DE102008020555A1

DE102008020555A1 - Redundantes Antriebssystem für Hybridfahrzeuge

Info

Publication number: DE102008020555A1
Application number: DE102008020555A
Authority: DE
Inventors: Reinhart Uhde
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein redundantes Antriebssystem (2) für ein Hybridfahrzeug (1), bei dem für angetriebene Radeinheiten (3) mindestens zwei Antriebsmaschinen (211, 221, 212, 222) unterschiedlicher Energieumwandlungskonzepte vorhanden sind. Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zum redundanten Antrieb von Hybridfahrzeugen (1) zu finden, die eine multiple Redundanz des Antriebssystems (2) bei unterschiedlichsten Havariesituationen gewährleistet und eine Steuerung unter Energiespar- oder Sicherheitsaspekten gestattet, wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Antriebssystem (2) mindestens zwei separate Antriebsgruppen (21, 22, ...) mit jeweils einem unabhängigen mechanischen Antriebsstrang aus Verbrennungsmaschine (211, 221, ...), Elektromaschine (212, 222, ...) und angetriebener Radeinheit (3) aufweist in jeder Antriebsgruppe (21, 22, ...) zwischen Verbrennungsmaschine und angetriebener Radeinheit (3) eine Elektromaschine mit ihrem Rotor als mechanisches Verbindungsglied im mechanischen Antriebsstrang angeordnet ist, und zwischen Verbrennungsmaschine und Elektromaschine sowie zwischen Elektromaschine und angetriebener Radeinheit (3) jeweils eine schaltbare Kupplung (214, 224, 215, 225) angeordnet ist, so dass die Elektromaschine (212, 222, ...) wahlweise von mechanischem Antriebsstrang der Verbrennungsmaschine (211, 221, ...) oder angetriebener Radeinheit (3) trennbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein redundantes Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug, bei dem für angetriebene Radeinheiten mindestens zwei Antriebsmaschinen unterschiedlicher Energieumwandlungskonzepte vorhanden sind, von denen eine eine Elektromaschine ist, die zugleich eine Antriebs- und Generatorfunktion erfüllt und elektrisch mit wenigstens einem Energiespeicher verbunden ist.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar in militärischen Geländefahrzeugen, aber auch in energiesparenden Transportfahrzeugen für Straße und Schiene.
Im Stand der Technik sind neben seriell-hybriden Antriebskonzepten, in denen ein Verbrennungsmotor einen Stromerzeuger antreibt, der seinerseits über elektrische Leitungen elektrische Antriebsmotoren speist, verschiedene echt-hybride Antriebskonzepte bekannt. Bei letzteren befindet sich im mechanischen Antriebsstrang eine Elektromaschine, die elektrische Energie in einen Sammler speist oder diese aus dem Sammler bei Bedarf in den Antriebsstrang als mechanische Leistung einspeist, um einen Verbrennungsmotor zu starten, zusätzlich zum Verbrennungsmotor die mechanische Leistungsabgabe zu erhöhen oder als alleiniger Antrieb des Fahrzeugs zu fungieren, wenn der Verbrennungsmotor, ausgefallen oder stillgelegt, mittels einer Schaltkupplung vom Antriebsstrang getrennt wird.
Die Forderung nach Hybridantrieben wurde bisher vor allem für die Antriebsredundanz bei solchen Fahrzeugen erhoben, bei denen der Ausfall eines oder mehrerer Antriebsaggregate, z. B. aus Sicherheitsgründen, nicht akzeptabel ist. Zunehmend werden Hybridkonzepte aber auch aus Gründen des Umweltschutzes zur Kraftstoffeinsparung und Emissionsminderung eingesetzt.
Im Stand der Technik werden sowohl serielle Hybridkonzepte mit separaten elektrischen Antrieben für einzelne Achsen, als auch parallele Hybridkonzepte aus Verbrennungs- und Elektromaschinen, oder aber aus Verbrennungsmaschine und hydraulischen Einzelantrieben an unterschiedlichen Achsen verfolgt.
