybridantriebsstrang.

Fordert der Kunde eine höhere Leistung als die Auslegungs leistung der Zusatzantriebseinrichtung, so ist es für den Kraftstoffverbrauch günstiger, diese Leistung direkt über das Getriebe an die Räder zu bringen, als den Umweg über den Speicher zu wählen. Für Leistungen kleiner als die Auslegungsleistung der Zusatzantriebseinrichtung ist es günstige, im Taktbetrieb zu fahren, d. h. den Motor mit der Eckleistung zu betreiben, die überschüssige Leistung vor übergehend abzuspeichern und dann die Zusatzantriebsein richtung bei stillstehender Brennkraftmaschine aus dem Speicher zu betreiben.

Dadurch ergeben sich:

1. Hohe Kraftstoffeinsparungen bei niedrigen Geschwin digkeiten im Stadtbetrieb (Fig. 1, Fall III + VI).
2. Speicherung der Schubenergie (Fig. 1, Fall VII).
Bei heutigen Fahrzeugen wird bei nichtgetretenem Fahrpedal zwar die Brennstoffzufuhr abgeschaltet (kein Kraftstoff verbrauch), aber die kinetische Energie des Fahrzeuges wird in Wärmeenergie (Reibung in der Brennkraftmaschine) umgestzt. Bei dem hier vorgestellten Hybridantriebsstrang ist es möglich, diesen Betriebszustand zu verbessern, in dem das Fahrzeug durch die Zusatzantriebseinrichtung (2), die jetzt als Generator arbeitet, abgebremst wird und die Brennkraftmaschine (1) in diesem Fall vom Fahrzeug über die Kupplung (5) abgekoppelt wird. Damit hat der Kunde das gleiche Fahrgefühl wie bei heutigen Fahrzeugen, es verzö gert leicht, wenn er das Fahrpedal völlig entlastet, hat also keinen Freilaufeffekt.
3. Dadurch, daß die Zusatzantriebseinrichtung (2) sehr viel kleiner ist als die Brennkraftmaschine (1) (für das folgende Zahlenbeispiel < 10% der Maximalleistung der Brennkraftmaschine), kann das Massenträgheitsmoment dieser Maschine sehr klein werden, zumal sie durch die mögliche Zwischenübersetzung (6) (Fig. 2) auch noch sehr hochdre hend ausgelegt sein kann. Dies hat nicht nur bauliche Vor teile (Gewicht), sondern auch das Ansprechverhalten der Zusatzantriebseinrichtung ist sehr schnell, d. h., die Ma schine kann innerhalb von wenigen msec von generatorischen Betrieb auf motorischen Betrieb umgestellt werden und hat dadurch die Möglichkeit, im sogenannten Kickdown-Fall (Fig. 1, Fall IV) kurzfristig eine Zusatzleistung in den An triebsstrang einzubringen und dadurch das Beschleunigen zu verbessern. Diese kleine Zusatzantriebseinrichtung kann, wenn sie als Elektromaschine ausgebildet ist, gleichzeitig die Funktionen von Generator (Lichtmaschine) und Starter übernehmen (Fig. 1, Fall I).

Zahlenbeispiel

In Fig. 2 sind im linken Diagramm die Fahrwiderstandslei stungen eines realen Fahrzeuges dargestellt und im rechten Diagramm ein Ausschnitt des b_e-Kennfeldes eines Turbo- Diesel-Motors.

Der Kraftstoffverbrauch des realen Fahrzeugs ergibt sich für das gewählte erste Beispiel für v = 40 km/h nach Glei chung (1) zu

W_d/t = P b_eMot
= 3 kW 390 g/kWh = 1170 g/h

Für das gleiche Fahrzeug mit Hybridantriebsstrang ergibt sich der Kraftstoffverbrauch nach Gleichung (G6) zu

mit P_Ecl = 16 kW
b_eEck = 222 g/kWh
η₁ = η₂ = 0,85

Damit ergibt sich bei diesem Fahrzeug für die als Beispiel gewählte Geschwindigkeit eine Einsparung von ca. 27%. Für das zweite Beispiel v = 70 km/h ergibt sich nach Gleichung (G1)

Q_d/t = 7,3 kW 238 g/kWh = 1738 g/h
und für Q_t nach (G6)

und ein Mehrverbrauch des Hybridantriebs von ca. 10%.

Claims

Hybridantriebsanordnung für Kraftfahrzeuge, mit einer Brennkraftmaschine (1), einer Zusatzantriebseinrichtung (2), einer Einrichtung zum Abzweigen von Überchußleistung (6) der Brennkraftmaschine in einen der Zusatzantriebs einrichtung zugeordneten Speicher (4), und mit einer über geordneten Steuereinrichtung für den Betrieb der Brenn kraftmaschine und/oder den Betriebsmodus der Zusatzan triebseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslegungsleistung be stimmt ist durch den Schnittpunkt der Kurve des tatsäch lich spezifischen Kraftstoffverbrauchs (b_eMot) der Brennkraftmaschine und der Kurve des zulässigen spezifischen Kraftstoffverbrauchs (b_ezul), wobei die letztgenannte Kurve definiert ist durch
darin sind:
b_eEck der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch bei der kleinsten fahrbaren Drehzahl der Brennkraftmaschine
η₁ der Wirkungsgrad für die Umwandlung der mecha nischen Energie der Brennkraftmaschine in die Speicherenergie
η₂ der Wirkungsgrad für die Umwandlung der Spei cherenergie in die Energie der Zusatzantriebs einrichtung
P die abgerufene Leistung
P_Eck die maximale Leistung der Brennkraftmaschine bei minimaler Betriebsdrehzahl
und daß dadurch die Ausle gungsleistung (P_E) der Zusatzantriebseinrichtung so ge wählt ist, daß der spezifische Kraftstoffverbrauch für Leistungen unterhalb der Auslegungsleistung (P_E) beim Betrieb von Brennkraftmaschine und Zusatzantriebseinrich tung günstiger ist als beim Antrieb durch die Brennkraft maschine alleine.