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技術 原動機と電気機械と電池とを有する駆動システム

出願人 イーエスアーデー・エレクトロニク・ジステームス・ゲーエムベーハー・ウント・コンパニ・カーゲーグリュンドゥル・ウント・ホフマン・ゲーエムベーハー・ゲゼルシャフト・フュア・エレクトロテクニシェ・エントヴィクルンゲン
発明者 マスベルク,ウルリッヒペルス,トーマスツェイエン,クラウス・ペーターグリュンドゥル,アンドレアスホフマン,ベルンハルト
出願日 1996年8月31日 (24年11ヶ月経過) 出願番号 1997-509721
公開日 2002年5月28日 (19年2ヶ月経過) 公開番号 2002-516056
状態 未査定
技術分野 車両の推進装置の配置・取付け 特殊用途機関の応用、補機、細部 車両用機関または特定用途機関の制御 車両の電気的な推進・制動 車両の電気的な推進・制動
主要キーワード 並進運動用 駆動組 目標経過 出力容積 活性質量 連続負荷 電荷吸収 バンケルエンジン
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課題・解決手段

本発明は、原動機(1)、特に自動車内燃機関と、駆動モードで作動することもできる電気機械(4)と、電気機械(4)が駆動モードで作動するときに必要となる出力を少なくとも部分的に供給する少なくとも1つの短時間電池(11)とを有する駆動システムに関するものである。

概要

背景

概要

本発明は、原動機(1)、特に自動車内燃機関と、駆動モードで作動することもできる電気機械(4)と、電気機械(4)が駆動モードで作動するときに必要となる出力を少なくとも部分的に供給する少なくとも1つの短時間電池(11)とを有する駆動システムに関するものである。

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請求項1

原動機(1)、特に自動車内燃機関と、付加的に駆動作用する電気機械(4)と、電気機械(4)の駆動作用のときに必要となるエネルギーを少なくとも部分的に供給する少なくとも1つの短時間電池(11)とを有する駆動システム

請求項2

電気機械(4)が付加的に制動作用し、その際に生成されるエネルギーが少なくとも部分的に短時間電池(11)内に貯蔵可能である、請求項1記載の駆動システム。

請求項3

短時間電池(11)の放電持続時間が少なくとも7分未満、特に4分である請求項1又は2記載の駆動システム。

請求項4

短時間電池(11)の最大放電電流が10CA以上、特に15CAである請求項1〜3のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項5

短時間電池(11)のパルス電流が100A以上、特に120Aである請求項1〜4のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項6

短時間電池(11)の出力密度が250W/kg以上、特に300W/kgである請求項1〜5のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項7

短時間電池(11)の全容量が1200Ah未満、特に1000Ahである請求項1〜6のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項8

短時間電池(11)がアルカリ二次系である請求項1〜7のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項9

短時間電池(11)がニッケルカドミウム系である、請求項1〜8のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項10

短時間電池(11)がニッケル・鉄系である請求項1〜9のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項11

短時間電池(11)が少なくとも1つの焼結電極(23)を有する請求項1〜10のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項12

短時間電池(11)が少なくとも1つの繊維構造体電極を有する請求項1〜11のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項13

短時間電池(11)に貯蔵されたエネルギーが内燃機関(1)を始動させるのに適しているように、短時間電池が設計されている請求項1〜12のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項14

電気機械(4)がエンジン(1)の動力伝達系(2)に、特に捩り剛性に、連結されている請求項1〜13のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項15

短時間電池(11)に貯蔵されたエネルギーが軸(10)の回転むら対抗して働くのに適しているように、短時間電池が設計されており、負の回転むらのとき電気機械が軸(10)に加速トルク負荷することができる請求項1〜14のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項16

短時間電池(11)が、軸(10)の回転むらに対抗して働くときに得られたエネルギーで充電可能であるように設計されており、正の回転むらのとき電気機械(4)が軸(10)に制動トルクを負荷することができる請求項1〜15のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項17

短時間電池(11)が、駆動スリップを低減するために軸(10)を制動するときに得られたエネルギーで充電可能であるように設計されている請求項1〜16のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項18

短時間電池(11)に貯蔵されたエネルギーが軸(10)を加速させて変速機同期化するのに適しているように短時間電池が設計されており、変速機を同期化するために軸(10)の制動時に得られたエネルギーで短時間電池が充電可能である請求項1〜17のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項19

短時間電池(11)の他になお1つの長時間電池(13)が設けられている請求項1〜18のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項20

短時間電池(11)の他になお1つのコンデンサ(12)が設けられている請求項1〜19のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項21

電磁界を発生するために振幅周波数及び位相可変電流及び電圧を短時間電池(11)から電気機械(4)に供給するインバータ(14)を有する請求項1〜20のいずれか1項記載の駆動システム。

