DE102011005356A1

DE102011005356A1 - Serieller Hydraulikhybridantriebsstrang

Info

Publication number: DE102011005356A1
Application number: DE102011005356A
Authority: DE
Inventors: Alexander Mark; Richard Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13
Also published as: WO2012119801A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen seriellen Hydraulikhybridantriebsstrang mit einer ersten (4) und einer zweiten (5) Antriebseinrichtung, die mindestens zwei hydraulische Verdrängermaschinen (11, 12) umfasst, und mit mindestens einem Druckspeicher (20). Um den Betrieb eines seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs zu optimieren, ist dem Druckspeicher (20) eine Entkopplungsventileinrichtung (30) vorgeschaltet, mit welcher der Druckspeicher (20) hydraulisch von den hydraulischen Verdrängermaschinen (11, 12) abgekoppelt werden kann.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen seriellen Hydraulikhybridantriebsstrang mit einer ersten und einer zweiten Antriebseinrichtung, die mindestens zwei hydraulische Verdrängermaschinen umfasst, und mit mindestens einem Druckspeicher. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Hybridantriebsstrangs. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Entkopplungsventileinrichtung für einen derartigen Hydraulikhybridantriebsstrang.
In einem seriellen Hydraulikhybridantriebsstrang ist mindestens eine hydraulische Verdrängermaschine zum Beispiel mit einem Verbrennungsmotor in Reihe geschaltet. Die hydraulische Verdrängermaschine kann als Hydraulikpumpe und als Hydraulikmotor betrieben werden.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu optimieren.
Die Aufgabe ist bei einem seriellen Hydraulikhybridantriebsstrang mit einer ersten und einer zweiten Antriebseinrichtung, die mindestens zwei hydraulische Verdrängermaschinen umfasst, und mit mindestens einem Druckspeicher, dadurch gelöst, dass dem Druckspeicher eine Entkopplungsventileinrichtung vorgeschaltet ist, mit welcher der Druckspeicher hydraulisch von den hydraulischen Verdrängermaschinen abgekoppelt werden kann. Bei der ersten Antriebseinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Brennkraftmaschine, die auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird. Die hydraulischen Verdrängermaschinen sind zum Beispiel als Axialkolbenmaschinen ausgeführt. Bei dem Druckspeicher handelt es sich zum Beispiel um einen hydropneumatischen Speicher. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Entkopplungsventileinrichtung zwischen den hydraulischen Verdrängermaschinen einer Primär- und einer Sekundärseite und dem Druckspeicher kann das Sprungantwortverhalten des Hydraulikhybridantriebsstrangs auf dynamische Lastanforderungen signifikant verbessert werden. Als Primärseite oder Antriebsseite wird vorzugsweise die Seite mit der ersten Antriebseinrichtung, insbesondere der Brennkraftmaschine, bezeichnet. Als Sekundärseite oder Abtriebsseite wird vorzugsweise die Seite mit anzutreibenden Rädern des Kraftfahrzeugs bezeichnet. Daher wird die Sekundärseite auch als Radseite bezeichnet. Über die Entkopplungsventileinrichtung kann auf einfache Art und Weise zwischen unterschiedlichen Betriebsarten umgeschaltet werden. In dem erfindungsgemäßen Hydraulikhybridantriebsstrang können auch mehrere Druckspeicher vorgesehen beziehungsweise verschaltet sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Verdrängermaschinen einer Primär- und einer Sekundärseite hydraulisch miteinander verbunden sind. Über die hydraulische Verbindung können die hydraulischen Verdrängermaschinen der Primär- und Sekundärseite bei entkoppeltem Druckspeicher auf einfache Art und Weise direkt miteinander verbunden werden. Dadurch wird es möglich, innerhalb kürzester Zeit einen Systemdruck aufzubauen, der größer als der Speicherdruck ist. Dadurch kann hochdynamisch eine hohe Zugkraftanforderung im Antriebsstrang erfüllt werden, ohne dass der Speicherdruck angehoben werden muss.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsventileinrichtung als 2/2-Wegeventil mit einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung ausgeführt ist. In der Öffnungsstellung sind die hydraulischen Verdrängermaschinen hydraulisch mit dem Druckspeicher verbunden. In der Schließstellung sind die hydraulischen Verdrängermaschinen von dem Druckspeicher entkoppelt. Das 2/2-Wegeventil ist vorzugsweise elektromagnetisch gegen die Vorspannkraft einer Ventilfeder betätigbar. Aus Kostengründen kann das 2/2-Wegeventil vorteilhaft als Schaltventil ausgeführt sein. Das 2/2-Wegeventil kann auch hydraulisch vorgesteuert sein. Dies kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden, zum Beispiel durch ein weiteres 3/2-Magnetventil, zwei 2/2-Magnetventile mit unterschiedlicher Grundstellung oder ein Druckreduzierventil. Hydraulische Vorsteuerungen bieten den Vorteil, dass mit kleinen Magnetventilen in der Vorsteuerung große Volumenströme in der Hauptstufe hochdynamisch geschaltet werden können.
