Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem An¬ triebsmotor, insbesondere Verbrennungsmotor eines Kraft- fahrzeugs und einer elektrischen Maschine.

Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind herkömmlicherweise mit zwei elektrischen Maschinen ausgerüstet. Eine elektrische Maschine dient als Generator zur Stromversorgung (Lichtmaschine) , eine weitere zum Star¬ ten des Verbrennungsmotors (Starter) .

Ferner hat ein Kraftfahrzeug eine Batterie, welche die Funktion eines chemischen Speichers der in der Lichtmaschi- ne erzeugten Energie übernimmt. Die in der Batterie gespei¬ cherte Energie wird zum Starten des Kraftfahrzeugs sowie zum Betreiben elektrischer Verbraucher verwendet.

Elektrische Maschinen, Verbrennungsmotor und Batterie wer- den für den jeweiligen Anwendungsfall aufeinander abge¬ stimmt. Dabei soll die Batterie in Antriebssystemen her¬ kömmlicher Kraftfahrzeuge hohe Ströme liefern, um die bei

Verbrennungsmotoren benötigte hohe Startleistung zu erbrin¬ gen. Außerdem muß sie, insbesondere bei nicht angetriebener Lichtmaschine, elektrische Energie für die elektrischen Verbraucher bereitstellen.

Herkömmlicherweise wird im Kraftfahrzeug ein Blei/Schwe¬ felsäure-Akkumulator als Batterie verwendet (s. Robert Bosch GmbH, "Kraftfahrtechnisches Handbuch", VDI-Verlag, Düsseldorf 1991, S.763 f.). Dieser zeichnet sich durch hohe Zyklenzahl und hohe Zuverlässigkeit aus und ist zugleich kostengünstig. Die bekannten Kraftfahrzeugs-Antriebssysteme mit Blei/Schwefelsäure-Akkumulator haben aber den Nachteil, daß sie in ihrer Leistungs- und Energiedichte beschränkt sind.

Die vorliegende Erfindung geht von dem technischen Problem aus, die herkömmlichen Antriebssysteme insbesondere von Kraftfahrzeugen zu verbessern.

Sie erreicht dies mit einem Antriebssystem mit einem Antriebsmotor, insbesondere Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, einer elektrischen Maschine, die zusätzlich antreibend wirkt, - und wenigstens einer Kurzzeitbatterie, welche die bei antreibender Wirkung der elektrischen Maschine benötigte Energie wenigstens teilweise liefert (Anspruch 1) .

Das Antriebssystem ist in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Als (Haupt-)Antriebsaggre¬ gat weist es einen Motor, insbesondere einen Verbrennungs¬ motor auf. Der Verbrennungsmotor wird beim Antrieb des Fahrzeugs zeitweise von einer elektrischen Maschine unter¬ stützt. Es können auch mehrere Motoren und/oder mehrere elektrische Maschinen vorhanden sein. Die elektrische(n) Maschine(n) wird/werden von einer oder mehreren Kurzzeit¬ batterien gespeist. Diese sind im Vergleich zu den Batte-

rien herkömmlicher Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen hoch belastbar und weisen eine kurze Entladedauer auf. Aus die¬ sem Grund kann die von der Kurzzeitbatterie gespeiste elek¬ trische Maschine eine hohe zusätzliche, nur über einen kur- zen Zeitraum aufrechterhaltbare Antriebsleistung erbringen (kurzfristiges Beschleunigen, "Boosten") .

Das erfindungsgemäße Antriebssystem stellt also einen Hoch¬ leistungsspeicher für kurzzeitige zusätzliche Beschleuni- gungsreserven bereit.

Ein derartiges Antriebssystem kann gegenüber herkömmlichen Systemen eine höhere Leistung bei gleichem Kraftstoffver¬ brauch erbringen bzw. bei gleicher Leistung den Kraftstoff- verbrauch verringern. Der Grund ist der folgende:

Durchschnittliche Fahrten mit Kraftfahrzeugen sind dadurch gekennzeichnet, daß sich lang andauernde Phasen geringerer Anforderung an die Antriebsleistung mit kurz andauernden Phasen höherer Anforderung abwechseln. Beispielsweise folgt auf eine kurze Beschleunigungsphase nach dem Start eine lange Phase des Fahrens bei höherer konstanter Ge¬ schwindigkeit, darauf folgt eine kurze Beschleunigungsphase zum Überholen, usw.

Bei herkömmlichen Antriebssystemen sorgt der Verbrennungs¬ motor allein für den Antrieb. Dieser muß also in den lang andauernden Phasen geringerer Anforderung an die Antriebs¬ leistung ein geringes, und in den kurz andauernden Phasen höherer Anforderung an die Antriebsleistung ein hohes Dreh¬ moment liefern. Um Unabhängigkeit von der Motorgröße zu erreichen, bezieht man das vom Motor gelieferte Drehmoment auf das Hubvolumen des Motors (sog. Nutzmitteldruck oder effektiver Mitteldruck) . Der Motor wird somit relativ lange im Bereich geringerer effektiver Mitteldrücke (d.h. bei Teillast) , und relativ kurz im Bereich höherer effektiver Mitteldrücke (d.h. bei oder nahe bei Vollast) betrieben.

Effektiver Mitteldruck und Drehzahl legen den Betriebspunkt des Motors fest. Der Betriebspunkt beeinflußt wesentlich Geräusch, Abgasemission, Beanspruchung und spezifischen Kraftstoffverbrauch des Motors.

Der spezifische Kraftstoffverbrauch (d.h. der auf die Mo¬ torleistung bezogene Kraftstoffverbrauch) des Motors wird im wesentlichen vom effektiven Mitteldruck, und nur gering¬ fügig von der Drehzahl beeinflußt. Bei geringeren effekti- ven Mitteldrücken ist der spezifische Kraftstoffverbrauch im allgemeinen relativ hoch, wohingegen er bei höheren effektiven Mitteldrücken im allgemeinen relativ gering ist.