請求項22

短時間電池(11)がインバータ(14)の中間回路に配置されている請求項1〜21のいずれか1項記載の駆動システム。

0001

本発明は、原動機、特に自動車内燃機関電気機械とを有する駆動システム
関するものである。

0002

内燃機関を有する自動車駆動システムは従来2つの電気機械を装備している。
一方の電気機械は給電する発電機(点灯用発電機)として働き、他方の電気機械
は内燃機関を始動させるのに(スタータとして)役立つ。

0003

自動車は、更に、点灯用発電機内で生成されるエネルギー化学的貯蔵部の機
能を引き受け電池を有する。電池内に貯蔵されたエネルギーは自動車を始動さ
せ且つ電気負荷を作動させるのに利用される。

0004

電気機械と内燃機関と電池はその都度の適用事例で相互に調整される。内燃機
関の始動のときに必要となる高い出力を供給するために、従来の自動車の動力
達系内で電池は高電流を供給しなければならない。更に、特に点灯用発電機が作
動していないとき、電池は電気負荷用の電気エネルギーを用意しなければならな
い。

0005

従来は自動車内で鉛・硫酸蓄電池が電池として使用される(ロベルト・ボッシ
ュ社、”自動車技術ハンドブック”、VDI出版、ドュッセルドルフ、1991、763頁
以下参照)。これは高いサイクル数と高い信頼性とで優れており、同時に安価で
ある。しかし、鉛・硫酸蓄電池を有する公知の自動車駆動システムは、その出力
密度及びエネルギー密度が限定されているという欠点を有する。

0006

本発明は、特に自動車の従来の駆動システムを改良するとの技術的問題から出
発する。

0007

本発明は、
−原動機、特に自動車内燃機関と、
−付加的に駆動作用する電気機械と、
−電気機械の駆動作用のときに必要となるエネルギーを少なくとも部分的に供給
する少なくとも1つの短時間電池
とを有する駆動システム(請求項1)によってこれを達成する。

0008

駆動システムは車両内、特に自動車内に配置されている。駆動システムはエン
ジン、特に内燃機関を(主)駆動組立体として有する。内燃機関は車両駆動時に
時として電気機械によって支援される。複数のエンジン及び/又は複数の電気
械を設けておくこともできる。単数/複数の電気機械が単数又は複数の短時間電
池から給電される。この短時間電池は従来の自動車駆動システムの電池に比べて
強く負荷可能であり、短い放電持続時間を有する。この理由から、短時間電池か
ら給電された電気機械は短時間だけ維持可能な高い付加的駆動出力を加えること
ができる(短時間加速、”ブースト”)。

0009

つまり本発明による駆動システムは短時間の付加的加速余裕のための高出力貯
蔵部を用意する。

0010

このような駆動システムは、従来のシステムに比べて、燃料消費量が同じ場合
高い出力をもたらすことができ、出力が同じ場合には燃料消費量を減らすことが
できる。その理由は以下のとおりである。

0011

自動車の平均的走行は、長く持続する低駆動出力要請段階と短く持続する高駆
出力要請段階が交互するのが特徴である。例えば、始動後の短い加速段階の後
に、一定した高速度で走行する長い段階が続き、次に、追越し等のための短い加
速段階が続く。

0012

従来の駆動システムでは内燃機関のみが原動力をもたらす。つまり内燃機関は
長く持続する低駆動出力要請段階のときは低トルクを供給し、短く持続する高駆
動出力要請段階のときは高トルクを供給しなければならない。エンジン寸法に依
存しないようにするために、エンジンから供給されるトルクはエンジンの行程
積に関連付けられる(いわゆる平均有効圧又は正味平均有効圧)。従ってエンジ
ンは低い正味平均有効圧の範囲内で(即ち、部分負荷で)比較的長く運転され、
高い正味平均有効圧の範囲内では(即ち、全負荷又はその近傍では)比較的短く
運転される。

0013

正味平均有効圧と回転数がエンジンの動作点確定する。この動作点はエンジ
ンの騒音排ガス排出量荷重及び燃料消費率に実質的に影響する。

0014

エンジンの燃料消費率(即ち、エンジン出力に関係した燃料消費量)は実質的
に正味平均有効圧によって影響され、回転数の影響は僅かに受けるだけである。
正味平均有効圧が低い場合、燃料消費率は一般に比較的高いが、正味平均有効圧
が高い場合には一般に比較的低い。

0015

エンジンの燃料消費率はその正味効率逆比例している。従って従来の駆動シ
ステムのエンジンは長時間にわたって低い効率で運転され、短時間にわたって高
い効率で運転される。そのことから全効率が悪くなり、燃料消費量が多くなる。

0016

それに対して、本発明による駆動システムではエンジンが小さく設計されてお
り、即ち、低出力要請段階のときに既に全負荷若しくはその近傍で、即ち正味
有効圧の高いエネルギー的に好ましい範囲内で運転される。