So ist beispielsweise in der EP 1 564 518 A1 ein serieller Hybridantrieb mit Elektromotoren auf zwei oder mehr Achsen beschrieben. Dabei ist der Schwerpunkt darauf gerichtet, dass für beide Achsen separate Energiespeicher vorhanden sind, so dass bei Verlust eines Rades oder einer ganzen Achse eine Restmobilität des Fahrzeugs gewährleistet wird, indem die defekte Achse außer Betrieb gesetzt (z. B. abgesprengt) wird und die verbliebene Achse als Notantrieb entweder mittels eines Energiespeichers oder der noch vorhandenen Verbrennungsmaschine elektrisch angetrieben werden kann.
Ein sehr ähnliches Redundanzprinzip ist in der WO 2002/47958 A2 für ein geschütztes Fahrzeug mit hydraulischem Einzelradantrieb beschrieben. Wird ein Rad – z. B. durch Überfahren einer Landmine – beschädigt oder abgetrennt oder muss wegen Blockierung nachträglich abgetrennt werden, ist die Mobilität des Fahrzeugs durch die restlichen Räder über deren separate Hydraulikantriebe, die von einer einzigen Verbrennungsmaschine über getrennte Hydraulikstränge angetrieben werden, gewährleistet.
Nachteilig an den vorstehend beschriebenen Antriebssystemen mit zwingend zu erhaltender Mobilität ist es, dass die Antriebsaggregate nicht gleichwertig redundant gesteuert werden können, sondern allenfalls einen Notbetrieb ermöglichen, der die Fortbewegung aus einer Gefahrenzone ermöglicht.
Ein anderes Hybridsystem ist aus der DE 19758789 B4 für Kraftfahrzeuge mit einer Verbrennungsmaschine auf der einen und einer Elektromaschine auf der anderen Achse bekannt, wobei die Elektromaschine wahlweise als Antriebsmaschine zugeschaltet oder zur regenerativen Bremskrafterzeugung verwendet wird. Dabei sind für jede Antriebsmaschine separate, aber verbindbare elektrische Energiespeicher vorhanden. Nachteilig an diesem Prinzip ist, dass bei Ausfall eines Antriebsaggregats nur noch eine Achse angetrieben werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum redundanten Antrieb von Hybrid-Fahrzeugen zu finden, die eine multiple Redundanz des gesamten Antriebssystems bei unterschiedlichsten Havariesituationen der Antriebskomponenten gewährleistet und zugleich eine beliebige Steuerung der mechanischen und elektrischen Antriebseinheiten unter Energiespar- und/oder Sicherheitsaspekten gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem redundanten Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug, bei dem für angetriebene Radeinheiten mindestens zwei Antriebsmaschinen unterschiedlicher Energieumwandlungskonzepte vorhanden sind, von denen eine eine Elektromaschine ist, die zugleich eine Antriebs- und Generatorfunktion erfüllt und elektrisch mit wenigstens einem Energiespeicher verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem mindestens zwei separate Antriebsgruppen mit jeweils mindestens einem unabhängigen mechanischen Antriebsstrang aus Verbrennungsmaschine, Elektromaschine und angetriebener Radeinheit aufweist, dass in jeder Antriebsgruppe zwischen Verbrennungsmaschine und angetriebener Radeinheit eine Elektromaschine mit ihrem Rotor als mechanisches Verbindungsglied im mechanischen Antriebsstrang angeordnet ist, und dass zwischen der Verbrennungsmaschine und der Elektromaschine sowie zwischen der Elektromaschine und der angetriebener Radeinheit jeweils eine schaltbare Kupplung angeordnet ist, so dass die Elektromaschine wahlweise vom mechanischen Antriebsstrang der Verbrennungsmaschine oder von der angetriebenen Radeinheit trennbar ist.
Vorteilhaft ist die Kupplung zwischen Elektromaschine und Radeinheit vor einem der Radeinheit vorgelagerten Getriebe angeordnet und wird deshalb nachfolgend Getriebekupplung genannt.
Vorzugsweise sind separate Antriebsgruppen jeweils für Radeinheiten, die paarweise an unterschiedlichen Fahrzeugachsen angeordnet sind, oder für unterschiedliche Radsatzwellen eines Fahrzeugs (Triebzuges) vorhanden.