Der spezifische Kraftstoffverbrauch des Motors ist dessen Nutzwirkungsgrad umgekehrt proportional. Der Motor herkömm¬ licher Antriebssysteme wird demzufolge über große Zeiträume bei geringem und über kurze Zeiträume bei hohem Wirkungs¬ grad betrieben. Daraus ergibt sich ein ungünstiger Gesamt¬ wirkungsgrad und ein hoher Kraftstoffverbrauch.

Beim erfindungsgemäßen Antriebssystem ist der Motor dagegen vorteilhaft kleiner ausgelegt, d.h. so, daß er bereits in den Phasen geringerer Leistungsanforderung bei bzw. nahe bei Vollast, d.h. im energetisch günstigeren Bereich höhe- rer effektiver Mitteldrücke betrieben wird.

In Phasen höherer Leistungsanforderung sorgt dann die elek¬ trische Maschine, und nicht der Motor für den zusätzlichen Antrieb ("Boosten") . Die Kurzzeitbatterie ist so ausgelegt, daß deren (kurze) Entladedauer größer ist als die Dauer einer Phase höherer Leistungsanforderung. Selbst dann, wenn in Phasen höherer Leistungsanforderung das System Motor - elektrische Maschine einen geringeren Wirkungsgrad hat als ein allein für den Antrieb sorgender Motor, kommt es zu einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads. Der Grund ist, daß wie oben erläutert, die Phasen höherer Leistungsanforderung kürzer sind als die Phasen geringerer Leistungsanforderung.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem wird demzufolge über große Zeiträume bei hohem und über kurze Zeiträume bei geringem Wirkungsgrad betrieben. Daraus ergibt sich ein höherer Gesamtwirkungsgrad. Das erfindungsgemäße An- triebssystem führt damit zu einer Verringerung des Kraft¬ stoffverbrauchs und somit auch zu einer Verringerung der Schadstoffemission.

Außerdem hat das erfindungsgemäße Antriebssystem den Vor- teil geringer Baugröße, geringen Gewichts und geringer Kosten. Der Grund liegt zum einen in der oben erläuterten kleineren Auslegung des Verbrennungsmotors, zum anderen in der Verwendung einer hoch belastbaren Batterie mit kurzer Entladedauer (Kurzzeitbatterie) . Grundsätzlich wäre auch die Verwendung einer genauso hoch belastbaren Batterie mit langer Entladedauer, d.h. entsprechend höherer Kapazität (und damit gespeicherter Energie) denkbar. Batterien sind aber fertigungstechnisch und materialmäßig um so aufwendi¬ ger, je höher Energiegewicht (in Wh/kg) und Energievolumen (in Wh/1) sind. Dies würde bei Verwendung einer hoch be¬ lastbaren Batterie mit langer Entladedauer im Vergleich zu einer Kurzzeitbatterie zu größerer Baugröße und höherem Gewicht und/oder zu höheren Kosten führen.

Außer einer hoch belastbaren Batterie wäre grundsätzlich auch die Verwendung einer gering belastbaren Batterie denk¬ bar. Da jedoch bei gering belastbaren Batterien Leistungs¬ gewicht (in W/kg) und Leistungsvolumen (in W/1) geringer sind, kann die für die oben erläuterte kraftstoffsparende Wirkung notwendige Leistung der elektrischen Maschine nur mit großen und schweren, gering belastbaren Batterien er¬ reicht werden. Dies würde bei Verwendung einer gering be¬ lastbaren Batterie zu einem großen und schweren Gesamtsy¬ stem führen, was wiederum einen erhöhten Kraftstoffver- brauch zur Folge hätte. Das erfindungsgemäße System mit hoch belastbarer (Kurzzeit-)Batterie hat demgegenüber den

Vorteil geringer Baugröße und geringen Gewichts und somit auch geringeren Kraftstoffverbrauchs.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem hat somit zusammenge- faßt die Vorteile

- geringen Gewichts

- geringer Baugröße

- geringer Kosten

- geringen Kraftstoffverbrauchs - geringer Schadstoffemission.

Es wird somit ein leichtes, kompaktes und kostengünstiges Antriebssystem bereitgestellt, das gegenüber herkömmlichen Antriebssystemen bei gleicher Maximalleistung den Kraft- stoffverbrauch verringert und somit einen Schritt auf dem Weg zum verbrauchsoptimierten Kraftfahrzeug darstellt.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem ermöglicht auch, eine höhere Maximalleistung gegenüber herkömmlichen Antriebs- Systemen bei gleichem Kraftstoffverbrauch zur Verfügung zu stellen.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem kann auch als Antrieb für andere Fahrzeuge als Kraftfahrzeuge verwendet werden, beispielsweise für Schiffe oder Schienenfahrzeuge.

Bei dem Motor handelt es sich um einen Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung, wie einen Otto- oder Dieselmotor. Denkbar ist auch ein anderer Verbrennungsmotor, wie z.B. ein Hubkolbenmotor mit äußerer Verbrennung (Sterlingmotor) oder ein Kreiskolbenmotor (z.B. Wankelmotor) .

Die elektrische Maschine ist jede Art von Maschine für Rotations- oder Translationsbewegungen, die als elektri- scher Motor antreibend auf das Fahrzeug wirken kann. Sie kann als Synchron-, Asynchron- oder Reluktanzmaschine, insbesondere auch in Sektorbauweise ausgeführt sein.

Die elektrische Maschine kann zum Antreiben des Fahrzeugs direkt oder indirekt mit dem Motor gekoppelt sein. Bei¬ spielsweise kann ein Teil der Maschine, insbesondere der Rotor, mit dem Triebstrang des Motors drehfest gekoppelt sein, diesen mit einem zusätzlichen Drehmoment beaufschla¬ gen und so zusätzlich zum Motor antreibend wirken. Außerdem kann die elektrische Maschine indirekt über ein oder mehre¬ re Elemente, beispielsweise über Ritzel, über einen Ansatz an der Kurbelwelle, usw. ein Drehmoment auf den Triebstrang des Motors übertragen, das zusätzlich zum Motor beschleu¬ nigend wirkt.

Die elektrische Maschine kann aber auch als Teil einer vom Motor entkoppelten Antriebsvorrichtung zusätzlich zum Motor das Fahrzeug antreiben. Beispielsweise kann die elektrische Maschine ein Drehmoment auf einen eigenen Triebstrang über¬ tragen und so zusätzlich zum Motor beschleunigend wirken.