0017

この場合、高出力要請段階のときエンジンではなく電気機械が付加的原動力(
”ブースト”)をもたらす。短時間電池は、その(短い)放電持続時間が高出力
要請段階の持続時間よりも長くなるように設計されている。高出力要請段階のと
きエンジン・電気機械系の効率が、単独で原動力を与えるエンジンよりも低い場
合でも、全効率が上昇することになる。その理由は、上で説明したように、高出
力要請段階が低出力要請段階よりも短いことにある。

0018

従って本発明による駆動システムは長時間にわたって高い効率で運転され、短
時間にわたって低い効率で運転される。そのことから全効率が向上する。こうし
て本発明による駆動システムは燃料消費量を減少させ、従って有害物質の排出量
も減少させることができる。

0019

更に、本発明による駆動システムは構造寸法が小さく、軽量で経費が少ないと
いう利点を有する。その理由は一方で内燃機関が上記の如くに小さく設計される
ことにあり、他方で放電持続時間の短い高負荷可能な電池(短時間電池)が使用
されることにある。放電持続時間が長い、即ち容量がそれ相応に高い(従って貯
蔵エネルギーが高い)、やはり高負荷可能な電池を使用することも、基本的には
考えられよう。しかし電池は、エネルギー重量比(Wh/kg)及びエネルギー
容積比(Wh/l)が高ければ高いほど、製造技術的及び材料的に支出が多くな
る。そのことから、放電持続時間の長い高負荷可能な電池を使用する場合、短時
間電池に比較して構造寸法が大きくなり、重量が重くなり且つ/又は経費が高め
ることになろう。

0020

高負荷可能な電池の他に、低負荷可能な電池を使用することも基本的に考えら
れよう。しかし低負荷可能な電池は出力重量比(W/kg)及び出力容積比(W
/l)が小さいので、燃料節約作用のために必要となる電気機械の出力を低負荷
可能電池でえるためには、大きくて重くしなければならない。そのことから、低
負荷可能電池を使用する場合システム全体が大きくて重いものとなろう。その結
果、燃料消費量がやはり高まることになろう。それに対して、高負荷可能な(短
時間)電池を有する本発明によるシステムは構造寸法が小さくなり、重量が軽く
なり、従って燃料消費量も減少するという利点を有する。

0021

従って本発明による駆動システムの利点をまとめるなら、
−重量が軽く、
−構造寸法が小さく、
−経費が低下し、
−燃料消費量が少なく、
−有害物質排出量が少ない。

0022

こうして、従来の駆動システムに比べて最大出力が同じ場合燃料消費量を減少
させることができ、かくして燃費を最適化した自動車に至る1歩となる軽量でコ
ンパクト且つ安価な駆動システムが提供される。

0023

本発明による駆動システムでは、燃料消費量が同じ場合従来の駆動システムよ
りも高い最大出力を与えることも可能となる。

0024

本発明による駆動システムは自動車以外の車両、例えば船舶又は軌条車両のた
めの原動機としても使用することができる。

0025

このエンジンはガソリンエンジン又はディーゼルエンジン等の内部燃焼式往復
動機関である。例えば外部燃料往復動機関スターリングエンジン)又はロー
タリーエンジン(例えばバンケルエンジン)等の他の内燃機関も考えられる。

0026

電気機械とは、電動機として車両に駆動作用を及ぼすことのできる回転運動
並進運動用のあらゆる種類の機械のことである。電気機械は同期機非同期機
又は反作用機として、特にセクタ方式でも、実施することができる。

0027

電気機械は車両を駆動するために直接的又は間接的にエンジンに連結しておく
ことができる。例えば電気機械の一部、特に回転子は、エンジンの動力伝達系に
連結しておくことができ、エンジンに付加的トルクを負荷し、こうしてエンジン
に駆動作用を及ぼすことができる。更に、電気機械は単数又は複数の要素、例え
ピニオンクランク軸突起、等を介して間接的にエンジンの動力伝達系にト
ルクを伝達することができる。このトルクが付加的にエンジンに加速作用を及ぼ
す。

0028

しかし電気機械は、エンジンから外された駆動装置の一部としても、エンジン
補足して車両を駆動することができる。例えば電気機械は独自の動力伝達系に
トルクを伝達し、こうしてエンジンを補足して加速作用を及ぼすことができる。

0029

更に、電気機械は有利なことに付加的に制動作用も車両に及ぼすことができる
。その際に生成されるエネルギーは少なくとも一部を短時間電池内に貯蔵するこ
とができる(請求項2)。こうして電気機械は発電機として運転され、車両の減速
時に機械的制動装置を支援する。機械的減速のとき車両の運動エネルギーが熱に
変換されるが、この熱は一般にそれ以上利用されない。他方、電気制動時には車
両の運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。制動時に発生するこの電気
エネルギーの少なくとも一部を短時間電池内に貯蔵することによってこのエネル
ギーを引き続きシステムに(例えば後に車両を加速するために)供給することが
できる。制動エネルギーを短時間電池内に貯蔵することで駆動システムの全効率
が更に増大することになる。

