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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem eines Nutzfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems eines Nutzfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
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Nutzfahrzeuge können, je nach Einsatzgebiet, mehr oder weniger häufigen und in ihrer Größe stark variierenden Leistungsabforderungen am Antriebsstrang ausgesetzt sein. Dies ist insbesondere bei landwirtschaftlichen Traktoren der Fall, die zum Ziehen, Schieben oder Antreiben von Anbaugeräten eingesetzt werden. Die Verbrennungsmotoren in solchen Zugmaschinen werden zu einem erheblichen Anteil der Betriebsstunden, beispielsweise bei der Bearbeitung von großen Landflächen mit einem Pflug oder einem Grubber, bei hohen Lasten betrieben.
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Die von der Zugmaschine abgeforderte Leistung wird dabei einerseits durch die zur Bearbeitung des Bodens gewünschte Fahrgeschwindigkeit, welche im Wesentlichen von der verfügbaren Fahrzeugleistung, den Eigenschaften des Arbeitsgerätes und weiteren Parametern des Arbeitsprozesses abhängt, und andererseits von den Eigenschaften des zu bearbeitenden Bodens selbst bestimmt. Da die lokalen Eigenschaften des Bodens stark schwanken können, beispielsweise durch vorangegangene bodenverdichtende Arbeitsschritte, differierende Feuchtigkeits- und Bodenqualitätszonen usw., schwankt die Leistungsabforderung am Antriebsstrang entsprechend.
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Bei einem in dieser Weise beanspruchten Traktor mit einem herkömmlichen Antriebsstrang, d. h. mit einem Verbrennungsmotor mit geregelter Kraftstoffeinspritzung als einzigem Antriebsaggregat, werden Änderungen in der Leistungsabforderung am Antriebsstrang und in der Folge am Motor von einem Regelsystem durch eine entsprechende Änderung der Kraftstoff-Einspritzmenge und gegebenenfalls auch durch Anpassen der Lage eines Betriebspunktes in einem Kennfeld kompensiert. Dies kann jedoch temporär zu instationären Betriebszuständen des Motors mit einem negativen Einfluss auf den Treibstoffverbrauch und das Abgasverhalten sowie den Verschleiß führen. Wird der Motor zudem gerade in einem Betriebspunkt betrieben, der keine weiteren Leistungsreserven bietet, also entlang oder nahe einer Volllastkurve, was im landwirtschaftlichen Einsatz durchaus üblich ist, muss eine Lastspitze zwangsläufig zu einem Drehzahleinbruch führen. Demgegenüber wäre ein möglichst konstanter Betrieb des Verbrennungsmotors in einem verbrauchsgünstigen und abgastechnisch optimalen Betriebspunkt innerhalb eines vorgegebenen Motorkennfeldes wünschenswert.
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Bekannt sind bereits so genannte Grenzlastregler, die, insbesondere in Verbindung mit stufenlosen Getrieben, bei abfallender Motordrehzahl automatisch die Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeuges durch Verstellen der Getriebeübersetzung reduzieren und bei einer Entlastung wieder anheben. Praxistests haben zwar gezeigt, dass mit solchen Systemen die genannten kritischen Schwankungen der Leistungsabforderung am Motor teilweise harmonisiert und Drehzahlschwankungen reduziert werden können. Allerdings beeinflussen die damit verbundenen spontanen Änderungen der Fahrgeschwindigkeit bei Lastspitzen sowohl den Fahrkomfort als auch das Arbeitsergebnis mit dem jeweils verwendeten Arbeitsgerät in unerwünschter Weise. Zudem können sehr kurzfristige Drehzahlschwankungen aufgrund der begrenzten Verstelldynamik solcher Regelsysteme kaum kompensiert werden, was sich wiederum ungünstig auf den Kraftstoffverbrauch und die Emissionswerte auswirkt.
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Neben den herkömmlichen Antriebssträngen, bei denen der Antrieb ausschließlich über eine Antriebsart, d. h. über einen Verbrennungsmotor erfolgt, sind bereits auch Hybridantriebe für Nutzfahrzeuge bekannt.
