DE69611296T2

DE69611296T2 - Methode zur energieverteilung für elektrische hybridfahrzeuge

Info

Publication number: DE69611296T2
Application number: DE69611296T
Authority: DE
Inventors: E Mavroudis; Brian Peskin; F Urban
Original assignee: NEW YORK INST OF TECHNOLOGY OL
Current assignee: NEW YORK INST OF TECHNOLOGY OL
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2016-06-01
Also published as: ATE198179T1; AU720790B2; AU5885496A; CA2222431C; DE69611296D1; CA2222431A1; EP0828624B1; EP0828624A1; JPH11506517A; US5704440A; WO1996038314A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieverteilung in einem elektrischen Hybridautomobil, das zum Antrieb des Fahrzeugs einen Elektromotor und einen Verbrennungsmotor verwendet.
Nahezu ein Jahrhundert lang wurden Automobile durch Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung angetrieben, die beim den Verbrennungsprozess des Kraftstoffs schädliche Abfallprodukte in die Umwelt ausstoßen. Man hat sich seit einiger Zeit bemüht, durch Fahrzeuge, die ausschließlich von einem Elektromotor angetrieben sind, die Menge in die Luft ausgestoßener Schadstoffe stark zu verringern. Elektrofahrzeuge sind jedoch in ihrem Fahrbereich und in ihrer Verwendbarkeit beschränkt, da sie große Speicherbatterien besitzen, die über eine längere Zeitdauer hinweg aufgeladen werden müssen.
Im Stand der Technik gibt es auch Automobile, die einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor zum Antrieb verwenden, und diese werden allgemein als Fahrzeuge mit Hybridantrieb bezeichnet. Diese Fahrzeuge sind dazu eingerichtet, die schädlichen Abgase zu minimieren und vorteilhafte Aspekte der Gasmotoren und Elektromotoren zu maximieren. Frühe Beispiele von elektrischen Hybridfahrzeugen sind in den US-Patenten 2,571,284 von P. T. Nims; 3,305,965 von R. Rothund 3,791,473 von Rosen offenbart. Im allgemeinen gibt es zwei Arten von elektrischen Hybridfahrzeug-Antriebssystemen. Ein Parallelantriebssystem, bei dem der Verbrennungsmotor und der elektrische Motor gleichzeitig die Antriebsräder des Fahrzeugs antreiben, und ein Serienantriebssystem, bei dem der Verbrennungsmotor einen Generator für den Elektromotor und der Elektromotor die Antriebsräder des Fahrzeugs antreibt.
Ein Beispiel eines Fahrzeugs mit Hybridantrieb, das ein modifiziertes Parallelantriebssystem verwendet, ist im US- Patent 4,042,056 von Horwinski beschrieben. Das modifizierte Antriebssystem enthält einen Verbrennungsmotor, der Leistung an eine Frontantriebswelle des Fahrzeugs überträgt, und einen Elektromotor, der einer hinteren Antriebswelle des Fahrzeugs über ein automatisches Getriebe Leistung zuführt. Im Betrieb werden der Elektromotor und das automatische Getriebe zur Beschleunigung des Fahrzeugs bis zu einer auf dem Highway geltenden Reisegeschwindigkeit verwendet. Wenn die Reisegeschwindigkeit erreicht ist oder kurz zuvor, wird der Verbrennungsmotor gestartet und eine Magnetkupplung verbindet den Verbrennungsmotor mit der Frontantriebswelle. Gleichzeitig kann der Verbrennungsmotor dazu verwendet werden, einen Generator anzutreiben, der die Batterien lädt, die den Elektromotor speisen.
Ein anderes Fahrzeug mit elektrischem Hybridantrieb, das einen Verbrennungsmotor zum Antrieb der Vorderräder des Fahrzeugs und einen Elektromotor zum Antrieb der Hinterräder des Fahrzeugs verwendet, und das einen Mechanismus zur Auswahl zwischen den beiden Antrieben vorsieht, ist in dem US-Patent 4,351,045 von Fields et al. beschrieben. Andere elektrische Fahrzeughybridantriebssysteme sind in den US- Patenten 3,732,751 von Berman et al., 3,888,352 von Reinbeck, 4,423,794 von Beck und 4,242,922 von Baudoin beschrieben.
US-A-5,359,308 beschreibt ein Verfahren zur Energieverteilung in einem Fahrzeug, das ein elektrisches Hybridantriebssystem hat, welches einen Verbrennungsmotor (10) mit innerer Verbrennung und wenigstens einen Elektromotor (16) enthält, die ein Drehmoment an eine primäre Antriebswelle übertragen, die wenigstens zwei ihr im Betrieb zugeordnete Antriebsräder hat, und dieses Verfahren enthält die Schritte (siehe Spalte 6):
a) Drehmomentübertragung vom Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor an die primäre Antriebswelle zur Beschleunigung des Fahrzeugs vom Stand bis zu einer vorbestimmten Reisegeschwindigkeit;
b) Entkoppeln des Elektromotors von der primären Antriebswelle, sobald das Fahrzeug auf die Reisegeschwindigkeit beschleunigt hat, um parasitären Zug auf das System zu reduzieren; und
c) Drehmomentübertragung vom Verbrennungsmotor zur primären Antriebswelle unter Verwendung des Verbrennungsmotors bei mittlerer Leistung, um das Fahrzeug bei der Reisegeschwindigkeit zu halten.
In diesem Dokument wird der Energiespeicher nicht bis zu einer gewünschten Entladungstiefe nach einer vorbestimmten Anzahl von Meilen entladen.
EP-A-136055 beschreibt ein Verfahren (siehe Seite 4) zur Energieverteilung in einem Fahrzeug, das ein elektrisches Hybridantriebssystem hat, welches einen Verbrennungsmotor und wenigstens einen Elektromotor, die im Betrieb mit einer Antriebswelle verbunden sind, die wenigstens zwei ihr im Betrieb zugeordnete Antriebsräder hat, einen Generator zur Umwandlung mechanischer Energie und Batterien enthält, um die elektrische Energie zu speichern, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Vorsehen einer ersten Betriebsart, durch die an die Antriebswelle Leistung vom Verbrennungsmotor und vom Elektromotor übertragen wird;