0030

電池は、一般に、2つ以上の並列又は直列に接続される電気化学セル組合
である。エネルギーが実質的に電磁界内に蓄えられるコンデンサとは異なり、電
池では貯蔵が実質的に電気化学的に行われる。1回だけ使用可能な一次電池と再
充電可能な二次電池とを区別しなければならない。本発明によれば好ましくは二
次電池(蓄電池)が使用され、これは放電後に適宜なエネルギー量の供給によっ
て再びその原状態にすることができ、こうして長時間にわたって利用可能なまま
に保つことができる。

0031

短時間電池は、上で述べたように、従来の車両内で使用される電池に比べて高
負荷可能であり、短い放電持続時間を有する。

0032

電池の放電持続時間は好ましくは7分未満、特に4分である(請求項3)。放
電持続時間とは、最大許容連続負荷のもとでの電池の完全充電状態と放電状態
の間の最低持続時間のことである。この(最低)放電持続時間は、一方で、自動
車の使用時に通常現れる短く持続する高駆動出力要請段階の持続時間に合わせら
れる。この段階の間、車両駆動時に電気機械がエンジンを支援する。電気機械は
短時間電池から給電され、その際短時間電池は(部分的に)放電する。他方で、
高出力要請段階の間にある低出力要請段階の持続時間が考慮されねばならない。
この段階の間に電池が充電される。電池が事前に放電していてもよいのは、2つ
の高出力要請段階の間の時間が実質的に再充電に十分となる程度にのみである。

0033

電池の短い放電持続時間によって、高い出力と僅かな容量とを同時に達成され
る。電池容量が小さいことによってその重量、構造寸法及び経費は小さく抑える
ことができる。それにより、駆動システムも軽くて小型且つ安価なものとなる。

0034

短時間電池は高電流を負荷に与えることができる。最大放電電流は10CA以
上、特に15CAである(請求項4)。パルス電流は100A以上、特に120
Aである(請求項5)。放電電流定格容量の比としてCAで明示される。例え
ば定格容量4Ahの電池は、400mAのとき0.1CAで負荷され、4Aのと
き1CAで負荷され、40Aのとき10CAで負荷される。最大放電電流は、長
時間にわたって(完全充電状態から放電に至るまで)電池を負荷することのでき
最大許容電流である。パルス電流は、短時間(2秒間)にわたって電池を負荷
することのできる最大許容電流である。

0035

短時間電池から給電される電気機械は、高い最大パルス電流によってごく短時
間にわたってきわめて大きな駆動出力を加えることができ、高い最大放電電流に
よって短時間にわたって大きな駆動出力を加えることができる。電気機械の大き
な駆動出力、若しくはきわめて大きな駆動出力は、短い高車両全駆動出力要請段
階のとき、内燃機関を支援するのに役立つ。電気機械から加えることのできる駆
動出力が大きいので、若しくはきわめて大きいので、この場合内燃機関は比較的
小さな駆動出力をなお加えねばならないだけである。それ故に内燃機関はそれ相
応に低い駆動出力に合わせて、つまり小型に、設計することができる。これによ
り、長い低車両全駆動出力要請段階(この段階の間、内燃機関は単独で原動力を
供給する)のとき既に高い正味平均有効圧(従って高い効率)で内燃機関を運転
することが、これによって達成される。駆動システムの高い全効率がこれによっ
て達成される。

0036

短時間電池は高いパルス電流及び放電電流の他に、好ましくは、250W/k
g以上、特に300W/kgの高い出力密度も有する(請求項6)。短時間電池
の重量及び構造寸法が、従って駆動システムの重量及び構造寸法も、こうして小
さく抑えられる。

0037

短時間電池は全容量が1200Ah未満、特に1000Ahである(請求項7
)。短時間電池、特に高い出力密度及び高い出力容積比を有するものは、高価な
原料と高価な生産過程とを必要とする。特定の出力密度及び出力容積比の電池の
経費は実質的に全容量によって決まる。従って、全容量の小さい電池を使用する
と駆動システムの経費が小さくなる。

0038

本発明による駆動システムでは、短時間電池が好ましくはアルカリ二次系(請
求項8)、好ましくはニッケルカドミウム系(請求項9)である。ニッケル・
鉄系(請求項10)等の他のアルカリ蓄電池も考えられる。アルカリ系の利点、
特にニッケル・カドミウム系又はニッケル・鉄系の利点は、高いエネルギー密度
、高いエネルギー容積比、高い出力密度、高い出力容積比である。こうして、ア
カリ系短時間電池を使用すると駆動システムの構造寸法が小さくなり、重量が
軽くなる。更に、アルカリ系、特にニッケル・カドミウム系及びニッケル・鉄系
は放電状態のときの寿命が長く、深度放電可能であり、誤操作に対応し、低温
でも放電可能で、機械的に安定している。