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Aus der
DE 601 33 609 T2 ist eine Hybridantriebseinheit eines Traktors bekannt. Darin sind ein Verbrennungsmotor und zwei, jeweils als Generator und Motor betreibbare elektrische Maschinen über ein Planetengetriebe mechanisch miteinander gekoppelt. Der Verbrennungsmotor ist trennbar mit einem Planetenrad verbunden, eine elektrische Maschine ist mit einem Sonnenrad verbunden, die andere elektrische Maschine ist mit einem Hohlrad und einem Antriebsstrang verbunden. Der Antrieb kann wahlweise über den Verbrennungsmotor und die elektrischen Maschinen kombiniert oder rein elektrisch erfolgen. Beide elektrische Maschinen können rechtsgängig und linksgängig angesteuert werden. Der Verbrennungsmotor wird in einem verbrauchs- und emissionsgünstigen Betriebsbereich betrieben. Ein Teil der mechanischen Antriebsleistung wird zunächst in elektrische Leistung umgewandelt und bei Bedarf wieder in mechanische Energie zurückgewandelt und dem Antriebsstrang zugeführt. Wenn die eine elektrische Maschine als ein Motor wirkt, wird die Antriebsenergie dafür von der anderen elektrischen Maschine erzeugt, die als ein Generator wirkt oder sie wird aus einem Energiespeicher entnommen. Der Energiespeicher wird vor allem dann genutzt, wenn ein zusätzlicher Leistungsbedarf über die von dem Verbrennungsmotor gelieferte Leistung hinaus besteht. Über eine Steuerung der elektrischen Antriebsaggregate kann die auf die Antriebsräder des Traktors übertragene Leistung kontinuierlich geregelt werden, um eine durch eine Gaspedalbetätigung des Fahrers vorgewählte Fahrgeschwindigkeit möglichst kontinuierlich einzuhalten.
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Nachteilig daran sind der relativ hohe Konstruktionsaufwand für die Koppelung der Antriebsaggregate sowie die komplexe Steuerung des Antriebssystems. Durch die mehrfache Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt entstehen zudem Wirkungsgradverluste im Antriebsstrang. Weiterhin ist ein optionales Getriebe zum Schalten von Gängen dem Antriebsmechanismus im Kraftfluss nachgeschaltet, so dass die Getriebekomponenten auf die summierte Leistung des Verbrennungsmotors und der maximal gegebenenfalls zusätzlich über die elektrischen Maschinen in den Antriebsstrang eingespeisten Leistung ausgelegt sein müssen, wodurch sich der Herstellungs- und Kostenaufwand erhöht.
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Weiterhin ist aus der
EP 0 830 968 A1 ein Verfahren zur Durchführung von Betriebszustandsänderungen eines Verbrennungsmotors eines Hybridfahrzeuges bekannt. Bei einer Konfiguration als Parallelhybrid ist eine elektrische Maschine als Motor und Generator, bei einer Konfiguration als Serienhybrid sind eine erste elektrische Maschine als Generator und eine zweite elektrische Maschine als Motor angeordnet. Weiterhin ist ein elektrischer Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie, vorgesehen. Bei einem Übergang des Verbrennungsmotors von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand wird eine mit dem Antriebsstrang gekoppelte Hybrideinheit so eingesetzt, dass der Verbrennungsmotorbetrieb bestimmten vorgegebenen Betriebsparametern genügt. Insbesondere wird bei einer anstehenden Drehzahländerung der Energiespeicher je nach Ausgangslage gezielt geladen, weniger geladen, entladen oder weniger entladen, d. h. die Hybrideinheit nimmt Leistung auf oder gibt Leistung an den Antriebsstrang ab, so dass die gewünschte Drehzahländerung möglichst schnell erfolgt. Der Verbrennungsmotor wird bei dieser Drehzahländerung, unabhängig von der auf die Antriebsräder zu übertragenden Leistung, hinsichtlich mindestens eines Betriebsparameters, beispielsweise eines minimalen Kraftstoffverbrauchs, entlang günstiger Betriebspunkte in einem Kennfeld geführt. Mit einem entsprechenden Steuerungs- und Datenverarbeitungsaufwand für die Auswahl geeigneter Betriebspunkte können auch mehrere Betriebsparameter berücksichtigt werden.