b) Vorsehen einer zweiten Betriebsart, durch die Leistung vom Verbrennungsmotor zum Generator und außerdem vom Elektromotor zur Antriebswelle übertragen wird, und
c) Umschalten zwischen der ersten und zweiten Betriebsart unter gewissen vorbestimmten Bedingungen.
In diesem Dokument wird durch Umschalten zwischen der Serien- und Parallelbetriebsart, die abhängig von einem vorbestimmten Ladezustand der Batteriengeschieht, kein optimierter Energieverbrauch des Serien-/Parallelhybridantriebs des Fahrzeugs erreicht.
Bis heute gibt es keinen elektrischen Hybridantrieb für Fahrzeuge, bei dem ein einem Satz von Antriebsrädern Leistung zuführendes Antriebssystem sowohl in paralleler und serieller Konfiguration abhängig von den von einem Fahrer bewirkten Fahrzuständen arbeiten kann. Ein derartiges System würde die optimale Nutzung und Verteilung der Energie in einem Fahrzeug mit elektrischem Hybridantrieb fördern, gleichzeitig den Wirkungsgrad steigern und die schädliche Luftverschmutzung verringern.
Diese Erfindung ist auf ein Verfahren zur Energieverteilung in einem Fahrzeug gerichtet, das ein elektrisches Hybridantriebssystem hat, welches einen Verbrennungsmotor und wenigstens einen Elektromotor enthält in Übereinstimmung mit Anspruch 1.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 definiert.
Das Verfahren enthält den Schritt der Übertragung von Drehmoment vom Verbrennungsmotor und vom Elektromotor an eine Eingangswelle der Getriebebaugruppe, um das Fahrzeug vom Stand bis zu einer vorbestimmten Reisegeschwindigkeit zu beschleunigen, die Entkopplung des elektrischen Motors von der Eingangswelle der Getriebebaugruppe, sobald das Fahrzeug bis zur Reisegeschwindigkeit beschleunigt hat, um parasitären Zug auf das System zu mindern, und die Übertragung von Drehmoment vom Verbrennungsmotor an die Eingangswelle der Getriebebaugruppe unter Einsatz einer mittleren Leistung des Verbrennungsmotors, um die Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs konstant zu halten.
Außerdem enthält das Verfahren den Schritt, der den Elektromotor in einem neutralen Zustand so hält, dass er von der Eingangswelle der Getriebebaugruppe abgekoppelt ist, um parasitären Zug auf das System zu mindern, und unter bestimmten Bedingungen den Schritt des selektiven Eingriffs des Elektromotors an der Eingangswelle der Getriebebaugruppe entweder für den Antrieb ohne Abgasemission oder zur Unterstützung des Verbrennungsmotors bei der Beschleunigung des Fahrzeugs bis zur Reisegeschwindigkeit.
Das Verfahren enthält weiterhin den Schritt, der einen Generator zum Aufladen einer Reihe von Batterien vorsieht, die Energie zur Nutzung durch den Elektromotor beim Antrieb des Fahrzeugs speichern. Diese Erfindung sieht mehrere Verfahren für die Leistungsübertragung zum Generator während des Betriebs des Fahrzeugs vor. Zum Beispiel kann das Verfahren den Schritt enthalten, der Drehmoment von den Antriebsrädern zum Generator überträgt, wenn die Getriebebaugruppe während des Bremsvorgangs herunter geschaltet wird, oder den Schritt, der Leistung direkt vom Verbrennungsmotor zum Generator speist, während der Elektromotor Leistung direkt zur Eingangswelle der Getriebebaugruppe überträgt.
Alternativ kann das Verfahren den Schritt aufweisen, der den Verbrennungsmotor den Generator antreiben lässt, wenn die in den Batterien gespeicherte elektrische Energie unter ein vorbestimmtes minimales Niveau fällt, oder den Schritt, der Leistung vom Verbrennungsmotor zum Generator und zur Eingangswelle der Getriebebaugruppe überträgt, während der Elektromotor in neutralem Zustand gehalten ist, so dass er von der Eingangswelle der Getriebebaugruppe abgekoppelt ist.
Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf ein Verfahren zur Verteilung von Energie in einem Fahrzeug, das ein elektrisches Hybridantriebssystem hat, gerichtet, welches einen Verbrennungsmotor und mindestens einen Elektromotor, die operativ mit einer Antriebswelle verbunden sind, die wenigstens zwei operativ ihr zugeordnete Antriebsräder hat, einen Generator zur Umsetzung mechanischer Energie in elektrische Energie und Batterien zum Speichern der elektrischen Energie enthält. Das Verfahren enthält die Schritte, die eine erste Betriebsart, bei der vom Elektromotor und vom Verbrennungsmotor Leistung an die Antriebswelle übertragen wird, eine zweite Betriebsart, bei der Leistung von dem Verbrennungsmotor an den Generator und außerdem vom Elektromotor an die Antriebswelle übertragen wird, und das Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart unter gewissen vorbestimmten Bedingungen vorsehen.
Bevorzugt enthält der Schritt, der zwischen der ersten und zweiten Betriebsart umschaltet, die Umschaltung von der ersten Betriebsart zur zweiten Betriebsart, wenn die Batterien annähernd 60% entladen sind, und/oder die Umschaltung von der zweiten Betriebsart zur ersten Betriebsart, wenn die Batterien annähernd 20% entladen sind.
Diese und andere Merkmale des erfindungsgemäßen Energieverteilungsverfahrens werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen noch deutlicher.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Damit ein Fachmann, der für diese Erfindung einschlägig ist, besser verstehen kann, wie die Erfindung angewendet wird, werden bevorzugte Ausführungsbeispiele derselben nachstehend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
