DE102008020555A1 - Redundant drive system for hybrid driven vehicle e.g. military all-terrain vehicle, has set of electrical machines alternatively separated from mechanical drive strand of internal combustion engine or wheel drive unit - Google Patents
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Abstract
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.The The invention relates to a redundant drive system for a Hybrid vehicle in which for driven wheel units at least two drive machines of different energy conversion concepts are present, one of which is an electric machine, the same time a drive and generator function fulfilled and electrically connected to at least one energy store.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar in militärischen Geländefahrzeugen, aber auch in energiesparenden Transportfahrzeugen für Straße und Schiene.The Invention is particularly applicable in off-highway military vehicles, but also in energy-saving road transport vehicles and rail.
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.in the State of the art are in addition to serial-hybrid drive concepts, in which an internal combustion engine drives a power generator, the in turn via electrical lines electric drive motors feeds, various real-hybrid drive concepts known. at the latter is located in the mechanical drive train an electric machine, the electric energy feeds into a collector or these from the Collector when needed in the powertrain as mechanical power feeds to start an internal combustion engine, in addition to Internal combustion engine to increase the mechanical power output or to act as the sole propulsion of the vehicle when the Internal combustion engine, failed or shut down, by means of a clutch is disconnected from the drive train.
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.The Demand for hybrid drives has been mainly for the drive redundancy in such vehicles levied in which the failure of one or more drive units, eg. For security reasons, is not acceptable. But hybrid concepts are also becoming increasingly popular for reasons of environmental protection to save fuel and emission reduction.
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.in the Prior art both serial hybrid concepts with separate electric drives for individual axes, as well as parallel Hybrid concepts from combustion and electric machines, or from internal combustion engine and hydraulic individual drives at different Axes tracked.
So
ist beispielsweise in der
Ein
sehr ähnliches Redundanzprinzip ist in der
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.adversely mandatory on the drive systems described above Sustainable mobility is that the drive units can not be controlled redundantly equivalent, but at best to enable an emergency operation, the locomotion from a danger zone allows.
Ein
anderes Hybridsystem ist aus der
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.Of the Invention is based on the object, a new way to find the redundant drive of hybrid vehicles, the one Multiple redundancy of the entire drive system in the most diverse Emergency situations of the drive components ensured and at the same time any control of the mechanical and electrical Drive units under energy saving and / or safety aspects allowed.
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.According to the invention, the object in a redundant drive system for a hybrid vehicle, in which at least two drive machines of different energy conversion concepts are available for driven wheel units, one of which is an electric machine, which also performs a drive and generator function and is electrically connected to at least one energy storage, characterized characterized in that the drive system comprises at least two separate drive groups, each having at least one independent mechanical drive train of internal combustion engine, electric machine and driven wheel unit that in each drive group between the internal combustion engine and driven wheel unit, an electric machine with its rotor as a mechanical link in the mechanical drive is arranged strand, and that between the internal combustion engine and the electric machine and between the electric machine and the driven wheel unit each have a switchable clutch is arranged, so that the electric machine is selectively separable from the mechanical drive train of the internal combustion engine or the driven wheel unit.
Vorteilhaft ist die Kupplung zwischen Elektromaschine und Radeinheit vor einem der Radeinheit vorgelagerten Getriebe angeordnet und wird deshalb nachfolgend Getriebekupplung genannt.Advantageous is the coupling between the electric machine and the wheel unit in front of you arranged the gear unit upstream gear and will therefore follow Called gear coupling.
Vorzugsweise sind separate Antriebsgruppen jeweils für Radeinheiten, die paarweise an unterschiedlichen Fahrzeugachsen angeordnet sind, oder für unterschiedliche Radsatzwellen eines Fahrzeugs (Triebzuges) vorhanden.Preferably are separate drive groups each for wheel units, which are arranged in pairs on different vehicle axles, or for different axles of a vehicle (multiple unit) available.