Außerdem kann die elektrische Maschine vorteilhaft zusätz- lieh auch bremsend auf das Fahrzeug wirken. Die hierbei erzeugte Energie ist wenigstens teilweise in der Kurzzeit¬ batterie speicherbar (Anspruch 2) . Die elektrische Maschine wird damit als Generator betrieben. Sie unterstützt das mechanische Bremssystem beim Abbremsen des Fahrzeugs. Beim mechanischen Abbremsen wird kinetische Energie des Fahr¬ zeugs in Wärme umgewandelt, die i.a. nicht weiter genutzt wird. Beim elektrischen Bremsen wird dagegen kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt. Durch die wenigstens teilweise Speicherung der beim Bremsen anfallenden elektrischen Energie in der Kurzzeitbatterie wird erreicht, daß diese weiterhin dem System zur Verfügung steht (beispielsweise zum späteren Beschleunigen des Fahr¬ zeugs) . Die Speicherung der Bremsenergie in der Kurzzeit¬ batterie führt zu einer weiteren Vergrößerung des Gesamt- Wirkungsgrads des Antriebssystems.

Eine Batterie ist allgemein eine Kombination von zwei oder mehr parallel oder in Serie geschalteten galvanischen Ele¬ menten. Im Unterschied zu einem Kondensator, in dem die Energie im wesentlichen in einem elektromagnetischen Feld gespeichert ist, erfolgt bei einer Batterie die Speicherung im wesentlichen elektrochemisch. Zu unterscheiden ist zwi¬ schen einmal verwendbaren Primär- und wiederaufladbaren Sekundärbatterien. Vorzugsweise kommen erfindungsgemäß Sekundärbatterien (Akkumulatoren) zum Einsatz, die nach dem Entladen durch die Zufuhr einer entsprechenden Energiemenge wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückgebracht wer¬ den können und so über einen längeren Zeitraum einsatzfähig bleiben.

Die Kurzzeitbatterie ist, wie oben erläutert, im Vergleich zu den in herkömmlichen Fahrzeugen verwendeten Batterien hoch belastbar und weist eine kurze Entladedauer auf.

Vorzugsweise beträgt die Entladedauer der Batterie weniger als 7 Minuten, insbesondere 4 Minuten (Anspruch 3). Unter Entladedauer wird hier die minimale Zeitdauer zwischen Vollade- und Entladezustand der Batterie bei höchster zu¬ lässiger Dauerbelastung verstanden. Diese (minimale) Entla¬ dedauer orientiert sich zum einen an der Dauer der übli- cherweise beim Gebrauch des Kraftfahrzeugs auftretenden kurz andauernden Phasen höherer Anforderung an die An¬ triebsleistung. Während einer solchen Phase unterstützt die elektrische Maschine den Motor beim Antrieb des Fahrzeugs. Die elektrische Maschine wird dabei von der Kurzzeitbatte- rie gespeist, die hierbei (teil-)entladen wird. Zum anderen muß die Dauer der zwischen den Phasen höherer Leistungs¬ anforderung liegenden Phasen geringerer Leistungsanforde¬ rung berücksichtigt werden. Während einer solchen Phase wird die Batterie geladen. Die Batterie darf vorher nur soweit entladen worden sein, daß die Zeit zwischen zwei Phasen mit höherer Leistungsanforderung im wesentlichen zum Wiederaufladen ausreicht.

Durch die kurze Entladedauer der Batterie wird erreicht, daß eine hohe Leistung bei gleichzeitig geringer Kapazität zur Verfügung gestellt wird. Durch die geringe Batterieka¬ pazität können deren Gewicht, Baugröße und Kosten gering gehalten werden. Dies führt dazu, daß auch das Antriebs¬ system leicht, klein und kostengünstig ist.

Die Kurzzeitbatterie kann mit hohen Strömen belastet wer¬ den. Der maximale Entladestrom beträgt mehr als 10 CA, insbesondere 15 CA (Anspruch 4) . Der Impulsstrom beträgt mehr als 100 A, insbesondere 120 A (Anspruch 5) . Der Ent¬ ladestrom wird auf die Nennkapazität bezogen in CA angege¬ ben. Beispielsweise wird eine Batterie mit einer Nennkapa¬ zität von 4 Ah bei 400 mA mit 0,1 CA, bei 4 A mit 1 CA und bei 40 A mit 10 CA belastet. Der maximale Entladestrom ist der maximal zulässige Strom, mit dem die Batterie über einen längeren Zeitraum (vom vollen Ladezustand bis zur Entladung) belastet werden kann. Der Impulsstrom ist der maximal zulässige Strom, mit dem die Batterie über einen kürzeren Zeitraum (zwei Sekunden) belastet werden kann.

Durch den hohen maximalen Impulsstrom kann die von der Kurzzeitbatterie gespeiste elektrische Maschine über einen sehr kurzen Zeitraum eine sehr große, durch den hohen maxi- malen Entladestrom über einen kurzen Zeitraum eine große Antriebsleistung erbringen. Die große bzw. sehr große An¬ triebsleistung der elektrischen Maschine dient in den kur¬ zen Phasen hoher Anforderung an die Gesamtantriebsleistung des Fahrzeugs zur Unterstützung des Verbrennungsmotors. Wegen der großen bzw. sehr großen von der elektrischen Maschine erbringbaren Antriebsleistung muß der Verbren¬ nungsmotor dann nur noch eine relativ geringere An¬ triebsleistung erbringen. Er kann deshalb entsprechend auf niedrigere Antriebsleistungen hin, also kleiner ausgelegt werden. Dadurch wird erreicht, daß er bereits in den langen Phasen mit geringer Anforderung an die Gesamtan¬ triebsleistung des Fahrzeugs (während derer er allein für

den Antrieb sorgt) bei höherem effektivem Mitteldruck (und damit höherem Wirkungsgrad) betrieben wird. Dadurch wird ein hoher Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems erreicht.