Fig. 1 perspektivisch ein elektrisches Hybridfahrzeug, das ein übereinstimmend mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung konstruiertes Fahrzeugantriebssystem enthält;
Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des Motorraums des in Fig. 1 dargestellten elektrischen Hybridfahrzeugs, die die jeweiligen Komponenten des Fahrzeugantriebssystems der Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine ebene Draufsicht des Fahrzeugantriebssystems der Erfindung im stationären Zustand;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Fahrzeugantriebssystems dieser Erfindung, welche die Leistungsübertragung vom Verbrennungsmotor zur primären Antriebswelle des Fahrzeugs veranschaulicht;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Fahrzeugantriebssystems dieser Erfindung, die die Leistungsübertragung vom Verbrennungsmotor und vom Elektromotor zur primären Antriebswelle des Fahrzeugs veranschaulicht;
Fig. 6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Antriebssystems, die die Leistungsübertragung von dem Verbrennungsmotor zur primären Antriebswelle des Fahrzeugs und zum elektrischen Generator veranschaulicht;
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Fahrzeugantriebssystems der Erfindung, die die Übertragung von Leistung von den Antriebsrädern des Fahrzeugs zum elektrischen Generator veranschaulicht;
Fig. 8 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebssystems, die die Leistungsübertragung von den Elektromotoren zur primären Antriebswelle des Fahrzeugs veranschaulicht;
Fig. 9 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebssystems, die die Leistungsübertragung von den Elektromotoren zur primären Antriebswelle des Fahrzeugs und vom Verbrennungsmotor zum elektrischen Generator veranschaulicht;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Kupplungsbaugruppe, die das Gaspedal des Fahrzeugs mit dem Verbrennungsmotor und den zwei Elektromotoren des erfindungsgemäßen Antriebssystems verbindet; und
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Systemsteuerung, die die verschiedenen Betriebsarten des erfindungsgemäßen Antriebssystems steuert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nun wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen gleiche Bezugsziffern die gleichen strukturellen Elemente der Erfindung bezeichnen und die in Fig. 1 ein elektrisches Hybridfahrzeug 10 mit einem übereinstimmend mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung konstruierten Antriebssystem 20 veranschaulichen. Kurz gesagt, enthält das Antriebssystem 20 einen Verbrennungsmotor 30 mit verhältnismäßig geringer Leistung (d. h. 20 PS) und zwei herkömmliche Elektromotoren 32 und 34 (d. h. 30 bis 60 PS - Gleichstrommotoren), die Leistung an die Antriebsräder 36 und 38 des Fahrzeugs 10 entweder einzeln oder gleichzeitig abhängig von den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs übertragen. Die spezifische Leistung des Verbrennungsmotors und der Elektromotoren hängt von Größe und Gewicht des Fahrzeugs ab.
Bezogen auf die Fig. 2 und 3 hat das Antriebssystem 20 eine Getriebebaugruppe 40, die eine Eingangswelle 42, an der sie vom Verbrennungsmotor 30 und von den Elektromotoren 32 und 34 ein Drehmoment empfängt, und eine Differentialgetriebebaugruppe 44 für die Drehmomentübertragung auf die Antriebsräder 36 und 38 des Fahrzeugs 10 durch eine primäre Antriebswelle 46 hat. Die Getriebebaugruppe 40 ist ein manuelles Mehrganggetriebe, das mit einer Anzahl von Vorwärtsgängen, Leerlauf- und Rückwärtsgang ausgestattet ist. Andere Konfigurationen sind in Aussicht genommen.
Der Verbrennungsmotor 30 überträgt ein Drehmoment zur Eingangswelle 42 der Getriebebaugruppe 40 über eine neben der primären Antriebswelle 46 montierte sekundäre Antriebswelle 50. Mehr im Einzelnen ist dem Verbrennungsmotor 30 ein riemenscheibenartiger Drehmomentwandler 52 zugeordnet, um Leistung zur sekundären Antriebswelle 50 zu übertragen. Die Drehmomentwandlerbaugruppe 52 enthält eine Antriebsriemenscheibe 54, die an einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 30 montiert ist, eine angetriebene Riemenscheibe 56 mit variablem Durchmesser, die an der sekundären Antriebswelle 60 montiert ist, und einen Riemen 68, der die beiden operativ verbindet. Die Drehmomentwandlerbaugruppe fungiert als kontinuierlich variables Getriebe, das allmählich hochschaltet, wenn das Fahrzeug schneller beschleunigt, wodurch der Verbrennungsmotor mit seiner optimalen Drehzahl arbeiten kann, ohne dass ihm eine zu hohe Last aufgebürdet wird. Die Drehmomentwandlerbaugruppe ermöglicht es dem Fahrzeug 10, nur mit dem verhältnismäßig kleinen Verbrennungsmotor 30, welcher von einem in einem Kraftstofftank 60 enthaltenen Kraftstoff betrieben wird, vom Stand bis zur Reisegeschwindigkeit zu beschleunigen. Wie nachstehend mehr im Einzelnen beschrieben wird, können zu Zeiten, wo der Verbrennungsmotor lediglich zur Beschleunigung des Fahrzeugs auf seine Reisegeschwindigkeit verwendet wird, die Elektromotoren 32 und 34 für eine höhere Beschleunigung oder für eine Bergauf fahrt eingesetzt werden.
