Hybridfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug mit zumindest einer Elektromaschine, wobei die Elektromaschine während einer Antriebsphase als zumindest zusätzlicher Antrieb zu einem Verbrennungsmotor vorgesehen ist.

üblicherweise werden Hybridfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor und einer Elektromaschine ausgerüstet, wobei der Verbrennungsmotor entweder nur einen elektrischen Energiespeicher wie z.B. eine Fahrzeugbatterie laden kann (serieller Hybrid) oder mechanisch mit einer Antriebswelle gekoppelt ist (paralleler Hybrid) oder beides. Um dabei den Kraftstoffverbrauch bzw. den Energieverbrauch des Hybridfahrzeugs senken zu können, wird die Elektromaschine beim Abbremsen des Fahrzeugs als Generator verwendet und damit der elektrische Energiespeicher aufgeladen. Die Elektromaschine wirkt somit als elektromotorische Bremse und rekuperiert Energie. Darüber hinaus können dadurch die Bremsbeläge des Hybridfahrzeugs geschont werden, wodurch ein verschleißbedingter Austausch und damit Wartungskosten reduziert werden können. Zusätzlich oder alternativ dazu ist ein zumindest zusätzlicher Betrieb der Elektromaschine als Motor vorgesehen. Dadurch ist, zusätzlich zum Antrieb des Hybridfahrzeugs durch den Verbrennungsmotor, ein zusätzlicher elektrischer Antrieb (Boosten) möglich. Weiterhin kann ein ausschließlich elektrisches Fahren mit der Elektromaschine vorgesehen sein, beispielsweise bei Kurzstrecken mit Emissionsbeschränkungen.

Insbesondere zum rein elektrischen Fahren, aber auch zum Rekuperieren einer entsprechenden Menge an elektrischer Energie und zum hinreichenden Boosten, ist eine ausreichend dimensionierte Elektromaschine notwendig. Diese Elektromaschine benötigt jedoch entsprechenden Bauraum, erhöht das Gewicht des Fahrzeugs und beeinflusst mithin auch dessen Fahrdynamik.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, hier Abhilfe zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Indem bei einem Hybridfahrzeug mit einem heckseitigen Verbrennungsmotor, einem elektrischen Energiespeicher und zumindest einer Elektromaschine, wobei der Verbrennungsmotor die Hinterachse antreibt, die zumeist voluminöse und schwere Elektromaschine beabstandet von der Hinterachse, insbesondere im Bereich der Vorderachse, vorgesehen ist, ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen. So resultiert hieraus eine ausgeglichenere Gewichtsverteilung des Hybridfahrzeugs, in dem die schwere Elektromaschine nicht zusätzlich das auf der Hinterachse lastende Gewicht von Verbrennungsmotor und Getriebe verstärkt. Des Weiteren wird zusätzlicher Bauraum erschlossen und der bereits durch den Verbrennungsmotor und das Getriebe stark beanspruchte Bauraum im Bereich der Hinterachse muss nicht noch zusätzlich die voluminöse Elektromaschine aufnehmen. Die jeweilige Anordnung einer Elektromaschine ist somit individuell zur Optimierung der Fahrdynamik bzw. der Bauraum-Ausnutzung des Hybridfahrzeugs wählbar. Zusätzlich wird durch die Erfindung die Grundlage für einen modularen Vierradantrieb des Hybridfahrzeugs geschaffen, indem ein zumindest elektrischer Antrieb der Vorderachse einfacher realisierbar wird; bzw. indem die zur Beabstandung der Elektromaschine eingesetzten mechanischen Komponenten, wie z.B. Wellen, für einen entsprechenden Vierradantrieb durch den Verbrennungsmotor nutzbar gemacht werden. Schließlich bietet die Erfindung bei Hybridfahrzeugen mit heckseitigem Verbrennungsmotor die Option der Rekuperation an der Vorderachse, was sich durch die größere Radlast günstiger darstellt als an der Hinterachse.

