AT510865B1 - Kettengetriebenes Pistenfahrzeug mit einem seriellen Hybridantrieb - Google Patents

Kettengetriebenes Pistenfahrzeug mit einem seriellen Hybridantrieb Download PDF

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Christof Luigart
Peter Betz
Michael Kuhn
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Kässbohrer Geländefahrzeug AG
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Abstract

Ein serieller Hybridantrieb (100) umfasst: einen Verbrennungsmotor (1), mindestens einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator (3a, 3b), mindestens einen Elektromotor (6a, 6b, 6c), der motorisch und generatorisch betreibbar ist, wobei der mindestens eine elektrische Generator zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (UZ) eines Zwischenkreises (5) ausgebildet ist, die mittels eines Zwischen-kreiskondensators (8) gepuffert ist, und wobei der mindestens eine Elektromotor aus der Zwischenkreisspannung gespeist ist, und einen vom Zwischenkreiskondensator unabhängigen Energiespeicher (7), der dazu ausgebildet ist, Energie aus dem Zwischenkreis zu speichern, wenn im Zwischenkreis mehr Energie zur Verfügung steht, als benötigt ist, und Energie an den Zwischenkreis zu liefern, wenn im Zwischenkreis weniger Energie zur Verfügung steht, als benötigt ist, und/oder wenn eine Energieanforderung vorliegt.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen seriellen Hybridantrieb, ein Fahrzeug und ein Verfahren zumBetreiben eines seriellen Hybridantriebs.
[0002] So genannte serielle Hybridantriebe umfassen üblicherweise einen Verbrennungsmotor,einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator und einen vom elektri¬schen Generator gespeisten Elektromotor, der mit einer anzutreibenden Komponente verbun¬den ist. Der Verbrennungsmotor ist folglich mit der anzutreibenden Komponente nicht direktmechanisch gekoppelt.
[0003] Bei einem Fahrzeug mit einem seriellen dieselelektrischen Hybridantrieb treibt ein Die¬selmotor einen elektrischen Generator an, welcher die elektrische Leistung zur Verfügung stellt,um die anzutreibende Komponente bzw. den mechanischen Antrieb über den Elektromotoranzutreiben.
[0004] Der elektrische Generator erzeugt üblicherweise in einem so genannten Zwischenkreiseine Zwischenkreisspannung als Gleichspannung, die mittels eines Zwischenkreiskondensatorsgepuffert wird. Die Zwischenkreisspannung dient in der Regel zur Versorgung von Frequenzum¬richtern, welche aus der Zwischenkreisspannung eine hochfrequente Ansteuerspannung fürden oder die Elektromotoren erzeugen.
[0005] Eine gewünschte Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs wird üblicherweise über ein Fahr¬pedal vorgegeben, wobei mittels der Fahrpedalstellung eine Solldrehzahl des Elektromotorseingestellt wird. Eine übergeordnete Leistungssteuerung ermittelt eine zugehörige Dieselmotor¬solldrehzahl, die notwendig ist, um die benötigte Leistung mittels des Dieselmotors zur Verfü¬gung zu stellen.
[0006] Weiter muss sichergestellt werden, dass der Dieselmotor bei steigender Leistungsabga¬be an den Elektromotor, beispielsweise bei zunehmender Steigung einer Fahrstrecke des Fahr¬zeugs, nicht "abgewürgt" wird. Wenn der Dieselmotor in einem stationären Betrieb schon aufeine Drehzahl beschleunigt worden ist, bei der er seine maximale Leistung abgibt, muss für denFall, dass mehr elektrische bzw. mechanische Antriebsleistung gefordert wird, die Antriebsleis¬tung bzw. die Leistungsabgabe entsprechend begrenzt werden, um ein Abwürgen bzw. Abster¬ben des Dieselmotors zu verhindern. Wenn der Dieselmotor in einem quasistationären Betriebnoch nicht mit seiner Maximaldrehzahl betrieben wird und somit noch Leistungsreserven zurVerfügung stehen, die ein Beschleunigen des Dieselmotors, d.h. eine Drehzahlerhöhung, er¬möglichen, wird die abgegebene Leistung derart begrenzt, dass der Dieselmotor ausreichendeReserven erhält, um ein Beschleunigen zu ermöglichen.
[0007] Die DE 10 2008 049 225 A1 beschreibt einen seriellen Hybridantrieb aus einem Ver¬brennungsmotor und einem, an diesen angeschlossenen elektrischen Generator, sowie einVerfahren zur Steuerung bzw. Regelung des Drehmoments des Verbrennungsmotors in Bezugauf eine vorgegebene Zielleistung eines Generators.