Weiterhin, bezogen auf die Fig. 2 und 3, ist an der sekundären Antriebswelle 50 eine Riemenscheibe 62 für die Übertragung eines Drehmoments mittels eines Riemens von der Antriebswelle 50 zu einer zweiten Riemenscheibe 64 montiert, die ihrerseits am Ende der Eingangswelle 42 der Getriebebaugruppe 40 sitzt. Eine Überholkupplung 68 ist auch an der sekundären Antriebswelle 50 zwischen der Riemenscheibe 56 des Drehmomentwandlers 52 und der Antriebsriemenscheibe 62 montiert, um den Verbrennungsmotor 30 von der Eingangswelle 42 der Getriebebaugruppe 40 abzukuppeln. Überholkupplungen sind im Stand der Technik gut bekannt und verwenden die Keilwirkung einer Rolle oder einen Freilauf, um automatisch in der einen Richtung einzugreifen und in der anderen Richtung freizulaufen. D. h., dass der Verbrennungsmotor 30 bei ausgerückter Kupplung 68 vom Rest des Antriebssystems isoliert und dadurch jeder parasitäre Zug auf das System reduziert ist.
Weiterhin wird Bezug auf die Fig. 2 und 3 genommen, die zeigen, dass die Ausgangswellen 32a und 34a der Elektromotoren 32 und 34 mit der Eingangswelle 42 der Getriebebaugruppe 40 jeweils durch Riemen 72 und 74 verbunden sind. Genauer gesagt übertragen die Riemen 72 und 74 Drehmoment auf die jeweiligen Riemenscheiben 76 und 78, die auf der Eingangswelle 42 der Getriebebaugruppe 40 Seite an Seite montiert sind. Überholkupplungen 82 und 84 sind operativ jeweils den Riemenscheiben 76 und 78 zugeordnet, um an der Eingangswelle 42 immer, wenn die Riemenscheibe 76 und 78 schneller drehen als die Eingangswelle 42, anzugreifen. Zum Beispiel können, wenn das Fahrzeug mit der Leistung des Verbrennungsmotors 30 auf die Reisegeschwindigkeit beschleunigt wird und der Fahrer zusätzliche Leistung, um einen Berg hinaufzufahren oder schneller zu beschleunigen, anfordert, die Elektromotoren vom Fahrer aktiviert werden, um so den Verbrennungsmotor bei der Beschleunigung des Fahrzeugs für diese Zeitdauer zu unterstützen. Die Art und Weise wie diese erreicht wird, ist nachstehend mehr im Einzelnen besprochen.
Das Antriebssystem dieser Erfindung enthält auch einen Generator 90 (d. h. ein Generator von 15 bis 22 kW) zur Erzeugung elektrischer Energie zur Speisung der Elektromotoren 32 und 34. Der Generator 90 ist mit einer Reihe konventioneller Blei-Säurebatterien 52 gekoppelt, die um die Mittelachse der Fahrzeugkarosserie angeordnet sind, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Der Generator 90 ist operativ mit einer Ausgangswelle 94 des Verbrennungsmotors 30 durch einen Satz von Riemenscheiben und Kupplungen verbunden. Genauer ist eine Antriebsriemenscheibe 96 an einer Ausgangswelle 94 montiert, um eine an der sekundären Antriebswelle 60 montierte Zwischenriemenscheibe 98 mit doppeltem Laufkranz anzutreiben. Ein erster Antriebsriemen 100 erstreckt sich von der Antriebsriemenscheibe 96 zum inneren Laufkranz 98a der Riemenscheibe 98, um Drehmoment zwischen dieser und einem zweiten Antriebsriemen 102 zu übertragen, der sich vom äußeren Laufkranz 98b der Riemenscheibe 98 bis zu einer Riemenscheibe 104 erstreckt, die auf der Eingangswelle 105 des Generators 90 montiert ist, um dazwischen ein Drehmoment zu übertragen. Zusätzlich ist eine erste Magnetkupplung 108 operativ der Antriebsriemenscheibe 96 zugeordnet, um unter gewissen Betriebsbedingungen selektiv in die Riemenscheibe 96 einzugreifen, und eine zweite Magnetkupplung 110 ist operativ der Riemenscheibe 98 mit doppeltem Laufkranz zugeordnet, um an dieser Riemenscheibe 98 bei anderen Betriebsbedingungen anzugreifen, um selektiv die Verbindung des Verbrennungsmotors 30 mit dem Generator 90 zu steuern.
Nun wird Bezug auf die Fig. 4 bis 9 genommen, die eine Reihe schematischer Darstellungen veranschaulichen, die die Art und Weise zeigen, in der durch das Antriebssystem Leistung dieser Erfindung bei verschiedenen Betriebsbedingungen verteilt wird. In den Zeichnungen geben die Richtungspfeile die Wege an, durch die Leistung zu und von den Komponenten des Antriebssystems 20 übertragen wird und insbesondere zu den beiden Antriebsrädern 36 und 38 des Fahrzeugs 10.
Bezug genommen auf Fig. 4, kann, wie oben diskutiert, das Fahrzeug 10 unter bestimmten Bedingungen von einer stationären Position bis zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit beschleunigen, wobei das Fahrzeug lediglich die vom Verbrennungsmotor 30 gelieferte Leistung verwendet. Deshalb wird, wie die Richtungspfeile in Fig. 4 zeigen, Leistung von der Abtriebswelle 35 des Verbrennungsmotor 30 zur Sekundärantriebswelle 50 durch die Drehmomentwandlerbaugruppe 52 und dann zur Eingangswelle 42 der Getriebebaugruppe über die Riemenscheiben 62 und 64 und den Riemen 66 übertragen. Zu dieser Zeit ist die Überholkupplung 68 an der sekundären Antriebswelle 50 eingerückt und die Überholkupplungen 82 und 84 von der Eingangswelle 42 ausgerückt, so dass während der Beschleunigung die Elektromotoren 32 und 34 keinen parasitären Zug auf das System ausüben. Allerdings rücken, wie oben erwähnt, wenn, um auf einen Berg zu fahren oder schnell zu beschleunigen (d. h. z. B. beim Einordnen in die Spur einer Autobahn oder eines Highways) zusätzliche Leistung benötigt wird, die Überholkupplungen 82 und 84 ein, um so von den Elektromotoren 32 und 34 Leistung an die Eingangswelle der Getriebebaugruppe 40 zu übertragen.