Für besondere Redundanzanforderungen erweist sich als zweckmäßig, dass für an unterschiedlichen Seiten des Fahrzeugs anzutreibende Radeinheiten zwei separate Antriebsgruppen vorhanden sind, die mit jeweils einem mechanischen Antriebsstrang aus Verbrennungsmaschine, Maschinenkupplung, Elektromaschine und Getriebekupplung an ein gemeinsames Lenkgetriebe für die links- und rechtsseitigen Radeinheiten angekoppelt sind. Die an unterschiedlichen Seiten des Fahrzeugs anzutreibenden Radeinheiten sind vorzugsweise als Kettenantriebe von Kettenfahrzeugen ausgebildet.
Die separaten Antriebsgruppen sind vorzugsweise über eine Sammelleitung an einen gemeinsamen elektrischen Energiespeicher angeschlossen und somit elektrisch miteinander verbunden.
In einer anderen vorteilhaften Variante weisen die separaten Antriebsgruppen jeweils eigene elektrische Energiespeicher auf, die über einen gesteuerten Batterieschalter verbindbar sind.
Es erweist sich als zweckmäßig, eine Steuereinheit zur Wahl von Betriebsarten des Antriebssystems vorzusehen, wobei sowohl der Betrieb oder die Stilllegung einer ganzen Antriebsgruppe als auch einzelner Antriebsmaschinen einer Antriebsgruppe, die Trennung und Einkupplung der mechanischen Antriebsstränge sowie die elektrische Verbindung der Antriebsgruppen abhängig von der gewünschten Betriebsart in bestimmten Kombinationen programmiert sind.
Dabei enthält die Steuereinheit zur Auswahl von Betriebsarten vorteilhaft einprogrammierte automatische Betriebsregimes, die definierte Betriebsarten miteinander kombiniert vorhalten unter Aspekten des Energiesparens, der Abgas- oder Geräuschemission oder der kurz- oder langfristigen Mobilitätssicherung.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise zur kombinierten Steuerung der Betriebsarten von mehr als zwei Antriebsgruppen vorgesehen. Insbesondere kann sie zur Steuerung des elektrischen Energiehaushalts zwischen den mehreren Antriebsgruppen oder vorteilhaft zur Steuerung der Verteilung und Nachladung von in separaten Energiespeichern verfügbaren elektrischen Energie vorgesehen sein. Sie kann ebenso die Verteilung der von den Elektromaschinen im Generatorbetrieb verfügbaren elektrischen Energie geeignet steuern.
Die Erfindung basiert auf der Grundidee, dass bei einem Antriebssystem für beliebige Hybridfahrzeuge – ähnlich wie beim Redundanzkonzept gepanzerter Fahrzeuge – das Fahren auch bei Verlust oder Ausfall einzelner Antriebskomponenten gewährleistet sein soll und zugleich die Antriebsmaschinen sparsam und umweltbewusst betrieben werden können.
Dazu wird das hybride Antriebskonzept derart aufgebaut, dass für jede einzelne Radeinheit separat vorhandene elektrische Systemkomponenten untereinander gekoppelt sind, um ihre Leistungen bei Bedarf auszutauschen, zu ergänzen und/oder zu kumulieren. Für jede anzutreibende Radeinheit ist im mechanischen Antriebsstrang zwischen der Verbrennungsmaschine und der Radeinheit eine Elektromaschine angeordnet, die mechanisch und steuerungstechnisch von der Verbrennungsmaschine und der angetriebenen Radeinheit separat trennbar ist. Außerdem sind die Elektromaschinen noch untereinander verbunden oder zumindest bei Bedarf verbindbar. Dadurch entsteht ein vielfach redundantes Antriebssystem, das außer der Funktionssicherheit entscheidende Vorteile bezüglich Energieersparnis, Umweltbelastung und Vereinheitlichung von Antriebskomponenten aufweist.