0039

短時間電池は焼結電極(請求項11)又は繊維構造体電極(請求項12)を含
む。焼結電極は焼結板又は焼結薄膜板として実施することができる。この場合、
細かい網目ニッケルワイヤ格子又は薄い穿孔ニッケル帯材が使用され、大きな有
活性表面と低減した内部抵抗がこれによって達成される。

0040

繊維構造体電極の場合、その電極は3次元ポリプロピレン繊維構造体からなり
、ニッケルで被覆された個々の繊維が薄く、焼結電極に比べて有効活性表面が一
層拡大し、内部抵抗が一層低減する。

0041

大きな活性表面と小さな内部抵抗との結果、出力密度及びエネルギー密度が高
くなり、出力容積比及びエネルギー容積比が大きくなる。こうして、焼結電極又
は繊維構造体電極を有する短時間電池を使用すると、小型且つ軽量な駆動システ
ムが得られる。

0042

短時間電池はそこに貯蔵されたエネルギーが内燃機関を始動させるのに適して
いるように設計されている(請求項13)。短時間電池は高い負荷可能性と短い
放電持続時間とによって優れており、好ましくは車両内で車両の設計に合致する
との課題を果たさねばならないであろう。電気機械は始動のために、短時間の付
加的加速(”ブースト”)のためのときと同様に、高電流を短時間必要とする。
それ故に、エンジンを始動させるのに十分に大きなエネルギー量が常に貯蔵され
ているように、短時間電池は容量の点で設計されている。こうして付加的加速と
始動は同じ電池から行われ、これによってパワーエレクトロニクスの支出が減少
し、システム全体の構造寸法及び重量が小さく抑えられる。
駆動システムは、電気機械がエンジンの動力伝達系に、特にしっかりと連結
されるのが好ましい。(請求項14)。この連結は例えばピニオン、Vベルト
クランク軸の突起、等を介して間接的に行うこともでき、電気機械はエンジンの
駆動軸にトルクを間接的に伝達することができる。特に有利には、電気機械の一
部、特に回転子又は固定子が直接にエンジンの駆動軸に堅く連結されていること
である。この場合利点として電気機械は駆動軸の回転むらに直接に対抗して働く
ことができる。内燃機関の場合、構造に起因して駆動軸に作用するガス力及び質
量力によって回転むらは現れる。

0043

短時間電池に貯蔵されたエネルギーが軸の回転むらに対抗して働くのに適して
いるように、短時間電池が設計されており、負の回転むらのとき電気機械が軸に
加速(補助)トルクを負荷すること(請求項15)によって、回転むらに対抗す
ることができる。内燃機関において現れる回転むらを低減するのに必要な出力は
きわめて大きい場合がある。特に、従来の車載電池から給電される電気機械は十
分に大きな対抗用トルクを生じることができない。それに対して、使用される短
時間電池は既に述べたように短時間で高負荷可能であり、電気機械は十分な対抗
用トルクで駆動軸を負荷して、回転むらを効果的に低減させることができる。そ
のことから駆動軸が保護され、走行騒音が減少することになる。更に、無負荷
転数を下げることができる。

0044

更に、正の回転むらのときに電気機械が制動(補助)トルクで軸を負荷するこ
とによっても(請求項16)、回転むらは減らすことができる。上で述べたよう
に短時間電池は有利には二次電池であるので、その際に得られるエネルギーは電
池に貯蔵することができる。そのことの利点として貯蔵エネルギーは、例えば負
の回転むらに対抗するために、ブーストのために又は始動のために、再び利用す
ることができる。

0045

回転むらを最適に低減するために好ましくは両方の措置一緒に利用される。
つまり軸は正負に急速に変化する交互的トルクで負荷され、しかも負の回転むら
の場合駆動トルクで、そして正の回転むらの場合には制動トルクで負荷される。

0046

短時間電池は、駆動スリップを低減するために軸を制動するときに得られたエ
ネルギーで充電可能であるように設計されている(請求項17)ことが望ましい。
駆動スリップの低減は駆動トルクを小さくすることによって、特に軸の制動によ
って、達成される。その際に得られるエネルギーで短時間電池が充電され、燃料
消費量がこれによって更に減少する。駆動スリップの減少で走行信頼性が向上す
る。

0047

同様に、変速機同期化を目的に軸が電気機械によって制動されるとき、及び
電気機械が始動・切換クラッチのとき短時間電池を充電することができる。それ
に応じて、短時間電池に貯蔵されたエネルギーは軸を加速させて変速機を同期化
するとき、及び始動・切換クラッチのとき使用することができる(請求項18)
。この機能、すなわち車両の加速・減速の機能、内燃機関の始動、回転むらの低
減、駆動スリップの低減、等は、複数の電気機械に分割することができる。しか
しこれらの機能は、特に、短時間電池によって給電される単一の電気機械によっ
て行うことが望ましい。駆動システムが小さな構造寸法と軽量さとを有し、しか
も安価であることが、これによって達成される。