Der Eingriff der Überholkupplungen 82 und 84 wird durch die Bewegung des Gaspedals des Fahrzeugs 10 bewirkt. Genauer ist, wie in Fig. 10 gezeigt, das Gaspedal 118, das die Drosselklappe 120 des Verbrennungsmotors 30 steuert, ebenfalls mit zwei Potentiometern 122 und 124 gekoppelt, die operativ jeweils mit den Elektromotoren 23 und 34 verbunden sind. Im Betrieb überstreicht das Gaspedal 118, wenn es so weit heruntergedrückt wird, dass das Fahrzeug 10 normal bis auf seine Reisegeschwindigkeit beschleunigt, einen Winkel "α", der annähernd gleich ein Drittel der Gesamtdistanz ist, die das Gaspedal 118 gegen die Vorspannung der Drosselklappenfeder 126 überstreichen kann. Während dieser Zeit wird ein Gleiter 128, der mit dem Pedal 118 gekoppelt ist, um eine lineare Distanz "x" entsprechend der Winkeldistanz "α" versetzt. Wenn das Gaspedal 118 über den Winkel "α" hinaus gedrückt wird, um beispielsweise eine starke Beschleunigung zu erzielen, tritt der Gleiter 128 in Wechselwirkung mit einem benachbarten Gleiter 130 und treibt letzteren an. Dabei wird ein Gleiterverbindungsglied 132 gegen die Vorspannung einer Feder 134 versetzt und bewirkt damit, dass parallele Potentiometerverbindungsglieder 142 und 144 rotieren und dadurch jeweils die Elektromotoren 32 und 34 aktivieren. Zu dieser Zeit wird das Fahrzeug 10, wie in Fig. 5 erläutert, durch die kombiniert Kraft des Verbrennungsmotors 30 und der Elektromotoren 32 und 34 betrieben und bringt damit die gleiche Leistung auf, wie ein Automobil mit herkömmlichem Verbrennungsmotor. Wenn die zusätzliche Kraft nicht länger notwendig ist und das Gaspedal 118 in das erste Drittel seines Bewegungssektors zurückgeht, werden die Kupplungen 82 und 84 von der Eingangswelle 42 ausgerückt, und das Fahrzeug wird wieder nur vom Verbrennungsmotor 30 angetrieben. Daraufhin wird die mittlere Leistung des Verbrennungsmotors 30 dazu eingesetzt, das Fahrzeug bei seiner Reisegeschwindigkeit zu halten, und die restliche Spitzenleistung des Verbrennungsmotors kann für die Erzeugung elektrischer Leistung verwendet werden.
Bezogen auf Fig. 5 ist das erfindungsgemäße Antriebssystem 20 auch so gestaltet, dass der Verbrennungsmotor 30 einen Generator 90 auflädt, während das Fahrzeug 10 lediglich vom Verbrennungsmotor angetrieben wird. Während solcher Betriebsbedingungen wird die Magnetkupplung 108 in Eingriff gebracht und jeweils durch die Antriebsriemen 100 und 102 Leistung von der Abtriebswelle 94 des Verbrennungsmotors 30 zur Eingangswelle 105 des Generators 90 übertragen. Durch die Anwendung eines Spannungsreglers und die Wahl der Riemenscheibenübersetzungsverhältnisse zieht der Generator vom Verbrennungsmotor nur wenig Leistung, so dass genügend Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs verbleibt. Die Magnetkupplung 108 wird bevorzugt durch einen Batterieladeindikator und einen Motordrehzahlfühler gesteuert. D. h., dass, wenn die Batterien 92 annähernd 60% entladen sind und der Verbrennungsmotor mit ausreichend hoher Drehzahl dreht, die Kupplung 108 eingerückt wird und daraufhin den Verbrennungsmotor 30 dazu bringt, den Generator 90 anzutreiben. Wenn die Batterien annähernd 20% entladen sind oder der Verbrennungsmotor zu langsam läuft, ist oder wird die Kupplung 108 ausgerückt, um parasitären Zug des Generators auf das System zu vermeiden. Während dieser Zeit des Betriebs wird die Magnetkupplung 110 ausgerückt, so dass die Riemenscheibe 98 mit doppeltem Laufkranz unabhängig von der Drehung der sekundären Antriebswelle 50 Leistung vom Verbrennungsmotor 30 empfangen kann.
Bezogen auf Fig. 7 enthält das erfindungsgemäße Antriebssystem 20 auch ein regeneratives Brems-Subsystem, durch das von den Antriebsrädern des Fahrzeugs 10 Energie an den Generator 90 übertragen wird, wenn die Getriebebaugruppe zur Verlangsamung des Fahrzeugs heruntergeschaltet wird. Im Betrieb wird, wenn das Gaspedal 118 freigegeben wird, die Magnetkupplung 108 ausgerückt, so dass der Verbrennungsmotor 30 zur Leerlaufdrehzahl zurückgeht. Zu dieser Zeit rückt die Überholkupplung 68, die Drehmoment nur in einer Richtung überträgt aus, da die angetriebene Riemenscheibe 56 des Drehmomentwandlers 52 langsamer dreht als die Antriebsriemenscheibe 62 auf der sekundären Antriebswelle 50. Daraufhin kann das Fahrzeug 10 ohne Motorantrieb frei bis zum Halt auslaufen, ohne jeglichen parasitären Zug vom Verbrennungsmotor 30. Danach rückt die Magnetkupplung 110 ein, sobald das Gaspedal gedrückt wird, wodurch Leistung von den Vorderrädern zum Generator 90 übertragen werden kann. Während dieser Zeit wird das Drehmoment von der Eingangswelle 42 der herunterschaltenden Getriebebaugruppe durch die Antriebsriemen 66 und 102 an den Generator 90 übertragen.