[0008] Aus der WO 2007/017043 A1 geht ein Hybridantrieb hervor, sowie ein Verfahren zumBetrieb eines solchen Hybridantriebs. Der Hybridantrieb weist einen Verbrennungsmotor auf, andessen Welle eine erste und eine zweite elektrische Maschine angeschlossen ist. Weiters weistder Hybridantrieb einen elektrischen Energiespeicher auf. Das Verfahren zum Betrieb desHybridantriebs zielt auf die Leistungssteigerung bzw. die Verbrauchsreduktion ab.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen seriellen Hybridantrieb, ein Fahrzeugund ein Verfahren zum Betreiben eines seriellen Hybridantriebs zur Verfügung zu stellen, dieeinen optimierten Betrieb eines seriellen Hybridantriebs ermöglichen, insbesondere im Hinblickauf ein verbessertes dynamisches Verhalten bei plötzlich auftretenden Lastspitzen.
[0010] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen seriellen Hybridantrieb mit den Merkmalendes Anspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und ein Verfahren zumBetreiben eines seriellen Hybridantriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
[0011] Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren Wortlauthiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der Beschreibung gemacht wird.
[0012] Der serielle Hybridantrieb umfasst einen Verbrennungsmotor, mindestens einen vomVerbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator, mindestens einen Elektromotor, dermotorisch und generatorisch betreibbar ist, wobei der mindestens eine elektrische Generatorzur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises ausgebildet ist, die mittelseines Zwischenkreiskondensators gepuffert ist, und wobei der mindestens eine Elektromotoraus der Zwischenkreisspannung gespeist ist, und einem vom Zwischenkreiskondensator unab¬hängigen Energiespeicher, der dazu ausgebildet ist, Energie aus dem Zwischenkreis zu spei¬chern, wenn im Zwischenkreis mehr Energie zur Verfügung steht, als benötigt ist, beispielswei¬se in einem Schiebebetrieb, bei dem die Elektromotoren generatorisch arbeiten, und Energie anden Zwischenkreis zu liefern, wenn im Zwischenkreis weniger Energie zur Verfügung steht, alsbenötigt ist, und/oder wenn eine Energieanforderung vorliegt, wobei die Energieanforderungbeispielsweise in einem Steuergerät erzeugt wird. Der Zwischenkreiskondensator kann alseinzelner Kondensator oder aus mehreren geeignet miteinander verschalteten Kondensatorenbestehen, die jedoch im Sinne der Beschreibung einen einzelnen, resultierenden Zwischen¬kreiskondensator bilden. Der unabhängige Energiespeicher kann fest mit dem Zwischenkreiselektrisch gekoppelt sein, sodass er im Bedarfsfall immer Energie bereitstellt, falls er ausrei¬chend geladen ist, oder er kann selektiv, beispielsweise über ansteuerbare Schaltmittel,elektrisch mit dem Zwischenkreis gekoppelt werden, wenn die Energieanforderung vorliegt. Fürdiesen Fall erfolgt die Energieeinspeisung aus dem unabhängigen Energiespeicher nur dann,wenn vorgegebene Bedarfsszenarien vorliegen. Der erfindungsgemäße serielle Hybridantriebermöglicht ein bei plötzlich auftretenden Lastspitzen optimiertes dynamisches Verhalten, dakurzfristig, ohne Drehzahlerhöhung des Verbrennungsmotors, mehr elektrische Leistung zurVerfügung gestellt werden kann.
[0013] In einer Weiterbildung umfasst der Energiespeicher einen Kondensator, insbesondereeinen Doppelschicht-Kondensator, eine Batterie, einen Akkumulator und/oder eine (quasi)supraleitende Spule.
[0014] In einer Weiterbildung ist der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor.
[0015] In einer Weiterbildung ist ein Frequenzumrichter vorgesehen, der aus der Zwischen¬kreisspannung eine hochfrequente Ansteuerspannung für den mindestens einen Elektromotorerzeugt.
[0016] Ein Fahrzeug, insbesondere ein kettengetriebenes Pistenpflegefahrzeug, umfasst einoben genannter serieller Hybridantrieb.
[0017] In einer Weiterbildung liegt die Energieanforderung vor bzw. wird von einer übergeord¬neten Steuereinheit des Fahrzeugs erzeugt, wenn das Fahrzeug eingelenkt wird, eine kurzzeiti¬ge Erhöhung der vom Verbrennungsmotor abgegebenen Leistung angefordert wird, beispiels¬weise im Fall eines so genannten Kick-downs, und/oder eine Drehzahlerhöhung des Verbren¬nungsmotors angefordert wird. Speziell bei Kettenfahrzeugen entstehen sehr hohe Momenten-sprünge bei einem Einlenken. Durch unverzögertes Bereitstellen von elektrischer Energie ausdem unabhängigen Energiespeicher kann das erforderliche Drehmoment verzögerungsfrei undverbrennungsmotordrehzahlerhöhungsunabhängig erzeugt werden. Auch bei anderen Lastspit¬zen, beispielsweise bei einem Kick- down, kann die benötigte Energie zur Abdeckung der Last¬spitze aus dem unabhängigen Energiespeicher entnommen werden, wobei die Drehzahl desVerbrennungsmotors hierzu nicht erhöht werden muss.