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Das bekannte Verfahren zeigt zwar Möglichkeiten auf, den Betrieb des Verbrennungsmotors mit Hilfe von Hybridelementen bei angekündigten, definierten Betriebszustandsänderungen gezielt zu steuern. Dabei werden jedoch unvorhergesehene kurzfristige Betriebszustandsänderungen des Verbrennungsmotors, wie sie im landwirtschaftlichen Einsatz eines Traktors regelmäßig vorkommen, eher nicht berücksichtigt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem eines Nutzfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor und einer Hybrideinheit sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Antriebssystems vorzuschlagen, die kostengünstig sind, einen leistungsfähigen, wirtschaftlichen und umweltschonenden Betrieb des Nutzfahrzeuges, insbesondere bei einem Einsatz in einem für das Nutzfahrzeug typischen landwirtschaftlichen Anwendungsbereich, ermöglichen und dennoch einen hohen Fahrkomfort gewährleisten.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Ergänzung eines Antriebsstrangs einer landwirtschaftlichen Zugmaschine mit einer Hybrideinheit, welche in der Lage ist, bei einem kurzfristigen Leistungsüberangebot seitens des Verbrennungsmotors Energie zu speichern und ebenso kurzfristig bei einer abtriebsseitigen Überlastung des Motors Leistung aus dem Speicher an den Antriebsstrang abzugeben, ein dynamisch reagierender Leistungsspeicher zur Verfügung gestellt werden kann, der einsatztypische Schwankungen in der Leistungsabforderung ausgleicht und somit einen weitgehend konstanten Betrieb des Verbrennungsmotors in einem verbrauchs- und emissionsgünstigen Bereich bei wechselnden Lasten und gleichbleibender gewünschter Geschwindigkeit ermöglicht. Dabei kann durch eine getriebeabtriebsseitige bzw. getriebeausgangsseitige Einspeisung gegebenenfalls von der Hybrideinheit abgeforderter zusätzlicher Antriebsleistung ein konstruktiver Mehraufwand bei der Konzeptionierung eines Getriebes des Fahrzeuges vermieden werden.
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Demnach geht die Erfindung vorrichtungsbezogen aus von einem Antriebssystem eines Nutzfahrzeugs, beispielsweise einer landwirtschaftlichen Zugmaschine, mit einem Antriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor, ein automatisches Getriebe und eine Hybrideinheit umfasst. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass der Hybrideinheit wenigstens zwei Hybridantriebselemente und wenigstens ein Energiespeicher zugeordnet sind. Dabei ist ein erstes Hybridantriebselement, das zumindest als ein Generator betreibbar ist, über den der Energiespeicher ladbar, im Kraftfluss zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet. Ein zweites Hybridantriebselement, das zumindest als ein aus dem Energiespeicher speisbarer Motor betreibbar ist, über den dem Antriebsstrang eine Abtriebsleistung zuführbar ist, ist im Kraftfluss antriebslastrelevanten Getriebekomponenten antriebstechnisch nachgeordnet. Schließlich ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, über die der Verbrennungsmotor in Zusammenwirkung mit der Hybrideinheit weitgehend unabhängig von abrupt schwankenden Leistungsabforderungen am Antriebsstrang in vorab bestimmten Sollbetriebspunkten betreibbar ist.
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Weiterhin geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems eines Nutzfahrzeuges, beispielsweise einer landwirtschaftlichen Zugmaschine, mit einem Antriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor, ein automatisches Getriebe und eine Hybrideinheit umfasst. Die gestellte Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird dadurch gelöst, dass bei einem Einsatz des Nutzfahrzeuges mit abrupt schwankenden abtriebsseitigen Leistungsabforderungen am Antriebsstrang Leistungsüberschüsse des Verbrennungsmotors durch eine Leistungsaufnahme eines im Kraftfluss zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordneten erstes Hybridantriebselementes und/oder eines im Kraftfluss antriebslastrelevanten Getriebekomponenten nachgeschalteten zweiten Hybridantriebselementes kompensiert werden, und dass Leistungsüberlastungen des Verbrennungsmotors durch eine Leistungsabgabe des den antriebslastrelevanten Getriebekomponenten nachgeschalteten Hybridantriebselementes kompensiert werden, so dass der Verbrennungsmotor wenigstens annähernd konstant in einem vorab bestimmten jeweiligen Sollbetriebspunkt betrieben wird.