0048

電気機械が発電機機能によって運転されるとき、発生するエネルギーは短時間
電池を充電するのに利用される。勿論、短時間電池は付加的電池から充電するこ
ともできる。この電池は、短時間電池とは異なり、低い出力/容量比を有する。
つまり第2電池はそれから供給されるエネルギーに関して高く付加することがで
きない。そのことから、放電電流が小さいときに放電持続時間が長くなる。こう
して駆動システムは短時間電池の他になお1つの長時間電池を有する(請求項1
9)ことが望ましい。長時間電池は、出力需要が少なく且つ全エネルギー需要
高い電気負荷(空調機等)に給電するのに役立つ一方、短時間電池は出力需要が
高く且つ全エネルギー需要の少ない電気負荷に給電する。低負荷可能電池は、用
意される容量に対して、高負荷可能電池よりも安価である。高負荷可能短時間電
池は容量を小さく設計され、高負荷不可能な長時間電池は容量を大きく設計され
ているので、システム全体の経費は小さく抑えることができる。こうして本発明
は、その都度の種類の異なる負荷に適切な電流供給が調整された駆動システムが
用意される利点を有する。

0049

この理由から、短時間電池の他になお1つのコンデンサが設けられている(請
求項20)。このコンデンサは短時間電池に比べて容量が小さい。他方でコン
ンサは急速に充放電することができる。特に、きわめて高い出力が用意されねば
ならない課題の場合、若しくは高いエネルギー量が短時間に貯蔵されねばならな
い課題の場合、例えば回転むらを低減するとき、有利にはコンデンサは短時間電
池の負担を軽減する。

0050

駆動システムはインバータを備えていることが望ましい。このインバータは、
電磁界を発生するために必要な振幅周波数及び位相可変な電流及び電圧を電
気機械に供給する(請求項21)。短時間電池は好ましくはインバータの中間回
路に配置されている(請求項22)。短時間電池を支援するコンデンサにも同様
のことが妥当する。インバータで厳密に制御する可能性の利点として、特に、急
速に変化する回転むらに迅速且つ正確に対抗することができる。

0051

実施形態と添付略示図而とに基づいて本発明を詳しく説明する。

0052

図1は、駆動システムの第1実施形態の寸法どおりではない略示図である。

0053

図2は、Ni−Cd短時間電池の構造の略示断面図である。

0054

図3は、内燃機関の負荷特性線図の略示図である。

0055

図4は、駆動システムの第2実施形態の寸法どおりではない略示図である。

0056

図5は、図4に示す駆動システムの機能様式の例示的略示図である。

0057

図において実質的に同一機能部品には同じ符号が付けられている。

0058

車両、例えば図1に示す乗用車の駆動システムが駆動組立休として内燃機関1
を有する。この内燃機関は例えば4シリンダガソリンエンジンである。内燃機関
1によって生成されるトルクは動力伝達系2を介して駆動輪3に伝達することが
できる。被動方向において動力伝達系2中で内燃機関1の後段にまず電気機械4
が配置されている。これに続くのが走行クラッチ5、変速機6、車軸駆動装置
であり、この車軸駆動装置が駆動輪3にトルクを伝達する。他の(図示しない)
実施形態では、電気機械4で制動するときに内燃機関1が一緒に回転するのを防
止するために、動力伝達系2中で内燃機関1と電気機械4との間に他の(制御系
によって操作される)クラッチが配置されている。

0059

電気機械4、この場合非同期型又は同期型3相機、は固定子8と回転子9と
を含む。固定子は内燃機関1、(図示しない)シャシ又は(図示しない)クラ
ハウジングに対して堅く支えられるのに対して、回転子は内燃機関1のクラン
ク軸10の延長部に嵌着されて、これに連結されている。つまり両者は変速機を
介することなく一緒に回転する。

0060

電気機械4は、例えば車両加速時に内燃機関1を支援するために、補助モータ
(”ブースタ”)として機能する。また、電気機械は内燃機関1の始動装置とし
て役立ち、こうして従来は自動車に別途設けられる始動装置(”スタータ”)の
代わりともなる。更に、電気機械は複数の短時間電池11、長時間電池13を充
電し且つ電気負荷に給電するための発電機として機能し、こうして車両内に従来
設けられる点灯用発電機の代わりともなる。

0061

インバータ14はクロック周波数が高いときにパルス幅変調電圧パルスを電気
機械4の固定子8に供給し、この電圧パルスは機械インダクタンスの作用を受け
て実質的に正弦波3相電流を生じる。この電流の振幅、周波数及び位相は自由に
選択可能である。