Neben hohen Impuls- und Entladeströmen weist die Kurzzeit¬ batterie vorzugsweise auch eine eine hohe Leistungsdichte von mehr als 250 W/kg, insbesondere 300 W/kg auf (Anspruch 6) . So werden Gewicht und Baugröße der Kurzzeitbatterie und somit auch des Antriebssystems gering gehalten.

Die Kurzzeitbatterie weist eine Gesamtkapazität von weniger als 1200 Ah, insbesondere 1000 Ah auf (Anspruch 7) . Kurz¬ zeitbatterien, insbesondere mit hoher Leistungsdichte und hohem Leistungsvolumen bedingen aufwendige Ausgangsmate- rialien und einen aufwendigen Produktionsprozeß. Die Kosten einer Batterie bestimmter Leistungsdichte und Leistungs¬ volumens wird im wesentlichen von der Gesamtkapazität be¬ stimmt. Die Verwendung einer Batterie geringer Gesamtkapa¬ zität führt damit zu geringen Kosten für das An- triebssystem.

Beim erfindungsgemäßen Antriebssystem ist die Kurzzeitbat¬ terie vorzugsweise ein alkalisches Sekundärsystem (Anspruch 8) , vorzugsweise ein Nickel/Cadmium-System (Anspruch 9) . Denkbar sind auch andere alkalische Akkumulatoren wie Nik- kel/Eisen-Systeme (Anspruch 10) . Vorteil alkalischer Syste¬ me, insbesondere von Nickel/Cadmium- oder Nickel/Eisen-Sy¬ stemen sind hohe Energiedichte, hohes Energievolumen, hohe Leistungsdichte und hohes Leistungsvolumen. Die Verwendung einer alkalischen Kurzzeitbatterie führt damit zu einem Antriebssystem geringer Baugröße und geringen Gewichts. Außerdem haben alkalische Systeme, insbesondere Nickel/- Cadmium- und Nickel/Eisen-Systeme eine lange Standzeit im entladenen Zustand, sind tiefentladefähig, verkraften Be- dienfehler, sind auch bei tiefen Temperaturen entladbar und mechanisch stabil.

Die Kurzzeitbatterie enthält Sinterelektroden (Anspruch 11) oder Faserstruktur-Elektroden (Anspruch 12) . Die Sinter¬ elektroden können als Sinterplatten oder Sinterfolienplat¬ ten ausgeführt sein. Bei diesen wird ein feinmaschiges Nickeldrahtgitter oder ein dünnes, perforiertes Nickelband verwendet, wodurch eine große wirksame aktive Oberflächen und ein reduzierter Innenwiderstand erreicht werden.

Bei Faserstruktur-Elektroden besteht die Elektrode aus einer dreidimensionalen Polypropylen-Faserstruktur, deren einzelne, mit Nickel belegte Fasern so dünn sind, daß ge¬ genüber Sinterelektroden die wirksame aktive Oberfläche weiter vergrößert und der Innenwiderstand weiter reduziert wird.

Die große aktive Oberfläche und der geringe Innenwiderstand haben hohe Leistungs- und Energiedichten sowie Leistungs¬ und Energievolumina zur Folge. Die Verwendung von Kurzzeit¬ batterien mit Sinter- oder Faserstrukturelektroden führt somit zu einem kleineren und leichteren Antriebssystem.

Die Kurzzeitbatterie ist vorzugsweise so ausgelegt, daß die in ihr gespeicherte Energie auch zur Stromversorgung der elektrischen Maschine zum Starten des Verbrennungsmotors geeignet ist (Anspruch 13) . Die Kurzzeitbatterie zeichnet sich durch hohe Belastbarkeit und geringe Entladedauer aus. Sie sollte vorzugsweise diejenigen Aufgaben im Fahrzeug erfüllen, die dieser Auslegung entsprechen. Die elektrische Maschine benötigt zum Starten, ähnlich wie zum kurzfristi- gen zusätzlichen Beschleunigen ("Boosten"), kurzfristig hohe Ströme. Die Kurzzeitbatterie ist deshalb kapazitäts¬ mäßig so ausgelegt, daß stets eine zum Starten des Motors ausreichend große Energiemenge gespeichert ist. Zusätzli¬ ches Beschleunigen und Starten erfolgen somit aus ein und derselben Batterie heraus, wodurch der Aufwand an Lei¬ stungselektronik verringert wird und Baugröße und Gewicht des Gesamtsystems gering gehalten werden.

Das Antriebssystem ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die elektrische Maschine mit dem Triebstrang des Motors, ins¬ besondere drehfest, gekoppelt ist (Anspruch 14) . Die Kopp¬ lung kann indirekt etwa über Ritzel, Keilriemen, einen Ansatz an der Kurbelwelle usw. erfolgen, so daß die elek¬ trische Maschine indirekt ein Drehmoment auf die Triebwelle des Motors übertragen kann. Besonders vorteilhaft ist ein Teil der Maschine, insbesondere der Läufer oder der Stän¬ der, direkt mit der Triebwelle des Motors drehfest gekop- pelt. Ein Vorteil ist, daß dann die elektrische Maschine Drehungleichförmigkeiten der Triebwelle direkt entgegenge- wirken kann. Drehungleichförmigkeiten treten bei Verbren¬ nungsmotoren durch die auf die Triebwelle bauartbedingt wirkenden Gas- und Massekräfte auf.

Diesen kann dadurch entgegengewirkt werden, daß die Kurz¬ zeitbatterie so ausgelegt ist, daß die in ihr gespeicherte Energie zum Entgegenwirken von Drehungleichförmigkeiten geeignet ist, wobei die elektrische Maschine die Welle bei einer negativen Drehungleichförmigkeit mit einem beschleu¬ nigenden (Zusatz-)Drehmoment beaufschlagen kann (Anspruch 15) . Die zur Reduktion der bei Verbrennungsmotoren auftre¬ tenden Drehungleichförmigkeiten benötigte Leistung kann sehr groß sein. Insbesondere kann eine von einer herkömmli- chen Fahrzeugbatterie gespeiste elektrische Maschine kein ausreichend großes Gegendrehmoment hervorrufen. Die ver¬ wendete Kurzzeitbatterie ist dagegen, wie erläutert, kurz¬ fristig hoch belastbar, so daß die elektrische Maschine die Triebwelle mit einem ausreichenden Gegendrehmoment beauf- schlagen und so Drehungleichförmigkeiten wirksam verringern kann. Diese führt zu einer Schonung der Triebwelle und zu einer Verringerung der Fahrgeräusche. Außerdem kann die Leerlaufdrehzahl abgesenkt werden.