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Durch die Erfindung wird vorteilhaft ein Fahr- und Arbeitsbetrieb einer Zugmaschine im landwirtschaftlichen Einsatz ermöglicht, bei dem durch ein Hybridsystem Leistungsanforderungsspitzen abgedeckt und Leistungsanforderungseinbrüche geglättet werden, so dass der Verbrennungsmotor verbrauchs- und emissionsgünstig weitgehend bei gleichmäßiger Drehzahl und Auslastung betrieben werden kann. Dadurch ergibt sich ein komfortabler Fahrzeugbetrieb bei gleichförmigem Motorgeräusch und gleichförmiger Fahrgeschwindigkeit trotz Schwankungen in der Arbeitslast. Eine konstante Fahrzeugbewegung bzw. konstante Antriebsdrehzahl an einem eingesetzten Arbeitsgerät wirkt sich auch durch ein verbessertes Arbeitsergebnis aus. Insbesondere wird ein konstanter Betrieb des Verbrennungsmotors in Volllast-Betriebspunkten ohne einen Drehzahlabfall bei Lastspitzen ermöglicht.
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Das zur Abdeckung solcher Lastspitzen im Volllastbetrieb erforderliche zusätzliche Drehmoment wird nicht über das Getriebe geleitet sondern vielmehr durch ein den ein Drehmoment übertragenden Getriebebauteilen nachgeschaltetes Hybridantriebsaggregat in den Antriebsstrang eingeleitet.
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Dadurch werden belastungskritische Getriebeteile, je nach Getriebekonzept beispielsweise Variatoren in Stufenlosgetrieben oder Radsätze bzw. Planetensätze in Stufengetrieben sowie Gangkupplungen oder Schaltbremsen, durch das zusätzlich aufgeprägte Drehmoment des Elektromotors nicht belastet oder deren Verschleiß erhöht. Die Konzeption des Getriebes kann somit auf die maximale Übertragungsleistung des Verbrennungsmotors begrenzt sein, was sich Kosten sparend in der Herstellung sowie effizient im Betrieb auswirkt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das erste Hybridantriebselement als eine elektrische Maschine ausgebildet sein, die als Generator und Motor betreibbar ist, und die im Antriebsstrang zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet ist.
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Über diese elektrische Maschine kann ein elektrischer Energiespeicher geladen werden. Als Energiespeicher ist beispielsweise elf Hochleistungskondensator oder eine Anordnung mehrerer Kondensatoren geeignet, der schnell geladen und entladen werden kann, um abrupte Belastungsschwankungen, die von der Anwendung auf den Antriebsstrang wirken, annähernd simultan zu kompensieren. Die Motorfunktion dieser elektrischen Maschine ist vorteilhaft für Anwendungen, deren Leistung nicht über das Getriebe geleitet wird, nutzbar. Für die Erfindung ist diese Funktion aber nicht unbedingt erforderlich.
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Das zweite Hybridantriebselement kann vorteilhaft als eine elektrische Maschine ausgebildet sein, die als ein Motor betreibbar ist. Über diese Maschine kann ein zusätzliches Drehmoment in den Antriebsstrang eingeleitet werden. Diese zweite elektrische Maschine kann dem Getriebe antriebstechnisch nachgeordnet sein oder auch in das Getriebe integriert sein. Maßgebend für die Anordnung dieser zweiten elektrischen Maschine ist lediglich, dass für die Drehmomentübertragung im Getriebe relevante Komponenten nicht durch das zusätzliche Drehmoment dieser elektrischen Maschine belastet werden. Die zweite elektrische Maschine bezieht ihre Energie vorteilhaft aus demjenigen Energiespeicher, der von der ersten Maschine aufgeladen wird. Grundsätzlich kann diese zweite elektrische Maschine zusätzlich auch als Generator betreibbar sein, um den Energiespeicher bedarfsweise zu laden.
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Zur Durchführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zunächst ein einer Sollleistungsabforderung zugeordneter gemittelter Sollbetriebspunkt des Verbrennungsmotors bestimmt wird. Der jeweilige Sollbetriebspunkt des Verbrennungsmotors kann beispielsweise aus erfassten, unmittelbar zurückliegenden Motordaten und/oder mit Hilfe von Vorgaben des Fahrers berechnet werden. Der Sollbetriebspunkt wird dann durch eine entsprechende Kraftstoffeinspritzung eingestellt. Das Fahrzeug bewegt sich dabei mit einer durch den Fahrer vorgegebenen Geschwindigkeit unter der Last der jeweiligen Anwendung, beispielsweise beim Pflügen eines Ackers.