Nun wird Bezug auf Fig. 8 genommen, in der das erfindungsgemäße Antriebssystem so konfiguriert ist, dass es in einer Betriebsart ohne Emission arbeitet, bei der die Antriebsräder des Fahrzeugs 10 allein von den Elektromotoren 32 und 34 angetrieben werden. In dieser Betriebsart stehen die Überholkupplungen 32 und 34 in Eingriff und Leistung wird von den Elektromotoren 32 und 34 an die Eingangswelle 42 der Getriebebaugruppe 40 jeweils durch die Antriebsriemen 72 und 74 übertragen. Zu dieser Zeit wird eine dritte Magnetkupplung 150, die auf der Eingangswelle 42 der Getriebebaugruppe 40 montiert ist, eingerückt, und die Riemenscheiben 62 und 64 werden gedreht, so dass ohne weiteres Leistung für den Generator 90 zur Verfügung steht, wenn das Gaspedal des Fahrzeugs getreten wird. Zusätzlich wird die Überholkupplung 68 ausgerückt, so dass der Verbrennungsmotor 30 und der Drehmomentwandler 42 stationär bleiben. Außerdem werden zu dieser Zeit die Magnetkupplungen 108 und 110 ausgerückt, um jeden unnötigen parasitären Zug zu eliminieren. Weiterhin zeigt das Gaspedal 118 während des ersten Drittels seines Betätigungswegs keinerlei Reaktion, weil der Motor 30, wenn das Fahrzeug in Null-Emissions-Betrieb arbeitet vom Rest des Systems isoliert ist. Wenn jedoch das Gaspedal weiter gedrückt wird, werden die Potentiometer, die die Drehzahl der Elektromotoren 32 und 34 steuern, aktiviert.
Die in Fig. 8 dargestellte Null-Emissions-Betriebsart kann wahlweise vom Fahrer durch Betätigen eines am Armaturenbrett des Fahrzeug befindlichen Wahlschalters 160 gewählt werden (siehe Fig. 1). Deshalb kann der Fahrer, wenn er eine Kurzfahrt, z. B. 25 Meilen oder weniger, unternimmt und in einer städtischen Umgebung fährt, bei der hohe Schadstoffemissionsrichtlinien gelten, den Null-Emissions-Betrieb leicht auswählen. Allerdings ist wegen der Speicherkapazität der Batterien diese Betriebsweise bei längeren Fahrten nicht vorteilhaft.
Bezogen auf Fig. 9 wird eine schematische Darstellung der Art und Weise erläutert, in der Leistung innerhalb des erfindungsgemäßen Antriebssystems 20 verteilt wird, wenn das System von einer Parallelbetriebsart in eine Serienbetriebsart umgeschaltet wird. Bei der Parallbetriebsart wird mechanische Energie vom Verbrennungsmotor 30 den Antriebsrädern direkt zusammen mit Energie von den Elektromotoren übertragen. Im Serienbetrieb, der bei einem ein wiederholtes Anhalten und Anfahren ("Stop and Go") erfordernden Verkehr wirksamer ist, als eine Parallelkonfiguration, wird den Antriebsrädern Leistung nur von den Elektromotoren zugeführt, und der Verbrennungsmotor dient dazu, den Generator anzutreiben.
Fig. 11 zeigt schematisch, dass das erfindungsgemäße Antriebssystem eine mit einem Computer ausgestattete Steuer einheit 170 verwendet, um zwischen der Serien- und Parallelbetriebsart umzuschalten. Die Systemsteuereinheit überwacht alle Steuerparameter des Antriebssystems, einschließlich beispielsweise des Ladezustands der Batterie, und die Fahrzeuggeschwindigkeit, und ist elektrisch mit jeder der interaktiven Komponenten des Antriebssystems verbunden. Bei für die Serienbetriebsart günstigen Bedingungen rückt die Systemsteuereinheit die Magnetkupplung 150 aus und die Magnetkupplung 110 ein, so dass die gesamte mechanische Energie des Verbrennungsmotors 30 über die sekundäre Antriebswelle 50 dem Generator 90 zufließt. Da der Drehmomentwandler zu dieser Zeit in Betrieb ist, erhöht und verringert sich die elektrische Leistungserzeugung proportional zur Motordrehzahl. In dieser Betriebsweise ist es auch möglich, zeitweilig die Kupplung 150 einzurücken, damit dem Generator von den Antriebsrädern während den regenerativen Bremsperioden Leistung zufließt. In solchen Zeiten gestattet die Überholkupplung 68, dass sich die Drehzahl des Verbrennungsmotors 30 auf die Leerlaufdrehzahl verringert, so dass die dabei verbrauchte Energie zurückgewonnen wird.
Diese Erfindung sieht ein Fahrzeug mit elektrischem Hybridantrieb mit mehreren einzigartigen Komponenten vor, die enthalten: (1) einen riemenscheibenartigen Drehmomentwandler, der zusammen mit dem Verbrennungsmotor und einem Mehrganggetriebe verwendet wird; (2) eine Überholkupplung, die gestattet, dass das Fahrzeug nur mit elektrischen Leistung ohne parasitären Zug von dem Verbrennungsmotor oder dem Drehmomentwandler angetrieben wird; und (3) eine Kupplung, die dem Hybridantriebssystem gestattet, von der Serienbetriebsart zur Parallelbetriebsart und umgekehrt umzuschalten.
Obwohl diese Erfindung bezogen auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es den Durchschnittsfachleuten auf diesem Gebiet deutlich, dass daran verschiedene Änderungen und Modifikationen, die durch die beiliegenden Patentansprüche definiert sind, ausgeführt werden können. Z. B. können die Riemen und Riemenscheiben alle durch eine Zahnradbox oder einen Getriebekasten ersetzt werden, der Eingangs- und Ausgangswellen für den Verbrennungsmotor, den Generator und die Elektromotoren hat. Zusätzlich können die Drosseleinheiten für die Elektromotoren und den Verbrennungsmotor statt durch das beschriebene und in Fig. 10 gezeigte mechanische System durch Computergesteuerte Aktoren betrieben werden. Dadurch könnte der Computer automatisch die Betriebszyklen des Verbrennungsmotors und der Elektromotoren so abgleichen, dass jede gewünschte Batterieentladungstiefe nach einer spezifizierten Anzahl gefahrener Meilen erreicht werden kann.
Es ist auch in Aussicht genommen, dass das erfindungsgemäße Energieverteilungssystem zur Verringerung der Energiekosten im Haus eingesetzt werden kann. Insbesondere lässt sich das Fahrzeug als beweglicher Generator zur elektrischen Energieversorgung des Hauses verwenden. In derartigen Fällen können Solaranlagen zum Aufrechterhalten der Batterieladung in Zeiten mittleren Leistungsverbrauchs und der Verbrennungsmotor bei Spitzenleistungsanforderungen eingesetzt werden. Statt herkömmlichen Kraftstoffen läßt sich der Verbrennungsmotor auch mit Naturgas betreiben.