Außerdem können Drehungleichförmigkeiten auch verringert werden, indem die elektrische Maschine die Welle bei einer positiven Drehungleichförmigkeit mit einem bremsenden (Zu-

satz-)Drehmoment beaufschlagt (Anspruch 16). Da die Kurz¬ zeitbatterie, wie oben erläutert, vorteilhaft eine Sekun¬ därbatterie ist, kann die dabei gewonnene Energie in dieser gespeichert werden. Dies hat den Vorteil, daß die gespei- cherte Energie wieder verwendet werden kann, beispielsweise zum Entgegenwirken von negativen Drehungleichförmigkeiten, zum Boosten oder zum Starten.

Vorzugsweise werden zur optimalen Verringerung von Drehung- leichförmigkeiten beide Maßnahmen gemeinsam verwendet. Die Welle wird also mit einem schnell variierenden, alternie¬ renden Drehmoment beaufschlagt, und zwar bei einer negati¬ ven Drehungleichförmigkeit mit einem antreibenden und bei einer positiven Drehungleichförmigkeit mit einem bremsenden Drehmoment.

Vorzugsweise ist die Kurzzeitbatterie derart ausgelegt, daß sie mit der beim Bremsen der Welle zur Verringerung des An¬ triebsschlupfes gewonnenen Energie ladbar ist (Anspruch 17) . Eine Verringerung des Antriebsschlupfes wird durch eine Verkleinerung des Antriebsmoments, insbesondere durch Bremsen der Welle erreicht. Vorteilhaft wird die Kurzzeit¬ batterie mit der dabei gewonnene Energie geladen, wodurch der Kraftstoffverbrauch weiter reduziert wird. Eine Ver- ringerung des Antriebsschlupfes führt zu erhöhter Fahrsi¬ cherheit.

Ebenso kann die Kurzzeitbatterie geladen werden, wenn die Welle zum Zweck einer Getriebesynchronisation sowie bei einer Anfahr- und Schaltkupplung von der elektrischen Ma¬ schine gebremst wird. Entsprechend kann die in der Kurz¬ zeitbatterie gespeicherte Energie zum Beschleunigen der Welle zur Getriebesynchronisation sowie bei einer Anfahr- und Schaltkupplung verwendet werden (Anspruch 18) . Diese Funktion sowie die vorher erwähnten Funktionen Beschleu¬ nigen und Bremsen des Fahrzeugs, Starten des Verbrennungs¬ motors, Drehungleichförmigkeitsverringerung, Antriebs-

schlupfVerringerung, usw. können auf mehrere elektrische Maschinen aufgeteilt werden. Besonders vorteilhaft werden diese Funktionen aber von einer einzigen, von der Kurzzeit¬ batterie gespeisten elektrischen Maschine wahrgenommen. Dadurch wird erreicht, daß das Antriebssystem geringe Bau¬ größe und geringeres Gewicht aufweist und zudem kostengün¬ stig ist.

Wird die elektrische Maschine mit generatorischer Funktion betrieben, wird die entstehende Energie zum Laden der Kurz¬ zeitbatterie genutzt. Selbstverständlich kann die Kurzzeit¬ batterie auch von einer zusätzlichen Batterie geladen wer¬ den. Diese weist vorteilhaft - im Gegensatz zur Kurzzeit¬ batterie - ein geringes Leistungs-/Kapazitätsverhältnis auf. Die zweite Batterie kann also bezogen auf die von ihr gespeicherte Energie nicht hoch belastet werden. Dies führt zu einer großen Entladezeit bei geringen Entladeströmen. Das Antriebssystem weist somit vorteilhaft neben der Kurz¬ zeitbatterie noch eine Langzeitbatterie auf (Anspruch 19) . Die Langzeitbatterie dient vorteilhaft zur Stromversorgung elektrischer Verbraucher mit geringem Leistungs-, aber hohem Gesamtenergiebedarf (Klimamaschinen etc.), während die Kurzzeitbatterie elektrische Verbraucher mit hohem Leistungs-, aber geringem Gesamtenergiebedarf versorgt. Geringer belastbare Batterien sind bezogen auf die zur Verfügung gestellte Kapazität kostengünstiger als hoch belastbare Batterien. Da die hoch belastbare Kurzzeitbatte¬ rie kapazitätsmäßig klein und die nicht hoch belastbare Langzeitbatterie kapazitätsmäßig groß ausgelegt ist, können die Kosten des Gesamtsystems gering gehalten werden. Die Erfindung hat somit den Vorteil, ein Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, bei dem die Stromversorgung auf die jeweilige Art von Verbraucher abgestimmt ist.

Aus diesem Grund ist vorteilhaft neben der Kurzzeitbatterie auch noch ein Kondensator vorgesehen (Anspruch 20) . Dieser weist gegenüber der Kurzzeitbatterie eine geringere Kapazi-

tat auf. Auf der anderen Seite kann er schneller entladen und geladen werden. Vorteilhaft entlastet er die Kurzzeit¬ batterie insbesondere bei Aufgaben, bei denen eine sehr hohe Leistung bereitgestellt bzw. hohe Energiemengen in kurzer Zeit gespeichert werden müssen, z.B. bei der Ver¬ ringerung von Drehungleichförmigkeiten.

Das Antriebssystem weist vorteilhaft einen Wechselrichter auf. Dieser stellt der elektrischen Maschine die zur Erzeu- gung der elektromagnetischen Felder notwendigen Ströme und Spannungen variabler Amplitude, Frequenz und Phase zur Ver¬ fügung (Anspruch 21) . Die Kurzzeit-Batterie ist dabei vor¬ zugsweise an dem Zwischenkreis des Wechselrichters ange¬ schlossen (Anspruch 22) . Gleiches gilt für den die Kurz- zeitbatterie unterstützenden Kondensator. Die exakte Steue¬ rungsmöglichkeit mit dem Wechselrichter hat den Vorteil, daß insbesondere den schell variierenden Drehungleichför¬ migkeiten schnell und genau entgegengewirkt werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine unmaßstäblich-schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Antriebsystems;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus einer Ni-Cd-Kurzzeitbatterie;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verbrauchs¬ kennfelds des Verbrennungsmotors;

Fig. 4 eine unmaßstäblich-schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Antriebssystems;

Fig. 5 eine schematische beispielhafte Darstellung der Funktionsweise des Antriebssystems von Fig. 4.

