Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Automatisiertes Fahrzeuggetriebe mitelektrischer Regelung Hybridgetriebe

Prof. Dr.- Ing. Peter Tenberge *Prof. Dr.- Ing. Wilfried Hofmann

Fachtagung E-Maschine im Antriebsstrang

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Automatisiertes Fahrzeuggetriebe mit elektrischer Regelung

Hybridgetriebe

Anforderungen an ein Fahrzeuggetriebe

Konzept und Aufbau des Hybridgetriebes

Funktionen und Regelung des Hybridgetriebes

Simulationsergebnisse

1

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Stand der Technik bei Fahrzeuggetrieben(Serien)

6-GangPKW-Handschaltgetriebe

(OPEL F28-6)

5-GangPKW-Automatgetriebe

(ZF 5HP 18) 2

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

HoherWirkungsgrad

• Kraftübertragung möglichst über Zahnräder• Wenig leerlaufende Zahnräder und Schaltelemente

GeringerEnergieverbrauch

• Weite Getriebespreizung ∞ > i > 0,5• Stufenlose Übersetzungsänderung• Bremsenergierekuperation

• Leises Betriebsgeräusch• Automatisierte Übersetzungsänderung nach Fahrerwunsch• Wenige ruckfreie Schaltungen im Übersetzungsbereich

HoherKomfort

Wettbewerbs-fähig bei Gewicht, Bauraum, Kosten

• Möglichst wenige, einfache Bauteile• Mehrfach-Nutzung der Bauteile für alle Getriebefunktionen• Anfahren, Drehmomentaufbau, Übersetzungsverstellung,

Bremsen

Zusatznutzen • Starterfunktion, Generatorfunktion

Anforderungen an neuartige Fahrzeuggetriebe 3

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

3-W-PG

S

RSt

Speicher

VM

Steuerung

ab

E2 E1

Konzept des TOYOTA-Hybridsystems mit 3-Wellen-Planetengetriebe 4

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

5-W-PG

-105-99

BO

27

39

32

45

KDBE

H

BH

Steuerung

VM

Speicher

ab

E2 E1

5Konzept des Hybridgetriebes HG 120 mit 5-Wellen-Planetengetriebe

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

1

0,8

0,6

0,4

0,2

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1

T 120 Nm

ηE n 6000 min-1

6Wirkungsgradkennfeld einer permanenterregten Synchronmaschine

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Sonnenradn Steg Hohlrad

PSteg

TSonne

THohlrad

TSteg

PSteg

TSteg

TSonne

PSonne THohlrad

8000/min6000/min4000/min2000/min

0/min

7Drehzahlen, Drehmomente und Leistungen in Planetengetrieben

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

E1Pab

Steuerung

PSp.

PE2 PE1

TE2

Tab nH =0

TE1

PSp.

SteuerungPE2 PE1

TE2

TE1

nH =0ab

HabVME2nn E2 VM ab H E112000/min

2000/min

-6000/min-4000/min-2000/min

0/min

4000/min6000/min8000/min

10000/min

Speicher

TH

Speicher SteuerungPSp.

SpeicherPSp.

Steuerung

Speicher

12000/min

2000/min

-6000/min-4000/min-2000/min

0/min

4000/min6000/min8000/min

10000/min

Pab

BE BH H

PE2

E2

PE1

E1

BE BH H

Pab

PE2

E2

PE1

E1

Pab

Anfahren mit kleiner Last Anfahren mit mittlererLast 8

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Steuerung

Pab

Steuerung

PSp.

n E2 VM ab H E1 n E2 VM ab H E1

Speicher

Pab

PE2 PE1

TE1

Tab

TE2 TH

TE2TH

TVM

PVM

PE2

Tab

TE1

PE1

PSp.

Speicher

12000/min

2000/min

-6000/min-4000/min-2000/min

0/min

4000/min6000/min8000/min

10000/min12000/min

2000/min

-6000/min-4000/min-2000/min

0/min

4000/min6000/min8000/min

10000/min

nH =0 nH =0

Speicher SteuerungSpeicherPSp.

Steuerung

Pvm

PSp.