Unter verschiedenen Gesichtspunkten, wie Antriebsleistung, Antriebsredundanz, Energiemanagement, Emissionsminimierung etc., sind für die Nutzung eines aus zwei Antriebsgruppen bestehenden Antriebssystems folgende Betriebsarten möglich:

– Fahrt mit zwei Verbrennungsmaschinen (mechanisch), Ladung eines elektrischen Energiespeichers (Batterie) durch Generatorfunktion der Elektromaschinen;
– Fahrt mit zwei Verbrennungsmaschinen und elektromotorischer Unterstützung, gespeist aus der Batterie;
– Fahrt mit nur einer Verbrennungsmaschine, mittels mechanischem Antrieb einer Radeinheit, Ladung des Energiespeichers durch Generatorfunktion der Elektromaschinen in angetriebener und mitlaufender Antriebsgruppe;
– Fahrt mit einer Verbrennungsmaschine der einen Antriebsgruppe und mit Elektroantrieb in der anderen Antriebsgruppe, gespeist aus der Batterie oder direkt aus der Elektromaschine der Antriebsgruppe mit laufender Verbrennungsmaschine;
– Stillstand des Fahrzeugs mit einer oder zwei laufenden Verbrennungsmaschinen (bei geöffneter Getriebekupplung) zur Speisung der Batterie oder anderer Verbraucher aus dem Generatorbetrieb einer oder zweier Elektromaschinen (reiner Stromversorgungsbetrieb).

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, ein redundantes Antriebssystem für Hybridfahrzeuge zu realisieren, das eine multiple Redundanz des gesamten Fahrzeugantriebs bei unterschiedlichsten Betriebszuständen und Havariesituationen der Antriebskomponenten gewährleistet und zugleich eine beliebige Steuerung der mechanischen und elektrischen Antriebseinheiten unter Energiespar- und/oder Sicherheitsaspekten gestattet.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipansicht der erfindungsgemäßen Anordnung,
2: eine Ausführung der Erfindung mit redundanten Kettenantrieben,
3: eine Ausgestaltung der Erfindung für mehrachsig angetriebene Eisenbahntriebzüge mit Hybridantriebssystem.
Bei einem hybridgetriebenen Fahrzeug 1 – wie in 1 schematisch gezeigt – enthält das Antriebssystem 2 in seiner Grundstruktur wenigstens zwei baugleiche mechanische Antriebsgruppen 21 und 22, die jeweils wie folgt aufgebaut sind:
Eine Verbrennungsmaschine 211 (bzw. 221) ist mit einer wenigstens einer Elektromaschine 212 (222) verbunden, die über ein Getriebe 213 (223) mit den anzutreibenden Radeinheiten 3 gekoppelt ist. Der Rotor der Elektromaschine 212 (222) stellt einen durchgängigen mechanischen Antriebsstrang von der Verbrennungsmaschine 211 (221) über das Getriebe 213 (223) bis zur Radeinheit 3 her. Zwischen Verbrennungsmaschine 211 (221) und Elektromaschine 212 (222) sowie zwischen Elektromaschine 212 (222) und Getriebe 213 (223) sind jeweils schaltbare Kupplungen, Maschinenkupplung 214 (224) und Getriebekupplung 215 (225), zum Trennen des Kraftflusses im mechanischen Antriebsstrang eingeordnet.
Das Hybridfahrzeug 1 (in 1 nur stilisiert, mit gestrichelt umrissener Kabine und Antriebsgruppen 21 und 22 dargestellt) besitzt im konkreten Beispiel gemäß 1 – zur vereinfachten Darstellung von den mehreren möglichen Antriebsgruppen – lediglich zwei gleichartige Antriebsgruppen 21 und 22. In dieser besonders einfachen Ausführung ist vorgesehen, die elektrischen Ausgänge der Elektromaschinen 212 und 222 über jeweils einen Maschinenumrichter 216 bzw. 226 an mindestens einen elektrischen Energiespeicher 26 (Akkumulator, nachfolgend auch: Batterie 26) mittels Sammelleitungen 263 zu koppeln und (gegebenenfalls trennbar) untereinander zu verbinden. Ferner sind die Antriebsgruppen 21 und 22 steuerungstechnisch über eine Steuereinheit 27 miteinander verbunden, indem zu den Antriebsmaschinen, Verbrennungsmaschinen 211 und 221 und Elektromaschinen 212 und 222, sowie zu den schaltbaren Kupplungen, Maschinenkupplungen 214 und 224 und Getriebekupplungen 215 und 225, Steuerleitungen 271 vorhanden sind, die unterschiedliche Betriebszustände der einzelnen Einheiten der Antriebsgruppen 21 und 22 einstellen und somit unterschiedliche Betriebsarten ermöglichen.