0062

このインバータ14は電圧中間回路インバータであり、低レベル直流電圧
この場合12V)を高い中間回路レベル(この場合270V)及びその逆に変換
するDC−DCコンバータ18(入力ユニット)、中間回路蓄電器15、この場
合コンデンサ若しくは並列に接続されたコンデンサの配置、そして機械インバー
タ16(出力ユニット)の3つのユニットを含む。この機械インバータは中間回
路直流電圧から振幅、周波数及び位相可変の(クロックド)3相交流電圧を生成
することができ、又は−電気機械4の発電機運転のとき−このような任意の
交流電圧を中間回路直流電圧に変換することができる。

0063

中間回路蓄電器15は、それぞれ定格電圧1.2Vの直列に接続される複数、
この場合225の短時間電池11に接続されている(図面には3つの短時間電池
が図示されているだけ)。中間回路電圧は270Vとなる。

0064

それ自体既知基本形状を有する短時間電池11が図2に示してある。これは
正の焼結電極23と負の電着電極24とを有する円筒形Ni−Cd二次系である
。電極は大きな有効活性質量を有する渦巻状に巻き付けられた高多孔質基板であ
る。電極23、24は密閉された円筒形鋼ケースの中にある。合成樹脂不織布が
セパレータ25として役立つ。ケースはニッケルめっき鋼板からなるである。
この缶26は同時に負極として役立ち、電池蓋27は正極として役立つ。ガス消
費を高める負電極24の被覆と正電極23内での添加とによって電荷吸収が高ま
り、充電時間が小さく抑えられる。

0065

各短時間電池11は15CAまでの電流で連続的に高負荷可能である。放電持
続時間はこの場合4分である。短時間(2秒まで)は120Aのパルス電流が可
能である。短時間電池は出力密度が300W/kg、定格容量が4Ah/0.2
CAであり、2CAまでの電流で急速充電可能である。

0066

このような円筒形Ni−Cdセルは一般に家庭用器具電動工具及び電話機
で使用されるが、自動車の従来の駆動システム内では使用されない。

0067

図1においてインバータ19の中間回路に接続して直列に設けられる短時間電
池11は短時間に高出力を供給することができる。これは、電気機械4を短時間
付加的に加速(”ブースト”)するのに必要なエネルギーを与えるのに役立つ。
更に、短時間電池11は内燃機関1を始動させるためのエネルギーを供給する。
更に、短時間電池は空調機、アクチュエータ(図示せず)、等のさまざまな高性
能負荷に電気エネルギーを供給する。このような高性能負荷は従来は内燃機関1
に機械的に連結することによって駆動されるのに対して、ここでは用意された電
圧レベルは効率上一層好ましい純電気的駆動を可能とする。

0068

更に、短時間電池11は、電気機械4によって車両を制動するときに発生する
エネルギーの貯蔵にも役立つ。

0069

図1ではインバータ14のDC−DCコンバータ16は低圧側で長時間電池1
3と、例えば照明装置電子器械、等の電力消費量の少ないさまざまな電気負荷
(図示せず)とに接続しておくことができる。インバータ14は一方で長時間電
池13に充電し且つ電気負荷に給電するための低い電圧レベルで電流を供給する
ことができ、他方で低い電圧レベルの電流を長時間電池13から取り出すことが
できる。

0070

制御装置17はその半導体スイッチの適切な制御によっていかなる時点でも、
電気機械4から供給すべき駆動トルク又は制動トルクを与えるために、それによ
って生成すべき交流電圧がいかなる振幅、周波数及び位相を有すべきかを、イン
バータ14に対して設定する。

0071

制御装置17は多数の他の制御器通信する。制御装置17が場合によっては
電気機械4の制動作用を促すことができるように、短時間電池11、長時間電池
13に充電し、低電圧負荷及び高性能負荷に給電するためにいかなるエネルギー
が必要となるかを、(図示しない)エネルギー負荷制御器が明示する。

0072

電気機械4が(例えば始動機能又はブースト機能を達成するために)駆動作用
を、又は(例えば機械的制動を支援するために)制動作用を及ぼすべきか否か、
そしていかなる強さで及ぼすべきかを、(図示しない)エンジン制御器は制御装
置17に対して設定する。エンジン制御器は、同時に、燃料供給絞り弁位置、
燃料噴射(時期及び量)、点火時期、等によってエンジン1の出力、トルク及び
燃料消費量をも制御する。

0073

電気機械4と内燃機関1の制御は、アクセル位置予選択走行速度、選択した
変速機変速段ブレーキクラッチ操作、走行既走行特性、等の利用者によ
って制御される量、回転数、クランク軸角度、トルク、ガス圧力ノッキング
駆動スリップ、走行速度、等の運転量に基づいて行われる。