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.For special redundancy requirements are found to be appropriate, that for to be driven on different sides of the vehicle wheel units two separate drive groups are present, each with a mechanical drive train from combustion engine, engine clutch, Electric machine and transmission clutch to a common steering gear coupled for the left and right wheel units are. The driven on different sides of the vehicle Wheel units are preferably used as chain drives of tracked vehicles educated.
Die separaten Antriebsgruppen sind vorzugsweise über eine Sammelleitung an einen gemeinsamen elektrischen Energiespeicher angeschlossen und somit elektrisch miteinander verbunden.The separate drive groups are preferably via a manifold connected to a common electrical energy storage and thus electrically connected to each other.
In einer anderen vorteilhaften Variante weisen die separaten Antriebsgruppen jeweils eigene elektrische Energiespeicher auf, die über einen gesteuerten Batterieschalter verbindbar sind.In In another advantageous variant, the separate drive groups each own electrical energy storage on, over a controlled battery switch are connectable.
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.It proves to be expedient, a control unit to provide for the selection of operating modes of the drive system, wherein both the operation or the decommissioning of a whole drive group as well as individual drive machines of a drive group, the separation and coupling of the mechanical drive trains as well the electrical connection of the drive groups dependent of the desired operating mode in certain combinations are programmed.
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.there contains the control unit for selecting operating modes advantageously programmed automatic operating regime that defined Operating modes combined with each other under aspects of the Energy saving, the exhaust or noise emission or the Short or long-term mobility security.
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.The Control unit is preferably for combined control of the modes provided by more than two drive groups. In particular, can they are used to control the electrical energy balance between the several drive groups or advantageous for controlling the distribution and recharge of available in separate energy stores be provided electrical energy. It can also be the distribution the one available from electric machines in generator mode Control electrical energy suitably.
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.The Invention is based on the basic idea that in a drive system for any hybrid vehicles - similar like in the redundancy concept of armored vehicles - driving guaranteed even with loss or failure of individual drive components should be and at the same time the engines economical and environmentally conscious can be operated.
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.To the hybrid drive concept is constructed such that for each individual wheel unit separately existing electrical system components with each other are coupled to exchange their services when needed, too supplement and / or cumulate. For each to be driven Wheel unit is in the mechanical drive train between the internal combustion engine and the wheel unit arranged an electric machine, the mechanical and control technology of the internal combustion engine and the driven Wheel unit is separately separable. In addition, the electric machines still interconnected or at least connectable if necessary. Thereby arises a multi-redundant drive system, which except the functional safety crucial advantages Energy savings, environmental impact and standardization of drive components having.
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).
- - driving with two combustion engines (mechanical), charging an electrical energy storage (battery) by generator function of the electric machines;
- - driving with two combustion engines and electromotive assistance, fed from the battery;
- - Drive with only one internal combustion engine, by means of mechanical drive a wheel unit, charging the energy storage by generator function of the electric machines in driven and revolving drive group;
- - Travel with an internal combustion engine of a drive group and with electric drive in the other drive group, fed from the battery or directly from the electric machine of the drive group with running internal combustion engine;
- - Standstill of the vehicle with one or two engines running (with the gearbox clutch open) to power the battery or other consumers from the generator operation of one or two electric machines (pure power supply operation).
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.With The solution according to the invention makes it possible to to realize a redundant drive system for hybrid vehicles, That is a multiple redundancy of the entire vehicle drive in a variety of Operating conditions and accident situations of the drive components ensures and at the same time any control of mechanical and electrical drive units under energy-saving and / or safety aspects.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:The Invention will be described below with reference to embodiments be explained in more detail. The drawings show:
Bei
einem hybridgetriebenen Fahrzeug
Eine Verbrennungsmaschine
An internal combustion engine
Das
Hybridfahrzeug
Es
steht im Belieben des Fahrzeugführers, welche Antriebsmaschine(n)
Sind
in einer Antriebsgruppe
Are in a drive group
In
einer zweiten Variante kann in die Elektromaschine(n)
Fällt
eine Verbrennungsmaschine
Bei
Verlust (bzw. Defekt) einer kompletten Antriebsgruppe
Zur
Erhaltung eines ausreichenden Ladezustandes der Batterie
Dabei
stehen die Radeinheiten
Elektrisch
sind die Elektromaschinen
Die
Steuereinheit
Dabei sind folgende Schaltzustände einzeln oder kombiniert wählbar:
- – die Elektromaschine
212 ist direkt mit der Elektromaschine222 verbunden; - – jede Elektromaschine
212 bzw.222 ist mit einer der Batterien261 oder262 verbunden; - – eine der Elektromaschinen
212 bzw.222 ist mit den Batterien261 und262 verbunden; - – eine Batterie
261 oder262 ist mit beiden Elektromaschinen212 und222 verbunden; - – beide Batterien
261 und262 sind miteinander verbunden.