Alle nachfolgend genannten Ventilkonzepte können immer sowohl als direktbetätigte Ventile als auch als hydraulisch vorgesteuerte Ventile aufgebaut werden. Dies gilt auch für Proportionalventile, die ebenfalls mehrstufig aufgebaut sein können.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsventileinrichtung so ausgeführt ist, dass die Schließstellung die Ventilgrundstellung ist. Dadurch wird auch bei einem Ausfall der elektromagnetischen Betätigung des 2/2-Wegeventils ein unerwünschtes Entladen des Druckspeichers sicher verhindert. Die Entkopplungsventileinrichtung kann zum Beispiel hydraulisch oder durch eine Federeinrichtung mechanisch vorgespannt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsventileinrichtung als Proportionalventil ausgeführt ist. Das Proportionalventil wird auch als Stetigventil bezeichnet und ermöglicht eine stetige, modulierbare Änderung des Öffnungsquerschnitts. Im Gegensatz dazu ändert sich der Öffnungsquerschnitt bei einem Schaltventil sprunghaft.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsventileinrichtung mindestens zwei 2/2-Wegeventile umfasst, die parallel geschaltet sind. Durch die Parallelschaltung kann die Feinfühligkeit beim Umschalten verbessert werden. Darüber hinaus kann auf ein für den vollen Volumenstrom ausgelegtes Stetigventil verzichtet werden. Dadurch können die Herstellkosten ohne wesentliche Funktionseinbußen reduziert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass eines der 2/2-Wegeventile als Proportionalventil und mindestens ein anderes der 2/2-Wegeventile als Schaltventil ausgeführt sind. Die 2/2-Wegeventile haben jeweils eine Öffnungs- und eine Schließstellung. Vorzugsweise sind die 2/2-Wegeventile in ihre Schließstellung vorgespannt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängermaschinen als Axialkolbenmaschinen mit einem verstellbaren Schluckvolumen ausgeführt sind. Als Schluckvolumen oder Verdrängervolumen wird das Volumen bezeichnet, das durch eine Verdrängermaschine bei einer Wellenumdrehung aufgenommen oder abgegeben wird.
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen seriellen Hybridantriebsstrangs ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass durch Ansteuern der Entkopplungsventileinrichtung grundsätzlich verschiedene Betriebsarten des Hydraulikhybridantriebsstrangs dargestellt werden. Bei geöffneter Entkopplungsventileinrichtung kann in dem Druckspeicher hydraulische Energie gespeichert werden, oder von dem Druckspeicher hydraulische Energie abgegeben werden. Bei geschlossener Entkopplungsventileinrichtung kann in Kombination mit der direkten Kopplung der primärseitigen und sekundärseitigen Verdrängermaschinen unter Umgehung des Druckspeichers innerhalb kürzester Zeit ein Systemdruck aufgebaut werden, der oberhalb des Speicherdrucks liegt. Somit kann hochdynamisch eine hohe Zugkraftanforderung im Antriebsstrang erfüllt werden, ohne dass eine Überdimensionierung der Antriebskomponente auf einer Sekundärseite oder einer Anhebung des Speicherdrucks notwendig wäre.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Entkopplungsventileinrichtung für einen vorab beschriebenen seriellen Hydraulikhybridantriebsstrang, der insbesondere gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren betrieben wird beziehungsweise betrieben werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Hydraulikhybridantriebsstrangs in Form eines Hydraulikschaltplans mit einer als Schaltventil ausgeführten Entkopplungsventileinrichtung;
2 einen ähnlichen Hydraulikhybridantriebsstrang wie in 1 mit einer als Proportionalventil ausgeführten Entkopplungsventileinrichtung und
3 einen ähnlichen Hydraulikhybridantriebsstrang wie in den 1 und 2 mit einer Entkopplungsventileinrichtung, in welcher zwei 2/2-Wegeventile parallel geschaltet sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den 1 bis 3 ist ein Hydraulikhybridantriebsstrang 1 gemäß drei verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt. In dem Hydraulikhybridantriebsstrang 1 ist eine erste Antriebseinrichtung 4 mit einer zweiten Antriebseinrichtung 5 in Reihe geschaltet. Die erste Antriebseinrichtung 4 umfasst eine Brennkraftmaschine 8, die auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird. Die zweite Antriebseinrichtung 5 umfasst zwei hydraulische Verdrängermaschinen 11, 12, die als Axialkolbenmaschinen mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite ausgeführt sind.