Dieselben Vorteile ergeben sich wenn in einem Hybridfahrzeug mit einem frontseitigen Verbrennungsmotor, einem elektrischen Energiespeicher, und zumindest einer Elektromaschine die während einer Rekuperationsphase als Generator zur Aufladung des elektrischen Energiespeichers bzw. während einer Antriebsphase als zumindest zusätzlicher Antrieb zum Verbrennungsmotor vorgesehen ist, wobei der

Verbrennungsmotor die Vorderachse des Hybridfahrzeugs antreibt, wenn die oder jede Elektromaschine beabstandet von der Vorderachse, insbesondere im Bereich der Hinterachse, vorgesehen ist.

Nachfolgend wird jeweils nur der erste nebengeordnete Patentanspruch betrachtet. Durch jeweiliges Vertauschen im Text von Hinter- und Vorderachse bzw. heck- und frontseitigem Verbrennungsmotor ergibt sich aber jeweils analog der zweite nebengeordnete Patentanspruch.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Elektromaschine auf der Getriebeeingangswelle, beabstandet vom Getriebe, vorgesehen. Dabei wird die Gewichtsverteilung des Hybridfahrzeugs optimiert, indem die schwere Elektromaschine in Richtung der nicht angetriebenen Achse verschoben wird. Der Verbrennungsmotor kann in vorteilhafter Weise sowohl im Stand als auch während der Fahrt durch die Elektromaschine gestartet werden. Des Weiteren ergibt sich durch entsprechende Auslegung insbesondere der Länge der Getriebeeingangswelle eine besonders einfache Platzierung der Elektromaschine in einem gewünschten und verfügbaren Bauraum des Hybridfahrzeuges. Rekuperation ist über die Hinterachse möglich, Boosten und elektrisches Fahren über die Getriebeeingangswelle auf die Hinterachse. Zudem ist über Elektromaschine und Getriebeeingangswelle eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors möglich.

Dabei ist dann in vorteilhafter Weise ein zumindest optionaler, konventioneller Allradantrieb (d.h. durch den Verbrennungsmotor) möglich. Dazu wird die Getriebeeingangswelle über die Elektromaschine hinaus bis in den Bereich der Vorderachse verlängert und an diese mechanisch über eine Kupplung und ein Achsgetriebe angekoppelt. Damit ist bei Durchschalten des Getriebes („Direktgang", d.h. weder über- noch Untersetzung und damit Entfall von Verzahnungsverlusten) ein verbrennungsmotorischer Antrieb der Vorderachse darstellbar. Unter Berücksichtigung des Achsgetriebe-Wirkungsgrades kann zur Rekuperation, zum Boosten und zum

elektrischen Fahren nun entweder die Hinter- als auch sowohl die Hinter- wie die Vorderachse genutzt werden.

Weitere Vorteile ergeben sich dann, wenn jedem Rad der Vorderachse über eine jeweilige Kupplung eine eigene Elektromaschine zugeordnet ist. über das vordere Achsgetriebe (Differential) ergibt sich wiederum die Kopplung an die Getriebeeingangswelle. Damit wird eine elektrisches „Torque Vectoring" (Möglichkeit der Fahrdynamikregelung durch radindividuelle Momentenverteilung) an der Vorderachse möglich, wobei das Grundsperrmoment am Differential einstellbar ist.

In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Elektromaschine an die Vorderachse des Hybridfahrzeugs angebunden. Durch die Wirkverbindung zwischen Vorderachse und Elektromaschine ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass eine Rekuperation über die Vorderachse ermöglicht wird, wo die Radlast und damit auch die gewinnbare Energie größer ist als an der Hinterachse. Verbunden damit ist auch eine entsprechende Entlastung der Vorderachs-Bremsen. Zudem ergibt sich eine hervorragende Fahrdynamik, da die Antriebsmomentenverteilung bei höheren Beschleunigungswerten vom Verbrennungsmotor an der Hinterachse dominiert wird, der meist stärker als die Elektromaschine an der Vorderachse dimensioniert ist. Demgegenüber ist beim elektrischen Fahren, d.h. bei eher kleinen Werten der Beschleunigung bzw. der Antriebsmomente, ein Vorderachsantrieb auch unter fahrdynamischen Aspekten vertretbar.