[0018] Das Verfahren zum Betreiben eines oben genannten seriellen Hybridantriebs umfasstdie Schritte: Speichern von Energie aus dem Zwischenkreis in dem unabhängigen Energiespei¬cher, wenn im Zwischenkreis mehr Energie zur Verfügung steht, als benötigt ist, und Liefern vonEnergie aus dem unabhängigen Energiespeicher an den Zwischenkreis, wenn im Zwischen¬kreis weniger Energie zur Verfügung steht, als benötigt ist, und/oder wenn die Energieanforde¬rung vorliegt.
[0019] In einer Weiterbildung wird die Energieanforderung erzeugt, wenn ein durch den Hybrid¬antrieb angetriebenes Fahrzeug eingelenkt wird, eine kurzzeitige Erhöhung der vom Verbren¬nungsmotor abgegebenen Leistung angefordert wird und/oder eine Drehzahlerhöhung desVerbrennungsmotors angefordert wird.
[0020] Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeich¬nung beschrieben. Hierbei zeigt schematisch: [0021] Fig. 1 einen seriellen Hybridantrieb für ein kettengetriebenes Pistenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen unabhängigen Energiespeicher.
[0022] Fig. 1 zeigt einen seriellen Hybridantrieb 100 für ein nicht näher dargestelltes kettenge¬triebenes Pistenfahrzeug.
[0023] Der serielle Hybridantrieb 100 umfasst einen Dieselmotor 1, ein mit dem Dieselmotor 1gekoppeltes, optionales Verteilergetriebe 2, zwei von dem Dieselmotor 1 über das Verteilerge¬triebe 2 angetriebene elektrischen Generatoren 3a und 3b, die in einem Zwischenkreis 5 unterMitwirkung von nicht näher dargestellten Gleichrichtern bzw. eines herkömmlichen bidirektiona¬len Wechselrichters eine Zwischenkreisspannung UZ als Gleichspannung erzeugen, die mittelseines Zwischenkreiskondensators 8 gepuffert ist, drei Elektromotoren 6a, 6b und 6c mit jeweilsintegriertem Frequenzumrichter, die unter Mitwirkung ihres zugehörigen Frequenzumrichtersmotorisch und generatorisch betreibbar sind, wobei der jeweilige Frequenzumrichter einesElektromotors 6a, 6b und 6c im motorischen Betrieb eine hochfrequente Ansteuerspannung fürseinen zugehörigen Elektromotor aus der Zwischenkreisspannung UZ erzeugt und im generato¬rischen Betrieb eine durch den Elektromotor generierte, dreiphasige Spannung gleichrichtet undin den Zwischenkreis 5 einspeist, und einen vom Zwischenkreiskondensator 8 unabhängigenEnergiespeicher 7, der dazu ausgebildet ist, Energie aus dem Zwischenkreis 5 zu speichern,wenn im Zwischenkreis 5, beispielsweise im Schiebebetrieb, mehr Energie zur Verfügung steht,als benötigt ist, und Energie an den Zwischenkreis 5 zu liefern, wenn im Zwischenkreis 5 weni¬ger Energie zur Verfügung steht, als benötigt ist, und/oder wenn eine Energieanforderung vor¬liegt.
[0024] Die Generatoren 3a und 3b sind über zugehörige Schaltmittel 4a und 4b mit dem Zwi¬schenkreis 5 gekoppelt, wodurch im Bedarfsfall einer der Generatoren vom Zwischenkreis 5abkoppelbar ist.
[0025] Der Energiespeicher 7 kann beispielsweise einen Kondensator, insbesondere einenDoppelschicht-Kondensator, eine Batterie, einen Akkumulator eine supraleitende Spule oderKombinationen hiervon umfassen.
[0026] Der unabhängige Energiespeicher 7 kann fest mit dem Zwischenkreis 5 elektrisch ge¬koppelt sein, beispielsweise in Form einer Parallelschaltung mit dem Zwischenkreiskondensator8, sodass er im Bedarfsfall immer Energie bereitstellt, falls er ausreichend geladen ist. Alternativkann der Energiespeicher 7, beispielsweise über ansteuerbare Schaltmittel, elektrisch mit demZwischenkreis 5 bzw. dem Zwischenkreiskondensator 8 gekoppelt sein. Die Schaltmittel könnenden unabhängigen Energiespeicher 7 immer dann mit dem Zwischenkreis 5 koppeln, wenn dieEnergieanforderung vorliegt. Für diesen Fall erfolgt die Energieeinspeisung aus dem unabhän¬gigen Energiespeicher 7 nur dann, wenn vorgegebene Bedarfsszenarien vorliegen.