PabPab

BE BH H

PE2

E2

PE1

E1

BE BH H

PE2

E2

PE1

E1

Anfahren mit hoher Last Anfahren mit 3 Antrieben 9

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

nn E2 VM ab H E112000/min

2000/min

-6000/min-4000/min-2000/min

0/min

4000/min6000/min8000/min

10000/min

Pab Pab

TE1TE2

TVM

PVM

PE2 PE1Steuerung

PSp.

Speicher

12000/min

2000/min

-6000/min-4000/min-2000/min

0/min

4000/min6000/min8000/min

10000/min

E2 VM ab H E1

TE1

TE2

Tab

Tab

PE2 PE1

PSp.

Speicher

Steuerung

PVM

SteuerungPSp.

Speicher SpeicherPSp.

Steuerung

Pab

BE BH H PE2

E2

PE1

E1Pab

BE BH H PE2

E2

PE1

E1

10Hybrides Fahren mit Speicherbetrieb Elektrisches Bremsen

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

5000min

∆∆

n VM

∆∆

0 min

TBNm 0/min >> nab >> 6000/min

11Maximale elektrische Bremsmomente am Abtrieb des HG 120

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

E2

Steuerung

abVMPab =0

H E1 n E2

nvm=0

Steuerung

PSp.

abVM H E1

Speicher SteuerungPSp.

PVM Pab

Speicher SteuerungPSp.

Pab =0

n

12000/min

2000/min

-6000/min-4000/min-2000/min

0/min

4000/min6000/min8000/min

10000/min

Pab

Tab

PE2

Speicher Speicher

PE2

TE1

Tab

PE1

TE2

TE2

TE1

TVM

PVM

nab=0

PSp.

PE2 PE1BE BH H

E2 E1BE BH H

E2 E1

12000/min

2000/min

-6000/min-4000/min-2000/min

0/min

4000/min6000/min8000/min

10000/min

PE1

Anfahren mit geared neutral Rangieren vorwärts/rückwärts 12

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Betriebsmodus

ElektrischesAnfahren

Hybrides Fahrenmit i = i1 ca. 2

Hybrides Fahreni1 > i > imin

Geared neutralAnfahren i > i1

ElektrischBremsen

Rangieren

TabE1 E2

V-Motor Welle HE-Maschine

klein

hoch

hoch

ca. -2 TVM

drehzahlgeregelt

lastgeregelt

lastgeregelt

geschleppt

drehzahlgeregelt

drehzahlgeregelt

drehzahlgeregelt

drehzahlgeregelt

lastgeregelt

klein

hoch

klein

f (nab,nan)

lastgeregelt

lastgeregelt

lastgeregelt

geschleppt

lastgeregelt

lastgeregelt

lastgeregelt

lastgeregelt

lastgeregelt

geschleppt

geschleppt

lastgeregelt

lastgeregelt

lastgeregelt

lastgeregelt

geschleppt

BE zu

BE auf

BH zu

BH auf

BH auf

BH auf

BH auf

BH auf

BH zu

BH zu

BH zu

Übersicht über die Betriebszustände im HG 120 13

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

P

Rr

N

D

Rv

=

=

=

=

Parken

Rangieren

Neutral

Fahrbetrieb

Elektrisch entriegelte, federbelastetemechanische Parksperre aufAbtriebswelle wirkend

Rangieren vorwärts und Rangieren rückwärts in einerFahrschalterebene

Beide E-Maschinen lastfrei,alle Schaltelemente offen

Elektrisches Anfahren + hybrides Fahrenmit adaptiver Drehzahlregelung. Anfahrenmit geared neutral wird über den Ladezustand des Speichers automatischerkannt

Fahrschalter für das Hybridgetriebe HG 120 14

150

100

50

0

-50

-100

-150

Dre

hmom

ent [

Nm

]

0-2000 2000 4000 6000 0-2000 2000 4000 6000

150

100

50

0

-50

-100

-150

Drehzahl [1/min]

250

50

150

100

Dre

hmom

ent [

Nm

] 200

00 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Maschine E1 Maschine E2

Drehzahl [1/min]

Verbrennungsmotor

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Auslastung des Hybridantriebes mit Ottomotor imUS-City-Zyklus mit BSP bei Regelung auf Fahrdynamik 15

150

100

50

0

-50

-100

-150

Dre

hmom

ent [

Nm

]