In den Figuren tragen im wesentlichen funktionsgleiche Teile gleiche Bezugszeichen.

Ein Antriebssystem eines Fahrzeuges, z.B. eines Personen- kraftwagens gemäß Fig. 1 weist als Antriebsaggregat einen Verbrennungsmotor 1 auf, bei dem es sich beispielsweise um einen Vierzylinder-Ottomotor handelt. Das vom Verbrennungs¬ motor 1 erzeugte Drehmoment kann über einen Triebstrang 2 auf Antriebsräder 3 übertragen werden. In Abtriebsrichtung ist im Triebstrang 2 nach dem Verbrennungsmotor 1 zunächst eine elektrische Maschine 4 angeordnet. Auf diese folgen eine Fahrkupplung 5, ein Getriebe 6 und ein Achsantrieb 7, welcher das Drehmoment auf die Antriebsräder 3 überträgt. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist im Triebstrang 2 zwischen Verbrennungsmotor 1 und elektrischer Maschine 4 eine weitere (durch Steuerung betätigte) Kupp¬ lung angeordnet, um beim Bremsen mit der elektrischen Ma¬ schine 4 einen Mitlauf des Verbrennungsmotors 1 zu vermei¬ den.

Die elektrische Maschine 4 - hier eine Drehstrommaschine in Asynchron- oder Synchron-Bauart - umfaßt einen Ständer 8 und einen Läufer 9. Ersterer stützt sich drehfest gegen den Verbrennungsmotor 1, ein (nicht gezeigtes) Fahrzeugchassis oder ein (nicht gezeigtes) Kupplungsgehäuse ab, wohingegen letzterer auf einer Verlängerung einer Kurbelwelle 10 des Verbrennungsmotors 1 sitzt und mit dieser drehfest gekop¬ pelt ist. Sie rotieren also gemeinsam, ohne Zwischenschal¬ tung eines Getriebes.

Die elektrische Maschine 4 fungiert als Zusatzmotor ("Boo¬ ster") , z.B. um den Verbrennungsmotor 1 beim Beschleunigen des Fahrzeugs zu unterstützen. Auch dient sie als Starter für den Verbrennungsmotor 1 und kann somit auch einen her- kömmlicherweise beim Kraftfahrzeug gesondert vorgesehenen Starter ("Anlasser") ersetzen. Außerdem fungiert sie als Generator zur Ladung mehrerer Kurzzeitbatterien 11, einer

Langzeitbatterie 13 und zur Versorgung elektrischer Ver¬ braucher und ersetzt damit eine herkömmlicherweise im Fahr¬ zeug vorhandene Lichtmaschine.

Ein Wechselrichter 14 liefert dem Ständer 8 der elektri¬ schen Maschine 4 bei einer hohen Taktfrequenz pulsweitenmo¬ dulierte Spannungsimpulse, die unter der Wirkung der Ma¬ schineninduktivität im wesentlichen sinusförmige Dreipha¬ sen-Ströme ergeben, deren Amplitude, Frequenz und Phase frei wählbar ist.

Der Wechselrichter 14 ist ein Spannungszwischenkreis-Wech¬ selrichter und umfaßt drei Baugruppen: einen Gleichspan¬ nungsumsetzer 18 (Eingangsbaugruppe) , welcher Gleichspan- nung von einem niedrigen Niveau (hier 12 V) auf ein höheres Zwischenkreisniveau (hier 270 V) und in umgekehrter Rich¬ tung umsetzt, einen elektrischen Zwischenkreisspeicher 15, hier ein Kondensator bzw. eine Anordnung parallel geschal¬ teter Kondensatoren, und einen Maschinenwechselrichter 16 (Ausgangsbaugruppe) , welcher aus der Zwischenkreis-Gleich¬ spannung die (getaktete) Dreiphasen-Wechselspannung varia¬ bler Amplitude, Frequenz und Phase erzeugen kann oder - bei generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine 4 - der¬ artige beliebige Wechselspannungen in die Zwischenkreis- Gleichspannung umsetzen kann.

Der Zwischenkreisspeicher 15 ist mit mehreren, hier 225 in Serie geschalteten Kurzzeitbatterien 11 mit je 1,2 V Nenn¬ spannung verbunden (in der Zeichnung sind nur drei Kurz- zeitbatterien dargestellt) . Es ergibt sich eine Zwischen¬ kreisspannung von 270 V.

Die Kurzzeitbatterie 11 mit an sich bekannter Grundform ist in Fig. 2 dargestellt. Sie ist ein zylindrisches Ni-Cd- Sekundärsysten mit positiven Sinterelektroden 23 und nega¬ tiven Elektrodeposit-Elektroden 24. Diese sind hochporöse, spiralförmig aufgewickelte Träger mit großen wirksamen

aktiven Massen. Die Elektroden 23, 24 befinden sich in dicht verschlossenen, zylindrischen Stahlgehäusen. Als Separator 25 dient ein Kunststoffvlies. Das Gehäuse ist ein Becher 26 aus vernickeltem Stahlblech. Der Becher 26 dient gleichzeitig als negativer Pol, der Zellendeckel 27 als positiver Pol. Durch die Beschichtungen der negativen Elek¬ trode 24, die den Gasverzehr erhöhen, und Zusätze in der positiven Elektrode 23 wird die Ladungsaufnahme erhöht und so die Ladezeit gering gehalten.

Jede Kurzzeitbatterie 11 ist kontinuierlich mit Strömen von bis zu 15 CA hoch belastbar. Die Entladedauer beträgt dann 4 Minuten. Kurzfristig (bis zu 2 Sekunden) ist ein Impuls¬ strom von 120 A möglich. Die Kurzzeitbatterie weist eine Leistungsdichte von 300 W/kg und eine Nennkapazität von 4 Ah bei 0,2 CA auf. Sie ist schnelladbar mit Strömen von bis zu 2 CA.