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Sobald eine Unterschreitung der Sollleistungsabforderung, d. h. eine fallende Last festgestellt wird, was in einem Drehzahlanstieg und in der Folge in einer Verringerung der Kraftstoffeinspritzmenge resultieren würde, wird der Energiespeicher durch die Generatorfunktion zumindest der eingangsseitigen ersten elektrischen Maschine aufgeladen. Der Energiespeicher lädt somit überschüssige Energie. Durch die Generatorlast wird der Verbrennungsmotor weiterhin in dem angestrebten Sollbetriebspunkt gehalten.
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Sobald eine Überschreitung der Sollleistungsabforderung, d. h. eine steigende Last oder Überlastung des Verbrennungsmotors festgestellt wird, was in einem Drehzahlabfall und in der Folge in einer Erhöhung der Kraftstoffeinspritzmenge resultieren würde, wird der Energiespeicher durch die Motorfunktion der ausgangsseitigen zweiten elektrischen Maschine entladen. Über die abtriebsseitige zweite elektrische Maschine wird bei einer drohenden Überlastung des Verbrennungsmotors bzw. zur Vermeidung einer solchen Überlastung ein zusätzliches Drehmoment in den Antriebsstrang eingeleitet. Der Energiespeicher gibt dafür eine erforderliche Energiemenge über die abtriebsseitige zweite elektrische Maschine an den Antriebsstrang ab. Durch diese Elektromotorfunktion wird der Verbrennungsmotor ebenfalls weiterhin in dem angestrebten Sollbetriebspunkt gehalten.
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Demnach reagiert das erfindungsgemäße Antriebssystem in einer landwirtschaftlichen Zugmaschine bei einer Lastanwendung mit einem Arbeitsgerät auf schwankende Leistungsabforderungen am Antriebsstrang aufgrund variierender Bodenverhältnisse oder anderer Einflüsse als ein dynamischer Leistungsspeicher mit einer entsprechenden Kompensation.
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Drehzahländerungen am Verbrennungsmotor durch schwankende Leistungsabforderungen am Antriebsstrang werden somit vermieden. Dies wird durch eine geeignete Steuerungseinrichtung geregelt, welche aus der unmittelbaren Historie des Motorbetriebes, aus gespeicherten Daten und Kennfeldern und/oder aus Eingabedaten des Fahrers einen günstigen Betriebspunkt des Verbrennungsmotorbetriebes bestimmt und durch jeweiliges Ansteuern der Hybrideinheit den Verbrennungsmotor unter Last weitgehend konstant in diesem Betriebspunkt hält. Folglich läuft der Verbrennungsmotor während des Arbeitseinsatzes der Zugmaschine mit dem Arbeitsgerät zumindest überwiegend verbrauchs- und abgasoptimiert. Die Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme am Antriebsstrang durch die Hybrideinheit sorgt dabei gleichzeitig für eine gleich bleibende Fahrgeschwindigkeit und damit für einen hohen Fahrkomfort. Zudem verringern sich dadurch auch die Anforderungen an die Schalt- und Verstellgeschwindigkeit des Getriebes, was sich zusätzlich kostengünstig und verschleißmindernd auswirkt.
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Schließlich sei erwähnt, dass zur Realisierung der erfindungsgemäßen Hybrideinheit grundsätzlich alle Antriebs-, Speicher- und/oder Steuerungsmittel, die für eine schnelle Leistungsbereitstellung, Energiespeicherung und Regelung geeignet sind, verwendet werden können.
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Außerdem kann der Generatorbetrieb zur Energiespeicherung grundsätzlich auch bei anderen Betriebsbedingungen eines Nutzfahrzeuges genutzt werden, bei denen eine Leistungsrückgewinnung aus dem Antriebsstrang sinnvoll ist. Beispielsweise sei ein Schub-, Brems- und Retarderbetrieb genannt. Umgekehrt ist es auch möglich, die gespeicherte Energie, d. h. die Elektromotorfunktion, als Leistungsreserve, beispielsweise bei Beschleunigungsvorgängen oder im Rangierbetrieb, zu nutzen.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
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1 ein Schema eines Antriebsstranges einer landwirtschaftlichen Zugmaschine mit einer Hybrideinheit in einer ersten Ausführungsform,
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2 ein Schema eines Antriebsstranges einer landwirtschaftlichen Zugmaschine mit einer Hybrideinheit in einer zweiten Ausführungsform, und
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3 ein Ablaufplan zur Steuerung eines Antriebsstranges einer Zugmaschine mit einer Hybrideinheit im landwirtschaftlichen Einsatz.