Es steht im Belieben des Fahrzeugführers, welche Antriebsmaschine(n) 211, 221, 212, 222 welcher Antriebsgruppe(n) 21 oder 22 er über eine Steuereinheit 27 für das Antriebs- und Energiemanagement des Antriebssystems 2 auswählt oder ob er ein automatisches (in der Steuereinheit 27 programmiertes) Antriebs- oder Energiemanagement für die geeignete Betriebsart des Fahrzeugs 1 einsetzt. Dafür stehen folgende Funktionsvarianten zur Verfügung:
Sind in einer Antriebsgruppe 21 (22) beide Kupplungen 214 und 215 (224 und 225) geschlossen, treibt die Verbrennungsmaschine 211 (221) sowohl die Elektromaschine 212 (222) als auch über das Getriebe 213 (223) die Radeinheiten 3 des Fahrzeugs 1 an. Dabei kann in einer ersten Variante mechanische Energie von der Verbrennungsmaschine 211 oder 221 abgezweigt, mittels der Elektromaschine 212 bzw. 222 in elektrische Energie gewandelt und in der Batterie 26 gespeichert werden.
In einer zweiten Variante kann in die Elektromaschine(n) 212 und/oder 222 zusätzliche Energie für den Fahrzeugantrieb eingespeist werden, indem aus der Batterie 26 gespeicherte Energie entnommen oder aus der anderen Antriebsgruppe 22 (oder 21) elektrische Leistung aus der Generatorfunktion der Elektromaschine 222 (oder 212) zur Verfügung gestellt wird.
Fällt eine Verbrennungsmaschine 211 (oder 221) aus oder wird diese aus Gründen von Brennstoffeinsparung oder Emissionsvermeidung stillgelegt, wird die zugeordnete Maschinenkupplung 214 (224) geöffnet, die Elektromaschine 212 (222) aus der Batterie 26 (oder aus der anderen Antriebsgruppe 22 bzw. 21) über die Sammelleitung 263 gespeist und gibt über die geschlossene Getriebekupplung 25 (35) und das Getriebe 23 (33) mechanische Antriebsleistung an die Radeinheiten 3 des Fahrzeugs 1 ab.
Bei Verlust (bzw. Defekt) einer kompletten Antriebsgruppe 21 (oder 22) steht immer noch die Leistung der verbleibenden Antriebsgruppe 22 (bzw. 21), d. h. Verbrennungsmaschine 221 (211) zuzüglich der Ladekapazität der (mindestens einen) zentral installierten (hier: in der Fahrzeugkabine angeordneten) Batterie 26 zur Verfügung.
Zur Erhaltung eines ausreichenden Ladezustandes der Batterie 26 kann in einer vierten Variante (ohne abgefragte Antriebsleistung für den Fahrzeugantrieb) der Verbrennungsmaschine 211 (221) über die geschlossene Maschinenkupplung 214 (224) die Elektromaschine 212 (222) antreiben, während die Getriebekupplung 215 (225) geöffnet ist. Bei gleichen Kupplungszuständen erfolgt auch das Starten der Verbrennungsmaschine 211 (221), indem die Elektromaschine 212 (222) als Anlasser genutzt wird.
2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Antriebssystem 2 eines kettengetriebenen Hybridfahrzeugs 1 redundante Antriebe aufweisen soll.
Dabei stehen die Radeinheiten 3, die in diesem Fall für den Antrieb je eines Kettenantriebs 31 und 32 ausgelegt sind, mit einem gemeinsamen Lenkgetriebe 33 (z. B. als kombiniertes Lenk- und Lastschaltgetriebe ausgebildet) in Verbindung. Das Lenkgetriebe 33 ist an zwei separaten Antriebswellen mechanisch über die beiden Getriebekupplungen 215 bzw. 225 und über die Rotorwellen der Elektromaschinen 212 bzw. 222 mit den Antriebswellen der Verbrennungsmaschinen 211 und 221 verbunden. Dabei sind die Elektromaschinen 212 und 222 mittels ihrer beidseitigen Kupplungen, Maschinenkupplungen 214 bzw. 224 und Getriebekupplungen 215 bzw. 225, wahlweise von der jeweiligen Verbrennungsmaschine 211 bzw. 221 und/oder von dem gemeinsamen Lenkgetriebe 33 mechanisch trennbar.
