LuK GmbH & Co. KG · Deutschland

Das Parallel-Schaltgetriebe (PSG) bietet die ideale Basis für einen Antrieb mit hohem Komfort und sehr gutem Wirkungsgrad. Zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs wird nach Möglichkeiten zur Einbindung einer elektrischen Maschine gesucht. Diese soll neben dem schnellen, geräuschlosen Start (Start-Stopp) auch die Rückgewinnung von Bremsenergie (Rekuperation) und ein Downsizing des Verbrennungsmotors durch eine Boosterfunktion ermöglichen. Für diesen Ansatz wird heute in den meisten Fällen eine elektrische Maschine („Startergenerator“) zwischen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der Kupplung installiert. Nachteilig ist dabei das eingeschränkte Rekuperationspotenzial durch Schleppverluste des Verbrennungsmotors im Schub.

Diesen Nachteil kann eine weitere Kupplung zwischen elektrischer Maschine und Kurbelwelle vermeiden. Durch die Abkopplung des Verbrennungsmotors im Schub kann bei dieser Konfiguration das volle Potenzial zur Rückgewinnung von Verzögerungsenergie genutzt werden. Außerdem kann durch die Trennung von Motor und elektrischer Maschine zur weiteren Verringerung des Kraftstoffverbrauchs das Fahrzeug rein elektrisch bewegt werden. Die LuK Idee für ein ESG geht noch einen Schritt weiter. Die elektrische Maschine wird in das Getriebe integriert. Neben funktionalen Vorteilen bietet diese Struktur signifikante Bauraum- und Kostenvorteile (Bild 1).

Funktionen
Um die einzelnen Funktionen des ESG übersichtlich erläutern zu können, sind die beiden Teilgetriebe parallel dargestellt (Bild 2). Der untere Teil beinhaltet die ungeraden Gangstufen sowie die Kupplung K1 und wird als Teilgetriebe 1 bezeichnet. Analog besteht das Teilgetriebe 2 aus den geraden Gangstufen und Kupplung K2.

Verbrennungsmotorisches Fahren
Während des Betriebes im Teilgetriebe 2 ist der Startergenerator (SG) über die Kupplung K2 direkt an den Verbrennungsmotor gekoppelt. Bild 2 zeigt beispielhaft das Fahren im 4. Gang mit Generatorfunktion.

Boosterfunktion
Beim Fahrbetrieb in einem ungeraden Gang wird je nach Schaltstrategie im Teilgetriebe 2 ein gerader Gang vorgewählt oder in Neutral geschaltet. Ist das Teilgetriebe 2 in Neutralstellung, so wird die Kupplung K2 geschlossen, um das Generatormoment zu übertragen. Bei vorgewähltem Gang erfolgt der Antrieb der elektrischen Maschine über die eingelegte Gangstufe. Durch Umkehr der Momentenrichtung an der elektrischen Maschine kann wiederum eine Booster-Funktion erfüllt werden.

Elektrisches Anfahren/Fahren
Bei entsprechend großer installierter elektrischer Leistung der elektrischen Maschine sowie der Batterie ist rein elektrisches Fahren möglich. Dazu bleiben beide Kupplungen geöffnet und in Abhängigkeit der Geschwindigkeit und Last sowie des Wirkungsgrad-Kennfeldes wird das Moment über den 2., 4. oder 6. Gang auf die Antriebsräder geführt.

Bremsenergie-Rückgewinnung (Rekuperation)
Um eine effiziente Nutzung der Bremsenergie zu erreichen, wird der Verbrennungsmotor im Schubbetrieb vom Antriebstrang abgekoppelt. Die Verzögerung des Fahrzeuges übernimmt die elektrische Maschine, die je nach Geschwindigkeit, Bremspedalstellung sowie optimaler Übersetzung ein generatorisches Moment aufbaut und die kinetische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie umwandelt. Durch die Integration des Klimakompressors in das Teilgetriebe 2 kann die kinetische Energie des Fahrzeuges auch direkt zur Erzeugung von Kälteleistung genutzt werden. Bei Verwendung eines geeigneten Kältemittels wie CO2 kann die Klimaanlage außerdem Wärme erzeugen. Neben energetischen Vorteilen analog zur direkten Erzeugung von Kälteleistung bei der Rekuperation verspricht das System großen Nutzen für das Thermo-Management des Hybridfahrzeuges. Das gilt insbesondere für moderne Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung, vollvariablen Steuerzeiten u.ä., die aufgrund ihrer niedrigen Teillast-Verbräuche zum Teil heute schon auf Zusatzheizer angewiesen sind.