In dieser Ausführungsform weist der Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeugs zusätzlich noch als zweite Elektromaschine einen Ritzel-, Kurbelwellen- oder riemengetriebenen Starter/Generator auf, zum Motorstand im Stand und während der Fahrt. Diese Ausführungsform ermöglicht bereits volle Hybridfunktionalität über die Vorderachse, insbesondere Rekuperation, Boosten und elektrisches Fahren. Als zusätzlicher Vorteil ermöglicht die Verwendung eines Ritzel-, Kurbelwellen- oder riemengetriebenen Starter/Generators als zweiter Elektromaschine auch einen seriellen Hybridbetrieb.

Eine besondere Platz sparende Ausführung ergibt sich, wenn keine mechanische Verbindung vorgesehen ist zwischen der Vorderachse und dem Verbrennungsmotor, d.h. zur Hinterachse. Realisierbar ist dies über eine einzelne Elektromaschine, die über ein Achsgetriebe an die Vorderachse angekoppelt ist. Sodann kann für jedes Rad der Vorderachse eine eigene Elektromaschine vorgesehen sein. Da diese beiden Elektromaschinen keine Verbindung untereinander aufweisen müssen, ergibt sich durch den möglichen Entfall des Achsgetriebes eine Gewichtseinsparung. Zusätzlich wird durch die Verwendung von zwei Elektromaschinen ein elektrisches „Torque Vectoring" an der Vorderachse ermöglicht.

Ein konventioneller Allradantrieb, d.h. durch den Verbrennungsmotor, wird möglich wenn der Verbrennungsmotor mechanisch, z.B. durch eine Welle, an der Vorderachse des Hybridfahrzeugs angebunden wird. Dabei kann der konventionelle Allradantrieb durch Vorsehen einer Kupplung auch optional schaltbar sein. Der konventionelle Allradantrieb liefert dabei in bestimmten Betriebsbereichen, wie z.B. Konstantfahrt, einen besseren Wirkungsgrad, als der rein elektrische Antrieb der Vorderachse zusätzlich zum Antrieb der Hinterachse durch den Verbrennungsmotor. Unter Berücksichtigung des Achsgetriebe-Wirkungsgrades kann zur Rekuperation, zum Boosten und zum elektrischen Fahren nun entweder die Vorderachse oder aber sowohl die Hinter- als auch die Vorderachse genutzt werden. Auch hier kann eine einzelne Elektromaschine, entweder parallel zur Vorderachse oder parallel zur Welle zwischen Verbrennungsmotor und Vorderachse, bzw. eine eigene Elektromaschine für jedes Rad der Vorderachse vorgesehen sein.

Für alle beschriebenen Varianten wird mit Vorteil vorgeschlagen, eine zusätzliche Kupplung vorzusehen zwischen einer jeweiligen Elektromaschine und einer angebundenen und sich drehenden Masse, wie z.B. einer Getriebewelle. Hiermit kann einerseits die Leerlaufbestromung der Elektromaschine eingespart werden, die ansonsten zur überwindung des mechanischen Widerstands bei unbelasteter Elektromaschine nötig