[0027] Die den vorgegebenen Bedarfsszenarien entsprechende Energieanforderung kannbeispielsweise dann gesetzt bzw. erzeugt werden, wenn das Fahrzeug eingelenkt wird, einekurzzeitige Erhöhung der vom Verbrennungsmotor 1 abgegebenen Leistung angefordert wird,beispielsweise bei einem Kick-down, und/oder wenn eine Drehzahlerhöhung des Verbren¬nungsmotors 1 angefordert wird.
[0028] Speziell bei Kettenfahrzeugen entstehen sehr hohe Lenkwiderstände beim Einlenken.Durch schnelle Energie-Verfügbarkeit aus dem Energiespeicher 7 können die hohen Lenkwi¬derstände minimiert werden.
[0029] Durch entstehende Lastspitzen, beispielsweise aufgrund eines Kick- downs, muss übli- cherweise der Dieselmotor 1 seine Drehzahl erhöhen. Erfindungsgemäß kann die Energie zurAbdeckung derartiger Lastspitzen aus dem Energiespeicher 7 entnommen werden, sodass dieDrehzahl des Dieselmotor 1 nicht erhöht werden muss.
[0030] Neuere Dieselmotoren, die verschärfte Normen hinsichtlich ihrer Schadstoffemissionerfüllen, weisen typisch ein verschlechtertes Ansprechverhalten aus, was sich negativ auf dasdynamische Verhalten des derart angetriebenen Fahrzeugs auswirkt. Mittels des Energiespei¬chers 7 kann verzögerungsfrei Energie bereitgestellt werden, wodurch die Gesamtdynamikstark verbessert wird.
[0031] Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen weisen zwei Generatoren 3a und 3b sowiedrei Elektromotoren 6a, 6b und 6c auf. Es versteht sich, dass auch lediglich ein Generator undweniger als drei oder mehr als drei Elektromotoren vorgesehen sein können.
[0032] Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass sie ein bei plötzlich auftretenden Last¬spitzen optimiertes dynamisches Verhalten aufweisen, da kurzfristig, ohne Drehzahlerhöhungdes Verbrennungsmotors 1, mehr elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden kann.

Claims (4)

  1. Patentansprüche 1. Kettengetriebenes Pistenfahrzeug mit einem seriellen Hybridantrieb (100), wobei der seriel¬le Hybridantrieb (100) aufweist: einen Verbrennungsmotor (1), mindestens einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator (3a,3b), mindestens einen Elektromotor (6a, 6b, 6c), der motorisch und generatorisch betreib¬bar ist, wobei der mindestens eine elektrische Generator zur Erzeugung einer Zwischen¬kreisspannung (UZ) eines Zwischenkreises (5) ausgebildet ist, die mittels eines Zwi¬schenkreiskondensators (8) gepuffert ist, und wobei der mindestens eine Elektromotor aus der Zwischenkreisspannung gespeistist, und einen vom Zwischenkreiskondensator unabhängigen Energiespeicher (7), der einenKondensator, eine Batterie, einen Akkumulator und/oder eine supraleitende Spule um¬fasst und der dazu ausgebildet ist, Energie aus dem Zwischenkreis zu speichern, wenn im Zwischenkreis mehr Ener¬gie zur Verfügung steht, als benötigt ist, und Energie an den Zwischenkreis nur dann zu liefern, wenn eine Energieanforderungvorliegt, wobei die Energieanforderung vorliegt, wenndas Pistenfahrzeug eingelenkt wird, eine kurzzeitige Erhöhung der vom Verbrennungsmotor abgegebenen Leis¬tung angefordert wird und/oder eine Drehzahlerhöhung des Verbrennungsmotors angefordert wird.
  2. 2. Kettengetriebenes Pistenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derEnergiespeicher (7) einen Doppelschicht-Kondensator umfasst.
  3. 3. Kettengetriebenes Pistenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist.
  4. 4. Kettengetriebenes Pistenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn¬zeichnet durch einen Frequenzumrichter, der aus der Zwischenkreisspannung eine hoch¬frequente Ansteuerspannung für den mindestens einen Elektromotor erzeugt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
ATA1787/2011A 2010-12-21 2011-12-02 Kettengetriebenes Pistenfahrzeug mit einem seriellen Hybridantrieb AT510865B1 (de)

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