Claims

1. Verfahren für die Energieverteilung in einem Fahrzeug (10), das ein elektrisches Hybridantriebssystem (20) hat, das einen Verbrennungsmotor (30) mit innerer Verbrennung und wenigsten einen, mit einem Energiespeicher gekoppelten Elektromotor (32, 34) enthält, wobei der Verbrennungsmotor (30) und der wenigstens eine Elektromotor (32, 34) ein Drehmoment einer Primärwelle (26) zuführt, die wenigstens zwei ihr im Betrieb zugeordnete Antriebsräder (36, 38) hat, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Zufuhr eines Drehmoments vom Verbrennungsmotor (30) und vom Elektromotor (32, 34) zur Primärwelle (46), um das Fahrzeug (10) vom Stand bis zu einer vorbestimmten Reisegeschwindigkeit zu beschleunigen;

b) Abkoppeln des Elektromotors (32, 34) von der Primärantriebswelle (46), sobald das Fahrzeug (10) auf die Reisegeschwindigkeit beschleunigt hat, zur Verringerung parasitären Zugs auf das System (20);

c) Zufuhr von Drehmoment vom Verbrennungsmotor (30) zur Primärantriebswelle (46) unter Nutzung einer mittleren Leistung des Verbrennungsmotors (30), um das Fahrzeug (10) bei der Reisegeschwindigkeit zu halten; und

d) Abgleich von Betriebszyklen bei der Übertragung von Drehmoment von dem Verbrennungsmotor (30) und dem wenigstens einen Elektromotor (32, 34), zum Erreichen einer Solltiefe der Entladung des Energiespeichers nach einer spezifizierten Anzahl von Meilen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

(i) das weiterhin den Schritt auf weist, der den Elektromotor (32, 34) in einem neutralen Zustand hält, so dass er von der Primärantriebswelle (46) zur Verringerung des parasitären Zugs auf das System abgekoppelt ist; oder