Derartige zylindrische Ni-Cd-Zellen werden üblicherweise in Haushaltsgeräten, Elektrowerkzeugen und Telefonen, nicht aber in herkömmlichen Antriebssystemen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Die gemäß Fig. 1 mit dem Zwischenkreis des Wechselrichters 19 verbundenen, in Serie geschalteten Kurzzeitbatterien 11 können kurzfristig eine hohe Leistung erbringen. Diese dient dazu, die zum kurzfristigen zusätzlichen Beschleuni¬ gen ("Boosten") von der elektrischen Maschine 4 benötigte Energie zur Verfügung zu stellen. Außerdem liefern die Kurzzeitbatterien 11 die Energie für das Starten des Ver¬ brennungsmotors 1. Zudem versorgen sie verschiedene Hoch¬ leistungsverbraucher, wie eine Klimamaschine und Servoan¬ triebe (nicht dargestellt) mit elektrischer Energie. Wäh¬ rend derartige Hochleistungsverbraucher herkömmlicherweise durch mechanische Kopplung vom Verbrennungsmotor 1 ange¬ trieben werden, erlaubt hier das zur Verfügung stehende

hohe Spannungsniveau einen wirkungsgradmäßig günstigeren, rein elektrischen Antrieb.

Daneben dienen die Kurzzeitbatterien 11 auch der Speiche- rung derjenigen Energie, die beim Bremsen des Fahrzeugs durch die elektrische Maschine 4 anfällt.

In Figur 1 kann der Gleichspannungsumsetzer 16 des Wechsel¬ richters 14 niederspannungsseitig mit der Langzeitbatterie 13 und verschiedenen elektrischen Verbrauchern (nicht dar¬ gestellt) mit niedriger Leistungsaufnahme, wie bei¬ spielsweise Beleuchtung und elektronische Geräte, verbunden sein. Der Wechselrichter 14 kann einerseits Strom auf nied¬ rigem Spannungsniveau zum Laden der Langzeitbatterie 13 und Versorgen der elektrischen Verbraucher liefern, anderer¬ seits kann er der Langzeitbatterie 13 Strom auf niedrigem Spannungsniveau entnehmen.

Eine Steuereinrichtung 17 gibt dem Wechselrichter 14 durch entsprechende Ansteuerung seiner Halbleiterschalter zu jedem Zeitpunkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phase die von ihm zu erzeugende Wechselspannung haben soll, um das von der elektrischen Maschine 4 zu liefernde Antriebs¬ oder Bremsmoment herbeizuführen.

Die Steuereinrichtung 17 kommuniziert mit einer Vielzahl weiterer Steuergeräte: Ein (nicht gezeigtes) Energiever¬ brauchs-Steuergerät gibt an, wieviel Energie zum Laden der Kurzzeitbatterie 11, der Langzeitbatterie 13, zur Versor- gung der Niederspannungs- und der Hochleistungsverbraucher benötigt wird, so daß die Steuereinrichtung 17 ggf. eine bremsende Wirkung der elektrischen Maschine 4 veranlassen kann.

Ein (nicht gezeigtes) Motorsteuergerät gibt der Steuerein¬ richtung 17 vor, ob und wie stark die elektrische Maschine 4 (z.B. zur Erzielung einer Start- oder Boostfunktion)

antreibend oder (z.B. zur Unterstützung der mechanischen Bremse) bremsend wirken soll. Das Motorsteuergerät steuert gleichzeitig auch Leistung, Drehmoment und Kraftstoffver¬ brauch des Motors 1 über Kraftstoffzufuhr, Drosselklappen- Stellung, Kraftstoffeinspritzung (Zeitpunkt und Menge), Zündzeitpunkt, etc.

Die Steuerung des Systems elektrische Maschine 4 - Verbren¬ nungsmotor 1 erfolgt in Abhängigkeit von benutzergesteuer- ten Größen wie Fahrpedalstellung, vorgewählte Fahrgeschwin¬ digkeit, gewählte Getriebe-Gangstufe, Brems- und Kupplungs¬ betätigung, Fahrcharakteristik in der Fahr-Vorgeschichte, etc. und Betriebsgrößen wie Drehzahl, Kurbelwellenwinkel, Drehmoment, Gasdruck, Klopfen, Antriebsschlupf, Fahrge- schwindigkeit etc.

Insbesondere steuert das Motorsteuergerät das System elek¬ trische Maschine 4 - Motor 1 so, daß der Motor 1 überwie¬ gend, nämlich während der lang andauernder Phasen geringe- rer Anforderung an die Gesamtantriebsleistung im energe¬ tisch günstigen Bereich höherer effektiver Mitteldrücke be¬ trieben wird. Der Motor 1 sorgt dann allein für den Antrieb des Fahrzeugs. Während der kurz andauernden Phasen höherer Anforderung an die Gesamtantriebsleistung, z.B. beim An- fahren oder beim Überholen, unterstützt die elektrische Maschine 4 den Motor 1. Der Motor 1 kann somit bei gleicher Maximalleistung des Antriebssystems kleiner ausgelegt wer¬ den.

Die sich ergebende kraftstoffsparende Wirkung verdeutlicht Fig. 3. Dargestellt ist das Verbrauchs-Kennfeld eines Vier- takt-Ottomotors. In diesem sind Drehmoment und effektiver Mitteldruck als Ordinate und Drehzahl als Abszisse aufge¬ tragen. Eingetragen ist die Vollastlinie sowie drei Linien bl, b2, b3 konstanten spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Bei bl weist der Motor 1 einen hohen, bei b2 einen mitt¬ leren und bei b3 einen geringen spezifischen Kraftstoffver-

brauch auf. Deutlich wird, daß der spezifische Kraftstoff¬ verbrauch zu einem großen Teil vom effektiven Mitteldruck, und zu einem kleinen Teil von der Drehzahl abhängt. Darge¬ stellt sind auch die (Mitteldruck-) Bereiche, in denen wäh- rend der lang andauernden Phasen geringer Anforderung an die Gesamtantriebsleistung Motoren herkömmlicher Antriebs¬ systeme (längsschraffiert) und des erfindungsgemäßen An¬ triebssystems (querschraffiert) betrieben werden. Der Ver¬ brennungsmotor 1 wird also überwiegend bei geringem spezi- fischen Kraftstoffverbrauch und somit bei hohem Wirkungs¬ grad betrieben.