- - the electric machine
212 is directly with the electric machine222 connected; - - every electric machine
212 respectively.222 is with one of the batteries261 or262 connected; - - one of the electric machines
212 respectively.222 is with the batteries261 and262 connected; - - a battery
261 or262 is with both electric machines212 and222 connected; - - both batteries
261 and262 are connected.
Diese
Antriebsvariante ist dadurch zumindest elektrisch multipel redundant,
indem elektrische Speicher-, Generator- und Antriebsenergien sowie mechanische
Antriebsenergien auf verschiedenen Wegen in das Lenkgetriebe
In
Bei
Eisenbahntriebzügen mit mehreren Triebwagen
Bei
ausreichender Größe der elektrischen Energiespeicher
Wird
beispielsweise die Antriebsgruppe
Hierbei
obliegt es dem Energiemanagement der Steuereinheit
- 11
- Fahrzeugvehicle
- 1111
- Triebwagenrailcar
- 22
- Antriebssystemdrive system
- 2121
- (erste) Antriebsgruppe(first) drive group
- 211211
- Verbrennungsmaschine (der ersten Antriebsgruppe)combustion engine (the first drive group)
- 212212
- Elektromaschine (der ersten Antriebsgruppe)electric machine (the first drive group)
- 213213
- Getriebe (der ersten Antriebsgruppe)transmission (the first drive group)
- 214214
- Maschinenkupplung (Verbrennungsmotor-Elektromaschine)machine coupling (Engine-electric machine)
- 215215
- Getriebekupplung (Elektromaschine-Getriebe)transmission clutch (Electric machine Transmission)
- 216216
- MaschinenumrichterMaschinenumrichter
- 2222
- (zweite) Antriebsgruppe(second) drive group
- 221221
- Verbrennungsmaschine (der zweiten Antriebsgruppe)combustion engine (the second drive group)
- 222222
- Elektromaschine (der zweiten Antriebsgruppe)electric machine (the second drive group)
- 223223
- Getriebe (der zweiten Antriebsgruppe)transmission (the second drive group)
- 224224
- Maschinenkupplungmachine coupling
- 225225
- Getriebekupplungtransmission clutch
- 226226
- MaschinenumrichterMaschinenumrichter
- 2323
- (dritte) Antriebsgruppe(third) drive group
- 231231
- Verbrennungsmaschinecombustion engine
- 232232
- Elektromaschineelectric machine
- 233233
- Getriebetransmission
- 2626
- (elektrischer) Energiespeicher(Electrical) energy storage
- 261, 262261 262
- (separate) Batterien(Separate) batteries
- 263263
- Sammelleitungmanifold
- 264264
- Batterieschalterbattery switch
- 265265
- WechselstromschalterAC switch
- 266266
- WechselstromleitungAC line
- 2727
- Steuereinheitcontrol unit
- 271271
- Steuerleitungencontrol lines
- 33
- Radeinheitwheel unit
- 31, 3231 32
- Kettenantriebchain drive
- 3333
- Lenkgetriebesteering gear
- 3434
- Radsatzwelleaxle
- 44
- elektrische Verbraucherelectrical consumer
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - WO 2002/47958 A2 [0007] WO 2002/47958 A2 [0007]
- - DE 19758789 B4 [0009] - DE 19758789 B4 [0009]
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