0074

特に、殆ど、つまり長く持続する低全駆動出力要請段階の間、エネルギー上好
ましい高正味平均有効圧の範囲内でエンジン1が運転されるように、エンジン制
御器は電気機械4とエンジン1を制御する。この場合、エンジン1は車両の駆動
を単独で行う。短く持続する高全駆動出力要請段階の間、例えば始動時又は追越
しのとき、電気機械4がエンジン1を支援する。こうしてエンジン1は駆動シス
テムの最大出力が同じ場合一層小さく設計することができる。

0075

得られる燃料節約作用を図3が示す。示してあるのは4サイクルガソリンエン
ジンの消費量特性線図である。この線図ではトルクと正味平均有効圧が縦座標
、回転数が横座標に記されている。全負荷線と定燃料消費率線b1、b2、b3
が記されている。エンジン1はb1では燃料消費率が高く、b2では平均的、そ
してb3では低い。燃料消費率は正味平均有効圧に大部分依存し、回転数には僅
かに依存することがわかる。長く持続する低全駆動出力要請段階の間に従来の駆
動システムのエンジン(縦平行線)と本発明による駆動システムのエンジン(横
平行線)が運転される(正味平均有効圧)範囲も記されている。つまり内燃機関
1は低い燃料消費率で、従って高い効率で、殆ど運転される。

0076

内燃機関1を始動させるためにエンジン制御器は記憶値に基づいて目標トルク
を決定することができる。この記憶値は、場合によってはこれらの変量の測定と
設定値の維持を確保するフィードバック制御とによって補足されて、始動過程
中の電気機械4の回転数又はトルクの時間的目標経過を設定する。

0077

更に、ASR制御器(図示せず)は、駆動スリップがあるとき、電気機械4が
主に発電機ブレーキとしてとして運転されるようにする。変速機同期制御器(図
示せず)は、変速機同期化のために電気機械が軸を加速し又は制動するようにす
る。

0078

回転むらに対抗するには、図4に示す実施形態が有利である。図5aはエンジ
ン1のトルクMvとクランク軸角度bとの関係を(実線で)示す。平均トルク
中心に一層小さいトルク及び一層大きいトルクの方へとトルクが周期的に変動し
ているのがわかる。この変動はこの理想的例の場合全体として実質的に正弦波状
経過を有する。比較的大きなトルク変動はエンジン1内で作用するガス力及び質
量力によって生じる。

0079

トルク変動を減らすために電気機械から加えられるトルクMeと軸角度bとの
関係が図5bに示してある。このトルクの経過はエンジントルクMvに殆ど一致
しているが、逆向きである。図5aに破線で示したようにトルク変動Mvが減少
し又は事実上消滅しさえする。

0080

図5bに示す運転方式では負のトルク極大と正のトルク極大が値の点で同じ大
きさである。つまり、制動段階のときに得られるエネルギーは後続駆動段階
ときに必要となるエネルギーと実質的に同じ大きさである。

0081

それに対して変更されたシステム運転方式の例を図5cが示す。全トルクの時
間的経過は図5bのものに一致しているが、しかし特定値dMeだけ正方向にず
れている。つまり平均して機械的エネルギーが電気機械に供給され、例えば短時
間加速するための駆動作用がこれによって達成される。

0082

図5bに示す全トルク経過が負方向にずれている場合(ここには図示せず)、
電気機械4は平均して制動作用を及ぼす。その際に発生するエネルギーは例えば
短時間電池11の充電に利用される。

0083

捩り振動に対抗するとき、又は付加的制動トルクを加えるとき、軸・エンジン
系から機械的エネルギーが取り出されて電気エネルギーに変換される。この場合
電気機械4は発電機として働く。

0084

図4に示すように電気機械4は回転変圧器19(いわゆるリゾルバ)を装備し
ている。回転変圧器は制御装置18に送られる回転角依存信号を提供する。上記
の如くに回転むらに対抗するように、制御装置がインバータ14を制御する。

0085

正の回転むらを減らすときに発生するエネルギーを貯蔵するとき短時間電池1
1はコンデンサ12によって支援される。コンデンサは、負の回転むらを減らす
ときに必要となるエネルギーを用意するのにも役立つ。

0086

回転むらを減らすために電気機械4から加えられねばならないトルクを制御装
置17を介して制御することは、例えば、制御装置17が入力情報として軸10
の角度位置、瞬時平均回転数、場合によってはその他の例えば絞り弁位置等の運
パラメータを受け取って、記憶した特性線図からその都度予想される回転むら
をこれらの運転パラメータに基づいて算出することによって、特性線図制御を利
用して行われる。他の可能性は、実際に存在する回転むらを算出することにある
閉ループ制御開ループ制御との組合せも可能である。

0087

瞬時回転むらの算出値から、電磁作用装置から加えられる急激に変化するトル
クの当該(逆相)値が導き出され、このトルクに、場合によっては、希望する強
さの正又は負の補助トルク加算的に重ねられる。

0088

つまり、燃料を節約するコンパクトで軽量な駆動システムが得られ、しかもこ
の駆動システムでなお回転むらに対抗することができる。

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