Zum Starten des Verbrennungsmotors 1 kann das Motor-Steuer¬ gerät das Soll-Drehmoment auf der Grundlage gespeicherter Werte bestimmen, die den zeitlichen Soll-Verlauf der Dreh¬ zahl oder des Drehmoments der elektrischen Maschine 4 wäh¬ rend des Startvorgangs vorgeben, ggf. ergänzt durch eine Messung dieser Größen und eine rückgekoppelte Regelung, welche die Einhaltung der Vorgaben sicherstellt.

Außerdem gibt ein ASR-Steuergerät (nicht dargestellt) bei Vorliegen eines Antriebsschlupfes vor, daß die elektrische Maschine 4 vorübergehend als generatorische Bremse betrie¬ ben werden soll. Ein Getriebesynchronisations-Steuergerät (nicht dargestellt) gibt vor, daß die elektrische Maschine die Welle zur Getriebesynchronisation beschleunigen oder bremsen soll.

Zum Entgegenwirken von Drehungleichförmigkeiten ist die in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform vorteilhaft. Fig. 5 a veranschaulicht (mit durchgezogener Linie) das Drehmoment Mv eines Motors 1 als Funktion des Kurbelwellenwinkels b. Dieses weist periodisch um ein mittleres Drehmoment Dreh¬ momentschwankungen zu kleineren und größeren Drehmomenten hin aus, welche in diesem idealisierten Beispiel insgesamt einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf haben. Die

relativ großen Drehmomentschwankungen werden von den im Motor 1 wirkenden Gas- und Massekräften hervorgerufen.

In Fig. 5b ist das Drehmoment Me, das von der elektrischen Maschine zur Verringerung der Drehmomentschwankungen aufge¬ bracht wird, als Funktion des Wellenwinkels b dargestellt. Der Verlauf dieses Drehmoments entspricht weitgehend dem des Motor-Drehmoments Mv, ist jedoch entgegengesetzt ge¬ richtet. Es ergibt sich eine Verringerung oder sogar prak- tisch ein Verschwinden der Drehmomentschwankungen Mv, wie in Fig. 5a durch die gestrichelte Linie veranschaulicht ist.

Bei der in Fig. 5b gezeigten Betriebsweise sind die negati- ven und positiven Drehmomentextrema betragsmäßig gleich groß. Die bei einer Bremsphase gewonnene Energie ist also im wesentlichen gleich groß wie die bei der folgenden An¬ triebsphase benötigte Energie.

Ein Beispiel für eine demgegenüber modifizierte Betriebs¬ weise des Systems zeigt Fig. 5c. Der zeitliche Verlauf des Gesamtdrehmoments entspricht dem von Fig. 5b, jedoch ist es um einen bestimmten Betrag dMe in positive Richtung ver¬ schoben. Der elektrischen Maschine wird also im Mittel mechanische Energie zugeführt, wodurch eine antreibende Wirkung, beispielsweise zum kurzfristigen Beschleunigen, erzielt wird.

Ist der in Fig. 5b gezeigte Verlauf des Gesamtdrehmoments in negativer Richtung verschoben (hier nicht dargestellt) , wirkt die elektrische Maschine 4 im Mittel bremsend. Die hierbei entstehende Energie dient beispielsweise zum Laden der Kurzzeitbatterie 11.

Beim Entgegenwirken von Drehschwingungen oder bei Aufbrin¬ gen eines zusätzlichen bremsenden Drehmoments wird dem System Welle-Motor mechanische Energie entzogen und in

elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Maschine 4 wirkt dann als Generator.

Gemäß Fig. 4 ist die elektrische Maschine 4 mit einem Dreh¬ transformator 19 (sog. Resolver) ausgerüstet. Dieser lie¬ fert ein drehwinkelabhängiges Signal, das einer Steuerein¬ richtung 18 zugeführt wird. Diese steuert den Wechselrich¬ ter 14 so, daß Drehungleichförmigkeiten in der oben be¬ schriebenen Weise entgegengewirkt wird.

Beim Speichern der beim Verringern einer positiven Drehung¬ leichförmigkeit anfallenden Energie wird die Kurzzeitbatte¬ rie 11 von einem Kondesator 12 unterstützt. Dieser dient auch zum Bereitstellen der beim Verringern einer negativen Drehungleichförmigkeit notwendigen Energie.

Die Steuerung der zur Verringerung der Drehungleichförmig¬ keiten von der elektrischen Maschine 4 aufzubringenden Momente über die Steuereinrichtung 17 erfolgt z.B. mit Hilfe einer Kennfeldsteuerung, indem die Steuereinrichtung 17 als Eingangsinformation Winkellage der Welle 10, die momentane mittlere Drehzahl und ggf. weitere Betriebspara¬ meter, wie z.B. die Drosselklappenstellung, erhält und aus einem gespeicherten Kennfeld die momentan zu erwartende Drehungleichförmigkeit in Abhängigkeit von diesen Betriebs¬ parametern ermittelt. Eine andere Möglichkeit besteht dar¬ in, tatsächlich vorliegende Drehungleichförmigkeiten zu ermitteln. Möglich ist auch eine Kombination aus Regelung und Steuerung.

Aus dem ermittelten Wert für die momentane Drehungleich¬ förmigkeit werden entsprechende (gegenphasige) Werte der von der elektromagnetischen Wirkvorrichtung aufgebrachten, schnell variierenden Drehmomente abgeleitet, dem ggf. ein positives oder negatives Zusatz-Drehmoment gewünschter Stärke additiv überlagert wird.

Es wird also ein kraftstoffsparendes, kompaktes und leich¬ tes Antriebssystem zur Verfügung gestellt, mit dem zudem noch Drehungleichförmigkeiten entgegengewirkt werden kann.