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Demnach weist ein in 1 schematisch dargestellter Antriebsstrang 1 eines beispielsweise als Traktor ausgebildeten Nutzfahrzeuges im Wesentlichen einen Verbrennungsmotor 2, ein beispielsweise als Stufenlosgetriebe ausgebildetes automatisches Getriebe 3 und eine Hybrideinheit 5 auf. Die angetriebenen Achsen, beispielsweise eine in 1 angedeutete Hinterachse 4 mit einem Differenzialgetriebe, sind auf an sich bekannte Weise mit einem über das Getriebe 3 übersetzten Antriebsmoment antreibbar. Zur Erzeugung eines jeweils abgeforderten Antriebsmomentes ist primär der Verbrennungsmotor 2 vorgesehen.
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Die Hybrideinheit 5 umfasst ein als elektrische Maschine ausgebildetes erstes Hybridantriebselement 6, ein als elektrische Maschine ausgebildetes zweites Hybridantriebselement 10 sowie einen elektrischen Energiespeicher 7.
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Die erste elektrische Maschine 6 ist im Kraftfluss zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Getriebe 3 angeordnet und wahlweise als ein Generator zur Stromerzeugung und als ein Motor betreibbar. Die zweite elektrische Maschine 10 ist abtriebsseitig hinter dem Getriebe 3 angeordnet und insbesondere im Kraftfluss antriebsrelevanten Getriebekomponenten 11 antriebstechnisch nachgeordnet. Diese zweite elektrische Maschine 10 ist als ein Motor zur Erzeugung eines Drehmomentes betreibbar.
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Der Energiespeicher 7 ist vorteilhaft als ein Hochleistungskondensator mit kurzen Lade- und Entladezeiten ausgebildet. Er ist über die erste elektrische Maschine 6 aufladbar und über die zweite elektrische Maschine 10 entladbar. Eine Entladung des Energiespeichers 7 kann auch über die erste elektrische Maschine 6 für hier nicht weitere erläuterte nicht erfindungsrelevante Anwendungen erfolgen, die das Getriebe 3 nicht belasten oder zur Einspeisung eines Drehmomentes in den Antriebsstrang über die erste elektrische Maschine 6 genutzt werden, wenn der Verbrennungsmotor 2 weit unterhalb seiner maximalen Leistung betrieben wird, so dass das Getriebe 3 nicht überbeansprucht wird. Die bevorzugten Lade- und Entladerichtungen sind in 1 durch Pfeile angedeutet. Grundsätzlich kann auch eine nicht gezeigte Lademöglichkeit des Energiespeichers 7 durch die zweite elektrische Maschine 10, 10', die dann als Generator betrieben wird, vorgesehen sein.
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Weiterhin ist eine Steuerungseinrichtung 8 vorgesehen, über die relevante Antriebsdaten erfasst, Verbrennungsmotorbetriebspunkte berechnet und vorgibt, um den Verbrennungsmotor 2 und die Hybrideinheit 5 entsprechend ansteuern zu können. Die Steuerungseinrichtung 8 kommuniziert zudem vorteilhaft mit einer Getriebesteuerung 9, über die eine jeweils gewünschte bzw. berechnete Antriebsübersetzung einstellbar ist.
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Die 2 zeigt einen ähnlichen Antriebsstrang 1' mit einer Hybrideinheit 5', bei der ein als elektrische Maschine ausgebildetes zweites Hybridantriebselement 10' in ein Getriebe 3' integriert ist. Die als Elektromotor ansteuerbare elektrische Maschine 10' ist auch bei diesem, integrierten Getriebekonzept im Kraftfluss den antriebsrelevanten Getriebekomponenten 11 antriebstechnisch nachgeordnet. Ansonsten entspricht der Antriebsstrang 1' dem der 1.