Elektrisch sind die Elektromaschinen 212 und 222 über jeweils einen Maschinenumrichter 216 bzw. 226 an einen für die jeweilige Antriebsgruppe 21 bzw. 22 vorhandenen Energiespeicher 26, die separaten Batterien 261 und 262, angeschlossen, um eine weitere Redundanz der elektrischen Antriebs-, Anlasser- und Energiespeicherfunktionen zu erzielen.
Die Steuereinheit 27 erfüllt die gleichen Grundfunktionen, wie zu 1 beschrieben, jedoch ist wegen der ebenfalls redundanten Auslegung der Energiespeicher 26 als separate Batterien 261 und 262 die Steuerung eines Batterieumschalters 264 vorgesehen, mit dem multivalente Verknüpfungen der Elektromaschinen 212 und 222 und der Batterien 261 und 262 mit- und untereinander möglich sind.
Dabei sind folgende Schaltzustände einzeln oder kombiniert wählbar:

– die Elektromaschine 212 ist direkt mit der Elektromaschine 222 verbunden;
– jede Elektromaschine 212 bzw. 222 ist mit einer der Batterien 261 oder 262 verbunden;
– eine der Elektromaschinen 212 bzw. 222 ist mit den Batterien 261 und 262 verbunden;
– eine Batterie 261 oder 262 ist mit beiden Elektromaschinen 212 und 222 verbunden;
– beide Batterien 261 und 262 sind miteinander verbunden.

Diese Antriebsvariante ist dadurch zumindest elektrisch multipel redundant, indem elektrische Speicher-, Generator- und Antriebsenergien sowie mechanische Antriebsenergien auf verschiedenen Wegen in das Lenkgetriebe 33 eingeleitet werden. Dafür sind in der Steuereinheit 27 vorteilhaft verschiedene Störungsszenarien und Emissionsschutz- oder Energiesparmaßnahmen als bestimmte Antriebsregime vorprogrammiert gespeichert, damit sinnvolle Betriebsarten des Antriebssystems 2 bequem vom Führer des Fahrzeugs 1 ausgewählt werden können.
In 3 ist ein redundantes Antriebssystem 2 für einen Eisenbahntriebzug als Fahrzeug 1 schematisch dargestellt. Hier sind beispielsweise sehr ähnliche Redundanz-Anforderungen wie in den vorigen Beispielen zu erfüllen, weil jeder Triebwagen 11 mehrere Antriebsgruppen 21 und 22 besitzt und mehrere Triebwagen 11 zu einem Triebzug aneinander gekoppelt sind, deren einzelne Verbrennungsmotoren 211, 221, 231 usw. zeitweise (z. B. bei Tunneldurchfahrt) ausgeschaltet werden sollen, ohne dass die Antriebskraft der betreffenden Radsatzwelle 34 ausfällt und eine zusätzliche Aufnahme elektrischer Energie von außen erfolgen soll oder kann.
Bei Eisenbahntriebzügen mit mehreren Triebwagen 11 besteht darüber hinaus die Möglichkeit, nach der Beschleunigung des Zuges, je nach Streckenprofil, eine oder mehrere Getriebekupplungen 215, 225, 235 usw. zu öffnen und dann mit der zur Verfügung stehenden Leistung der jeweiligen Verbrennungsmaschine 211, 221, 231 usw. die zugehörigen Elektromaschinen 212, 222, 232 usw. vollständig nur noch zur Stromversorgung des Zuges heranzuziehen, um Verbraucher 4 (z. B. Klimaanlagen) zu betreiben oder, wenn kein Bedarf an elektrischer Energie besteht, einzelne der Verbrennungsmaschinen 211, 221, 231 usw. stillzulegen und bei geöffneten Maschinenkupplungen 214, 224, 234 usw. und geschlossenen Getriebekupplungen 215, 225, 235 usw. über die Sammelleitungen 263 mit elektrischem Antrieb zu fahren oder einzelne der Elektromaschinen 212, 222, 232 usw. zum Laden der Batterien 261, 262 usw. zu verwenden.