(ii) das weiterhin den Schritt aufweist, der einen Generator (90) vorsieht, um elektrische Energie für den Energiespeicher und für den Elektromotor (32, 24)für die Nutzung zum Antrieb des Fahrzeugs (10) zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, Teil (i), das weiterhin einen Schritt eines selektiven Eingriffs des Elektromotors (32, 34) an der Primärantriebswelle (46) aufweist, um den Verbrennungsmotor (30) bei der Beschleunigung des Fahrzeugs (10) auf die Reisegeschwindigkeit zu unterstützen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des selektiven Eingriffs des Elektromotors (32, 34) an der Primärantriebswelle (46) das Drücken eines Gaspedals (48) des Fahrzeugs (10) um eine vorbestimmte Distanz umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 2, Teil (ii), das einen der folgenden Schritte (a), (b) oder (c) aufweist:

a) Das Fahrzeug (10) enthält Bremsen und außerdem weist das Verfahren den Schritt der Übertragung von Drehmoment von den Antriebsrädern (36, 38) zum Generator (90) bei Betätigung der Bremsen auf; oder

b) das Verfahren weist weiter den Schritt der Übertragung von Leistung direkt vom Verbrennungsmotor (30) zum Generator (90) auf, während der Elektromotor (32, 34) Leistung direkt zur Primärantriebswelle (46) überträgt; oder

c) das Verfahren weist weiterhin den Schritt der Übertragung von Leistung vom Verbrennungsmotor (30) sowohl an den Generator (90) als auch zur Primärantriebswelle (46) auf, während der Elektromotor (32, 34) in neutralem Zustand verbleibt, so dass er von der Primärantriebswelle (46) entkoppelt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, Teil (b), das weiterhin den Schritt eines Eingriffs des Verbrennungsmotors (30) am Generator (90) auf weist, wenn die im Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie unter ein vorbestimmtes Mindestniveau fällt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt der Übertragung von Drehmoment zur Primärantriebswelle (46) vom Verbrennungsmotor (30) und vom Elektromotor (32, 34) mittels einer Getriebebaugruppe (40) und außerdem folgende Schritte aufweist:

a) Übertragung von Drehmoment vom Verbrennungsmotor (30) und vom Elektromotor (32, 34) an eine Eingangswelle (42) der Getriebebaugruppe (40), um das Fahrzeug (10) vom Stand bis zu der vorbestimmten Reisegeschwindigkeit zu beschleunigen;

b) Abkoppeln des Elektromotors (32, 34) von der Eingangswelle (42) der Getriebebaugruppe (40), sobald das Fahrzeug bis zur Reisegeschwindigkeit beschleunigt hat, um parasitären Zug auf das System (20) zu reduzieren; und

c) Übertragen von Drehmoment vom Verbrennungsmotor (30) zur Eingangswelle (42) der Getriebebaugruppe (40) unter Nutzung einer mittleren Leistung des Verbrennungsmotors (30), um das Fahrzeug (10) bei der Reisegeschwindigkeit zu halten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem weiterhin

(i) ein Schritt, der den Elektromotor (32, 34) in neutralem Zustand so hält, dass er von der Eingangswelle (42) der Getriebebaugruppe (40) entkoppelt ist, um parasitären Zug auf das System (20) zu reduzieren; oder

(ii) einen Schritt vorgesehen ist, der einen Generator (90) zur Erzeugung elektrischer Energie für den Energiespeicher und den Elektromotor (32, 34) für dessen Nutzung für den Antrieb des Fahrzeugs (10) vorsieht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, Teil (i), das weiterhin den Schritt eines selektiven Eingriffs des Elektromotors (32, 34) an der Eingangswelle (42) der Getriebebaugruppe (40) auf weist, um den Verbrennungsmotor (30) bei der Beschleunigung des Fahrzeugs (10) auf die Reisegeschwindigkeit zu unterstützen; oder für den Teil (ii), weiterhin einen der folgenden Schritte (a) bis (d) auf weist:

a) einen Schritt einer Übertragung von Drehmoment von den Antriebsrädern (36, 38) zum Generator (90), wenn die Getriebebaugruppe (40) während des Bremsens herunter geschaltet wird; oder

b) einen Schritt der Übertragung von Leistung direkt vom Verbrennungsmotor (30) zum Generator (90), während der Elektromotor (32, 34) Leistung direkt zur Eingangswelle (42) der Getriebebaugruppe (40) überträgt; oder

c) einen Schritt, der den Verbrennungsmotor (30) mit dem Generator (90) koppelt, wenn die im Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie unter ein vorbestimmtes Mindestniveau fällt; oder

d) einen Schritt, der Leistung vom Verbrennungsmotor (30) zum Generator (90) und zur Eingangswelle (42) der Getriebebaugruppe (40) überträgt und gleichzeitig den Elektromotor (32, 34) in einem neutralen Zustand so hält, dass er von der Eingangswelle (42) der Getriebebaugruppe (40) entkoppelt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, Teil (i), bei dem der Schritt des selektiven Eingriffs des Elektromotors (32, 34) an der Primärantriebswelle (46) das Drücken eines Gaspedals (118) des Fahrzeugs (10) um eine vorbestimmte Distanz umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 1, das einen Generator (90) zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie und Batterien (92) als den Energiespeicher enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Vorsehen einer ersten Betriebsart, bei der Leistung zur Antriebswelle (46) vom Verbrennungsmotor (30) und vom Elektromotor (32, 34) übertragen wird;

b) Vorsehen einer zweiten Betriebsart, bei der Leistung zum Generator (90) vom Verbrennungsmotor (30) und außerdem Leistung vom Elektromotor (32, 34) zur Antriebwelle (46) übertragen wird; und

c) Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und zweiten Betriebsart unter gewissen vorbestimmten Bedingungen; wobei der Schritt, der zwischen der ersten und zweiten Betriebsart umschaltet, eine Umschaltung von der ersten Betriebsart zur zweiten Betriebsart enthält, wenn die Batterien annähernd 60% oder annähernd 20% entladen sind.