wäre. Dazu ist die Abkopplung der unbelasteten Elektromaschine vorgesehen, z.B. dann wenn das Hybridfahrzeug frei rollt („segelt'). Anderseits ist eine spezielle Abstimmung der Elektromaschine für einen bestimmten Betriebsbereich möglich, z.B. den Bereich niedriger Drehzahlen. Außerhalb dieses Bereichs, z.B. im Bereich höherer Drehzahlen, wäre eine Abkopplung der Elektromaschine vorgesehen, um z.B. das Bersten der Elektromaschine zu vermeiden bzw. Trägheitsmoment im Triebstrang einzusparen. Entsprechend wird eine derartige zusätzliche Kupplung bei Anordnung einer einzelnen Elektromaschine auf der Getriebeeingangswelle bzw. einer mit dem Getriebe verbundenen Welle dann zwischen der Elektromaschine und dem Getriebe vorgesehen. Bei einer eigenen Elektromaschine für jedes Rad der Vorderachse wäre eine derartige zusätzliche Kupplung jeweils zwischen Elektromaschine und Rad vorgesehen. Ein entsprechendes Verfahren würde vorsehen, die zusätzliche Kupplung dann zu öffnen wenn die Elektromaschine nicht mehr belastet wäre bzw. wenn ein bestimmter Betriebsparameter einen vorgebbaren Betriebsbereich verlassen würde. Entsprechend würde die zusätzliche Kupplung dann geschlossen wenn die Elektromaschine wieder belastet wäre bzw. wenn ein bestimmter Betriebsparameter in einen vorgebbaren Betriebsbereich eintreten würde.

Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen drei verschiedene Ausprägungen der ersten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die wenigstens eine Elektromaschine El, E2 immer auf der Getriebeeingangswelle GEW des Verbrennungsmotors V vorgesehen. Der Start des Verbrennungsmotors V erfolgt sowohl aus dem Fahrzeug-Stillstand als auch während der Fahrt (z.B. nach einer Phase des freien Rollens bzw. elektrischen Fahrens) durch die Elektromaschine El , E2. Damit ist zum Start des Verbrennungsmotors V keine eigene Elektromaschine am Verbrennungsmotor V selbst notwendig, womit sich Bauraumvorteile und eine verbesserte Gewichtsverteilung beim Hybridfahrzeug ergeben.

Fig. 1 zeigt eine bautechnisch besonders einfache Lösung, bei der lediglich eine mechanische Verbindung der Elektromaschine El zur durch den Verbrennungsmotor V angetriebenen Hinterachse vorgesehen ist. Hiermit ergibt sich bereits eine vollständige Hybridfunktionalität. So ist über Getriebeeingangswelle GEW und Elektromaschine El eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors V darstellbar. Boosten ist über die als Elektromotor betriebene Elektromaschine El auf die Getriebeeingangswelle GEW, Rekuperation über die als Generator betriebene Elektromaschine El durch die Hinterachse möglich. Auch ein elektrisches Fahren durch die Elektromaschine El ist vermittels des Getriebes G auf die Hinterachse darstellbar. Hierbei kann zusätzlich noch eine Kupplung auf der Getriebeeingangswelle GEW, zwischen der Elektromaschine El und dem Getriebe G, vorgesehen sein. Diese ermöglicht eine Abkopplung der Elektromaschine El , zur Einsparung der Leerlaufbestromung sowie zur besseren Abstimmung für einen bestimmten Betriebsbereich wie z.B. niedrige Geschwindigkeiten.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der zusätzlich ein konventioneller, das heißt verbrennungsmotorischer, Allradantrieb vorgesehen ist. Dieser ist jedoch in dieser Konfiguration nur möglich wenn das Getriebe G im Direktgang geschaltet ist, d.h. wenn weder eine über- noch Untersetzung vorliegt. Gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration ergeben sich als weitere Unterschiede, dass Boosten bzw. Rekuperieren sowie elektrisches Fahren nun im Direktgang auch über beide Achsen möglich sind. Auch hier kann wiederum eine Kupplung zwischen der Elektromaschine El und dem Getriebe G auf der Getriebeeingangswelle GEW vorgesehen sein, zur Einsparung der Leerlaufbestromung sowie zur besseren Abstimmung der Elektromaschine für einen bestimmten Betriebsbereich.