Bei ausreichender Größe der elektrischen Energiespeicher 26 lassen sich hierdurch auch Bremsenergien speichern und bei Bedarf (durch Einspeisung in die Elektromaschinen 212, 222, 232 usw.) für nachfolgende Beschleunigungsvorgänge bereitstellen. Die von einzelnen Elektromaschinen 212, 222, 232 usw. generierte elektrische Energie kann von der Steuereinheit 27 auch mittels vor den Maschinenumrichtern 216, 226, 236 usw. abgezweigten Wechselstromleitungen 266 durch Freigabe eines Wechselstromschalters 265 direkt einer anderen (durch Abschalten der Verbrennungsmaschine 211, 221, 231 usw. und Trennen der Maschinenkupplung 214, 224, 234 usw.) passiv geschalteten Antriebsgruppe 21, 22 oder 23 usw. zugeführt werden.
Wird beispielsweise die Antriebsgruppe 21 aktiv über die Verbrennungsmaschine 211 angetrieben und deren Elektromaschine 212 als Generator betrieben, kann die vor dem zugehörigen Maschinenumrichter 216 abgezweigte Wechselstromleitung 266 von der Steuereinheit 27 mittels des Wechselstromschalters 265 beispielsweise mit der Elektromaschine 222 oder 232 einer passiv geschalteten Antriebsgruppe 22 oder 23 verbunden werden, um die jeweilige Elektromaschine 222 oder 232 als unterstützenden elektrischen Triebzugantrieb zu nutzen, wenn die Verbrennungsmaschine 221 bzw. 231 stillgelegt und mittels der Maschinenkupplung 224 bzw. 234 vom mechanischen Antriebsstrang getrennt (ausgekuppelt) ist.
Hierbei obliegt es dem Energiemanagement der Steuereinheit 27, wie bereits oben zu 1 beschrieben, von den vorhandenen Energiearten (hier: mechanische und elektrische Energie) vornehmlich die erzeugte elektrische Energie möglichst verlustarm zu wandeln, indem sie entweder einer direkten Verwertung oder der Energiespeicherung zugeführt wird, sowie die Verbrennungsmaschinen 211, 221, 231 usw. bezüglich Kraftstoffverbrauch und Umweltimmission sparsam zu betreiben.

1: Fahrzeug
11: Triebwagen
2: Antriebssystem
21: (erste) Antriebsgruppe
211: Verbrennungsmaschine (der ersten Antriebsgruppe)
212: Elektromaschine (der ersten Antriebsgruppe)
213: Getriebe (der ersten Antriebsgruppe)
214: Maschinenkupplung (Verbrennungsmotor-Elektromaschine)
215: Getriebekupplung (Elektromaschine-Getriebe)
216: Maschinenumrichter
22: (zweite) Antriebsgruppe
221: Verbrennungsmaschine (der zweiten Antriebsgruppe)
222: Elektromaschine (der zweiten Antriebsgruppe)
223: Getriebe (der zweiten Antriebsgruppe)
224: Maschinenkupplung
225: Getriebekupplung
226: Maschinenumrichter
23: (dritte) Antriebsgruppe
231: Verbrennungsmaschine
232: Elektromaschine
233: Getriebe
26: (elektrischer) Energiespeicher
261, 262: (separate) Batterien
263: Sammelleitung
264: Batterieschalter
265: Wechselstromschalter
266: Wechselstromleitung
27: Steuereinheit
271: Steuerleitungen
3: Radeinheit
31, 32: Kettenantrieb
33: Lenkgetriebe
34: Radsatzwelle
4: elektrische Verbraucher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1564518 A1 [0006]
- WO 2002/47958 A2 [0007]
- DE 19758789 B4 [0009]

Claims

Redundantes Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug, bei dem für angetriebene Radantriebseinheiten (3) mindestens zwei Antriebsmaschinen (211, 212, 221, 222; 231, 232) unterschiedlicher Energieumwandlungskonzepte vorhanden sind, von denen eine eine Elektromaschine (212, 222, 232) ist, die zugleich Antriebs- und Generatorfunktion erfüllt und mit wenigstens einem Energiespeicher (26) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Antriebssystem (2) mindestens zwei separate Antriebsgruppen (21, 22, 23) mit jeweils einem unabhängigen mechanischen Antriebsstrang aus Verbrennungsmaschine (211, 221, 231), Elektromaschine (212, 222, 232) und angetriebener Radantriebseinheit (3) aufweist, – in jeder