Die Eingangsseiten der Verdrängermaschinen 11, 12 sind an ein Hydraulikmediumreservoir angeschlossen. Das Reservoir kann auch ein vorgespanntes System mit Niederdruckspeicher sein. Die Ausgangsseiten der Verdrängermaschinen 11, 12 sind über eine Verbindungsleitung 15 direkt hydraulisch miteinander verbunden. In der Verbindungsleitung 15 ist eine Verzweigung 18 vorgesehen, an der eine Anschlussleitung 19 von der Verbindungsleitung 15 zu einem Druckspeicher 20 abzweigt. Der Druckspeicher 20 ist als hydropneumatischer Druckspeicher ausgeführt.
Die Verdrängermaschine 11 ist über eine Kupplungs- und/oder Getriebeeinrichtung 21 antriebsmäßig mit der Brennkraftmaschine 8 verbindbar. Daher wird die Verdrängermaschine 11 auch als primärseitige Verdrängermaschine bezeichnet. Die Verdrängermaschine 11 kann auch aus einer Kaskade mehrerer Verdrängermaschinen bestehen. Die Verdrängermaschine 12 ist über eine Kupplungs- und/oder Getriebeeinrichtung 22 antriebsmäßig über ein mechanisches Differential 24 mit einer Fahrzeugachse 26 verbindbar. Die Verdrängermaschine 12 kann auch aus einer Kaskade mehrerer Verdrängermaschinen bestehen. An den Enden der Fahrzeugachse 26 sind zwei Fahrzeugräder 27, 28 angedeutet.
Das von den hydraulischen Verdrängermaschinen 11, 12 darstellbare Drehmoment skaliert mit der Druckdifferenz, die an den Verdrängermaschinen anliegt. Die Druckdifferenz wiederum hängt vom Ladezustand des Druckspeichers 20 ab. Hydraulikhybridantriebsstränge von Kraftfahrzeugen unterliegen vor allem im urbanen Betrieb sehr dynamischen und häufig wechselnden Momentenanforderungen.
Die Fahrbarkeit und Performance eines Hydraulikhybridfahrzeugs wird sehr stark von der Fähigkeit des Antriebsstrangs geprägt, Lastsprüngen zufolgen. Aber auch andere Anforderungen, wie zum Beispiel Randsteinklettern, Anfahren am Berg, Anfahren mit Anhänger, müssen von einem Hydraulikhybridantriebsstrang abgedeckt werden.
Für die Auslegung eines Hydraulikhybridantriebsstrangs mit Druckspeicher, wie er in hydraulischen Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommt, ergibt sich die Problematik, dass hohe Zugkraftanforderungen, also hohe Drehmomente auf der Sekundärseite oder Radseite, ohne großen Zeitverzug darstellbar sein müssen. Das führt entweder dazu, dass in einem unteren Geschwindigkeitsbereich die Ladestrategie des Druckspeichers über die Fahrzeugsteuerung auf einem relativ hohen Druck gehalten werden muss, oder die sekundärseitigen Komponenten so groß dimensioniert werden müssen, dass auch bei geringem Druck hohe Zugkraftanforderungen dargestellt werden können.
In beiden Fällen gibt es negative Auswirkungen auf den Antriebsstrangwirkungsgrad. Bei hohem Drucksollwert wird der nutzbare Energieinhalt des Druckspeichers extrem beschnitten, wodurch das Rekuperationsvermögen stark eingeschränkt wird. Außerdem sorgt das Vorhalten des hohen Drucks bei niedrigen Lastanforderungen für eine Betriebspunktverschiebung der Verdrängermaschine in Richtung niedrige Teillast, mit niedrigem Wirkungsgrad.