Eine andere Ausbildung der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 3. Hierbei sind zwei Elektromaschinen El, E2 vorgesehen, die den jeweiligen Rädern der Vorderachse zugeordnet sind. Boosten, Rekuperieren und elektrisches Fahren ist entweder über die Hinterachse oder, unter Berücksichtigung des

Achsgetriebewirkungsgrads, über beide Achsen möglich. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit, ein elektrisches „Torque Vectoring" an der Vorderachse vorzusehen, wobei das Grundsperrmoment am Achsgetriebe (Differential) einstellbar ist. Zum Starten des Verbrennungsmotors V im Fahrzeug-Stillstand werden die Kupplungen Kl und K2 geöffnet, die Kupplung KO geschlossen und der Verbrennungsmotor V mit beiden Elektromaschinen El und E2 angeschleppt. Bei elektrischer Fahrt sind die Kupplungen Kl und K2 geschlossen und die Kupplung KO ist geöffnet. Um nun den Verbrennungsmotor V zu starten, wird die Kupplung KO geschlossen und gleichzeitig werden die Elektromaschinen El und E2 angefahren, womit sich ein Antriebs-/Startmoment für den Verbrennungsmotor V ergibt.

Fig. 4 bis Fig. 7 zeigen jeweils spezielle Gestaltungen der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei die wenigstens eine Elektromaschine El, E2 an die Vorderachse angebunden ist. Zum Starten des Verbrennungsmotors V ist bei Fahrzeug-Stillstand und während der Fahrt jeweils ein Starter-Generator SG, als weitere Elektromaschine, vorgesehen. Damit sind wenigstens zwei Elektromaschinen El, E2, SG vorhanden, womit ein serieller Hybridbetrieb darstellbar ist.

Fig. 4 zeigt eine Gestaltung der zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der keine mechanische Verbindung zwischen Vorder- und Hinterachse besteht. Jedem Rad der Vorderachse ist eine eigene Elektromaschine El, E2 zugeordnet, womit ein elektrisches „Torque Vectoring" ermöglicht wird. Boosten, Rekuperieren und elektrisches Fahren sind jeweils über die Vorderachse möglich. Eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors V ist über die Räder, das heißt durch ein „Bremsen" an der Vorderachse, oder durch den Starter-Generator SG des Verbrennungsmotors V darstellbar. Durch jeweils eine Kupplung zwischen den Elektromaschinen El, E2 und den zugeordneten Rädern kann die Leerlaufbestromung einer jeweiligen Elektromaschine El , E2 eingespart werden.

Fig. 5 zeigt eine Gestaltung der zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der zusätzlich zu der in Fig. 4 gezeigten Gestaltung eine mechanische Verbindung zwischen Hinter- und Vorderachse des Hybridfahrzeugs vorgesehen ist. Damit ist ein konventioneller, das heißt verbrennungsmotorischer, Allradantrieb darstellbar. Für einen optionalen, also schaltbaren, Allradantrieb kann dabei eine Kupplung in der Welle zwischen Vorder- und Hinterachse vorgesehen sein. Eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors V ist über Kardanwelle, Kupplung und Achsgetriebe möglich und unterliegt dem Getriebe-/Achsgetriebe-Wirkungsgrad. Boosten, Rekuperieren bzw. elektrisches Fahren ist wahlweise über die Vorderachse oder über Vorder- und Hinterachse möglich, wobei dies dem Achsgetriebe-Wirkungsgrad unterliegt.

Fig. 6 und Fig. 7 zeigen zwei zu Fig. 5 alternative Gestaltungen, die anstatt zweier jeweils lediglich eine Elektromaschine El vorsieht. Dies ermöglicht einen einfacheren mechanischen Aufbau, wobei aber die Möglichkeit eines elektrischen „Torque Vectoring" an der Vorderachse entfällt. Während gemäß Fig. 6 eine Anordnung der Elektromaschine El auf der Vorderachse und parallel zu dieser vorsieht, ist in Fig. 7 eine Möglichkeit der Anordnung der Elektromaschine El an der Welle zwischen Getriebe G und Achsgetriebe der Vorderachse. Hierbei kann wiederum zwischen der Elektromaschine El und dem Getriebe G eine Kupplung vorgesehen sein, zur Abkopplung der Elektromaschine El zum Einsparen der Leerlaufbestromung und zur besseren Abstimmung für einen bestimmten Betriebsbereich.