Antriebsgruppe (21, 22, 23) zwischen Verbrennungsmaschine (211, 221, 231) und angetriebener Radantriebseinheit (3) eine Elektromaschine (212, 222, 232) mit ihrem Rotor als mechanisches Verbindungsglied im mechanischen Antriebsstrang angeordnet ist, und – zwischen Verbrennungsmaschine (211, 221, 231) und Elektromaschine (212, 222, 232) sowie zwischen Elektromaschine (212, 222, 232) und angetriebener Radantriebseinheit (3) jeweils eine schaltbare Kupplung (214, 224, 234; 215, 225, 235) angeordnet ist, so dass die Elektromaschine (212, 222, 232) wahlweise vom mechanischen Antriebsstrang der Verbrennungsmaschine (211, 221, 231) oder von der angetriebenen Radantriebseinheit (3; 31, 32) trennbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (215, 225, 235) zwischen Elektromaschine (212, 222, 232) und Radantriebseinheit (3) vor einem der Radeinheit (3; 31, 32, 33) vorgelagerten Getriebe (213, 223, 233,) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass separate Antriebsgruppen (21, 22, 23) jeweils für an unterschiedlichen Achsen paarweise angeordneten Radeinheiten (3) oder für unterschiedliche Radsatzwellen (34) eines Fahrzeugs vorhanden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei separate Antriebsgruppen (21, 22) für an unterschiedlichen Seiten eines Fahrzeugs anzutreibende Radeinheiten (3) mit jeweils einem mechanischen Antriebsstrang aus Verbrennungsmaschine (211, 221, 231), Maschinenkupplung (214, 224, 234), Elektromaschine (212, 222, 232) und Getriebekupplung (215, 225, 235) an ein Lenkgetriebe (33) für an unterschiedlichen Seiten des Fahrzeugs (1) anzutreibende Radeinheiten (31, 32) angekoppelt sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die an unterschiedlichen Seiten eines Fahrzeugs (1) anzutreibenden Radeinheiten (3) vorzugsweise als Kettenantriebe (31, 32) von Kettenfahrzeugen ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Antriebsgruppen (21, 22) über eine Sammelleitung (263) an einen gemeinsamen elektrischen Energiespeicher (26) angeschlossen und somit elektrisch verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Antriebsgruppen (21, 22, 23) jeweils eigene Energiespeicher (261, 262) aufweisen, die über einen gesteuerten Schalter (264) verbindbar sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (27) zur Wahl von Betriebsarten des Antriebssystems (2) vorhanden ist, wobei sowohl der Betrieb oder die Stilllegung einer ganzen Antriebsgruppe (21, 22, 23) als auch einzelner Antriebsmaschinen (211, 221, 231; 212, 222, 232) einer Antriebsgruppe (21, 22, 23), die Trennung und Einkupplung der Antriebsstränge sowie die elektrische Verbindung der Antriebsgruppen (21, 22, 23) abhängig von der gewünschten Betriebsart in bestimmten Kombinationen programmiert ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) zur Wahl von Betriebsarten einprogrammierte automatische Betriebsregimes enthält, die definierte Betriebsarten unter Aspekten des Energiesparens, der Abgas- oder Geräuschemission oder der kurz- oder langfristigen Mobilitätssicherung miteinander kombiniert enthalten.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) zur kombinierten Steuerung der Betriebsarten von mehr als zwei Antriebsgruppen (21, 22, 23) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) zur Steuerung des elektrischen Energiehaushalts zwischen den Antriebsgruppen (21, 22, 23) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) zur Steuerung der Verteilung von in separaten Energiespeichern (261, 262) verfügbaren elektrischen Energie vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) zur Steuerung der Verteilung der von Elektromaschinen (212, 222, 232) im Generatorbetrieb verfügbaren elektrischen Energie vorgesehen ist.