0-2000 2000 4000 6000 0-2000 2000 4000 6000

150

100

50

0

-50

-100

-150

Drehzahl [1/min]

250

50

150

100

Dre

hmom

ent [

Nm

] 200

0

0 1000 2000 40003000 5000

Drehzahl [1/min]

Maschine E1 Maschine E2

Verbrennungsmotor

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Auslastung des Hybridantriebes mit Dieselmotor imUS-City-Zyklus mit BSP bei Regelung entlang der MVK 16

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

MVK

7,0076,7

24,2

37,4

6,4886,6

11,5

56,8

7,4481,5

25,6

31,0

6,4886,6

9,5

33,7

=

=

=

=

=

8,8797,1

21,2

30,9

6,7990,8

8,0

33,6

0,822°

9,13100,0

21,0

27,3

7,48100,0

8,7

21,0

MVK

4,8882,7

25,0

30,1

4,2292,3

9,5

42,1

5,1386,9

25,2

27,4

4,2693,2

9,3

31,4

5,90100,0

21,0

25,1

4,4697,6

7,8

31,3

0,692°

5,90100,0

21,0

25,1

4,57100,0

7,7

27,8

imin

Bremsenergie-speicherung

Regelung entlang

Verbr. [L/100 km]

rel. Verbrauch [%]

TE1 eff. [Nm]

TE2 eff. [Nm]

Verbr. [L/100 km]

rel. Verbrauch [%]

TE1 eff. [Nm]

TE2 eff. [Nm]

Fahrzeugdaten:

Motor:

MVK minus Dynamikleistung

keine BSP mit BSP keine BSP mit BSP

0,45

Fahrzeugmasse

Luftwiderstandsfläche

dyn. Reifenhalbmesser

Zusatzmasse Batterie (1 kWh)

Zusatzmasse Leistungssteuerung

1475 kg

0,63 m2

US-City-Zyklus

US-Highway-Zyklus

0,45

MVK minus Dynamikleistung

299 mm

30 kg

30 kg

stufenloseBetriebsweisedes Getriebes

Pmax

Tmax

beminρ(Kraftstoff)

Vmax

iAchs

nabmax

235 Nm bei 1900/min

6000/min

3,497 3,491

7300/min

245 Nm bei 4500/min

247 g/kWh

730 kg/m3

236 km/h

Dieselmotor

81 kW bei 4150/min

Ottomotor

150 kW bei 6000/min

191 km/h830 kg/m3

198 g/kWh

Kraftstoffverbräuchebeim Einsatz des HG 120 in einem PKW 17

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Häufigkeitsverteilung der Speicherleistung im US-City-Zyklus(Ottomotor + Regelung auf Fahrdynamik mit und ohne BSP) 18

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt

Leistung wird zu ca. 85% rein mechanisch über Zahnräder übertragenhoher Wirkungsgrad

Trotzdem wenig Zahnräder und wenige, einfache SchaltelementeElektrisches Stellgetriebe anstelle von Anfahrelement, Synchronisierung, Variator

wettbewerbsfähiges Gewicht, Bauraum

Großer Stellbereich ∞ > i > 0,45 ohne Schaltungen stufenlos durchfahrbarFeste Übersetzungen i° = 2 / 1,35 / 1 / 0,57 schaltbar

2 Bremsen nur beim Anfahren unter Vollast erforderlich

Drehmomentwandlung beim Anfahren und Boostereffekt durchAddition der Momente von V-Motor und E-Maschinen

Getriebe auch mit herkömmlicher Starterbatterie funktionsfähigAnfahren dann über geared-neutral

Bremsenergierekuperation und Start/Stopp-Funktion erfordert zusätzlichen Speicherzusätzlicher Minderverbrauch

reiner E-Betrieb möglich

Hybridgetriebe sehr gut geeignet in Verbindung mit Brennstoffzellenantrieb

19Zusammenfassung der Eigenschaften des HG 120

Institutfür

Konstruktions-und

Antriebstechnik

Prof. Dr. Tenberge

AutomatisiertesFahrzeuggetriebemit elektrischer

Regelung

Hybridgetriebe

4/1999

Präsentation05-Hybridgetriebe-Tenberge_000_d_Index_-.ppt