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Ein Verfahren zur Steuerung des Antriebsstranges 1, 1' des Traktors im landwirtschaftlichen Einsatz mit einem Arbeitsgerät zur Bodenbearbeitung wird im Folgenden anhand des in 3 dargestellten Flussdiagramms mit Funktionsblöcken F1 bis F9 erläutert.
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Zunächst werden im Block F1 aktuelle Antriebsdaten, insbesondere die Motordrehzahl und das Drehmoment des Verbrennungsmotors 2, gesammelt. Daraus wird im Block F2 ein gemittelter, für den Einsatz optimaler Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 2 berechnet. Diesem Sollbetriebspunkt, im Folgenden auch Sollleistungspunkt genannt, entspricht eine bestimmte Sollleistungsabforderung am Antriebsstrang 1, 1'. Der Verbrennungsmotor 2 wird, entsprechend einer durch den Fahrer mittels seines Fahrpedals vorgewählten Fahrgeschwindigkeit, auf den Sollleistungspunkt eingestellt bzw. eine Kraftstoffeinspritzung entsprechend geregelt.
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Im folgenden Block F3 wird zunächst eine Unterschreitung der Sollleistungsabforderung geprüft. Ist dies der Fall, beispielsweise bei lokal aufgelockertem Boden, wird die Hybrideinheit 5, 5' gemäß Block F4 als Generator aktiviert, d. h. die antriebsseitige Elektromaschine 6 lädt den Energiespeicher 7 gemäß Block F5. Durch den Generatorbetrieb wird die Last am Antriebsstrang 1, 1' angehoben, so dass der Verbrennungsmotor 2 weiterhin möglichst nahe am oder im Sollleistungspunkt läuft.
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Wird keine Unterschreitung der Sollleistungsabforderung festgestellt, überprüft die Steuerungseinrichtung 8 im nächsten Schritt F6 auf eine Überschreitung der Sollleistungsabforderung. Ist dies der Fall, beispielsweise bei lokal verfestigtem Boden, wird die Hybrideinheit 5, 5' im Block F7 als Motor aktiviert, d. h. der Energiespeicher 7 entlädt sich gemäß Block F8 durch den Antrieb der abtriebsseitigen Elektromaschine 10, 10'.
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Durch die Elektromaschine 10, 10' wird der Verbrennungsmotor 2 unterstützt und somit die Lastspitze am Antriebsstrang 1, 1' direkt abgedeckt. Dies geschieht durch ein zusätzliches Antriebsmoment, welches als Abtriebsleistung nach dem Getriebe 3, 3' in den Antriebsstrang 1, 1' eingeleitet wird und sich zum Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 addiert.
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Selbst bei Volllast läuft der Verbrennungsmotor 2 weiterhin ohne Drehzahlabfall und ohne zusätzliche Getriebebelastung in dem vorgegebenen Sollleistungspunkt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit bleibt während der Regelung bei unveränderter Stellung des Fahrpedals annähernd konstant.
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Wird weder eine Unterschreitung noch eine Überschreitung der Sollleistungsabforderung, wobei ein bestimmtes Toleranzfenster zugelassen sein kann, festgestellt, läuft der Verbrennungsmotor 2 gemäß Funktionsblock F9 ohne Eingreifen der Hybrideinheit 5 im aktuell gültigen Sollleistungspunkt, d. h. im Durchtrieb durch die Hybrideinheit 5, 5'.
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Ändern sich die Eingangsparameter, beispielsweise bei einer veränderten Einstellung am Arbeitsgerät oder einer gewünschten Änderung der Fahrgeschwindigkeit, erfolgt eine erneute Regelung zur Anpassung auf einen dann ermittelten, neuen gültigen optimalen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 2. Der beschriebene Steuerungsablauf kann somit ereignisorientiert, d. h. bei jeder relevanten Parameteränderung aber auch nach bestimmten Vorgaben zyklisch oder kontinuierlich durchlaufen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Antriebsstrang
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3, 3'
- Getriebe
- 4
- Antriebsachse
- 5, 5'
- Hybrideinheit
- 6
- Hybridantriebselement, Elektromaschine
- 7
- Energiespeicher, Kondensator
- 8
- Steuerungseinrichtung
- 9
- Getriebesteuerung
- 10, 10'
- Hybridantriebselement, Elektromaschine
- 11
- Getriebekomponenten
- F1–F9
- Funktionsblöcke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60133609 T2 [0007]
- EP 0830968 A1 [0009]