Bei einer Überdimensionierung der Verdrängermaschine, um bei niedrigem Druck die hohen Momente abbilden zu können, ergibt sich eine ähnliche Betriebspunktverschiebung hin zu schlechten Wirkungsgraden bei allen Drücken oberhalb Auslegungsdruck. Erschwerend kommt hinzu, dass eine größere Komponente mehr Bauraum benötigt, also schwerer integrierbar ist, und auch eine höhere Masse aufweist, die sich ebenfalls nachteilig auf die Gesamtenergiebilanz auswirkt.
Die vorliegende Erfindung sieht nun eine Entkopplungsventileinrichtung 30; 40; 50 in der Anschlussleitung 19 vor. Mit Hilfe der Entkopplungsventileinrichtung 30; 40; 50 kann der Druckspeicher 20 vom restlichen System abgekoppelt werden. Dadurch ist es möglich, die primärseitige Verdrängermaschine 11 direkt mit der sekundärseitigen Verdrängermaschine 12 hydraulisch zu verbinden. Das hat zur Folge, dass innerhalb kürzester Zeit in der Verbindungsleitung 15 ein Systemdruck aufgebaut werden kann, der oberhalb des Speicherdrucks liegt.
Die in 1 dargestellte Entkopplungsventileinrichtung 30 ist als 2/2-Wegeventil 34 mit einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung ausgeführt. Durch eine Feder ist das 2/2-Wegeventil 34 in seine dargestellte Schließstellung vorgespannt. Durch elektromagnetische Betätigung kann das Ventil 34 in seine Öffnungsstellung umgeschaltet werden. In der Schließstellung ist die Verbindung zwischen der Verzweigung 18 und dem Druckspeicher 20 unterbrochen. In der Öffnungsstellung des Ventils 34 ist die Verbindungsleitung 15 über die Verzweigung 18 mit dem Druckspeicher 20 verbunden.
Die in 2 dargestellte Entkopplungsventileinrichtung 40 ist als 2/2-Wege-Proportionalventil ausgeführt. Ein derartiges Proportionalventil wird auch als Stetigventil bezeichnet und ermöglicht eine stetige Verstellung zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung. Das Stetigventil 44 ermöglicht es, die Abkopplung und Zuschaltung des Druckspeichers 20 zu verschleifen.
Die in 3 dargestellte Entkopplungsventileinrichtung 50 umfasst ein als Schaltventil ausgeführtes 2/2-Wegeventil 51 und ein als Proportionalventil ausgeführtes 2/2-Wegeventil 52. Das Ventil 51 entspricht dem Ventil 34 in 1. Das Ventil 52 entspricht dem Ventil 44 in 2. In 3 sind die beiden Ventile 51, 52 parallel zueinander in die Anschlussleitung 19 geschaltet. Durch die Parallelschaltung der beiden Ventile 51, 52 wird die Feinfühligkeit beim Ansteuern der Entkopplungsventileinrichtung 50 verbessert.

Claims

Serieller Hydraulikhybridantriebsstrang mit einer ersten (4) und einer zweiten (5) Antriebseinrichtung, die mindestens zwei hydraulische Verdrängermaschinen (11, 12) umfasst, und mit mindestens einem Druckspeicher (20), dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckspeicher (20) eine Entkopplungsventileinrichtung (30; 40; 50) vorgeschaltet ist, mit welcher der Druckspeicher (20) hydraulisch von den hydraulischen Verdrängermaschinen (11, 12) abgekoppelt werden kann.
Serieller Hydraulikhybridantriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Verdrängermaschinen (11, 12) einer Primär- und einer Sekundärseite hydraulisch miteinander verbunden sind.
Serieller Hydraulikhybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsventileinrichtung (30; 40) als 2/2-Wegeventil (34; 44) mit einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung ausgeführt ist.
Serieller Hydraulikhybridantriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsventileinrichtung (30; 40) so ausgeführt ist, dass die Schließstellung die Ventilgrundstellung ist.
Serieller Hydraulikhybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsventileinrichtung (40) als Proportionalventil ausgeführt ist.
Serieller Hydraulikhybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsventileinrichtung (50) mindestens zwei 2/2-Wegeventile (51, 52) umfasst, die parallel geschaltet sind.
Serieller Hydraulikhybridantriebsstrang nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eines (51) der 2/2-Wegeventile als Proportionaltventil und mindestens ein anderes (52) der 2/2-Wegeventile als Schaltventil ausgeführt sind.
Serieller Hydraulikhybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängermaschinen (11, 12) als Axialkolbenmaschinen mit einem verstellbaren Schluckvolumen ausgeführt sind.
Verfahren zum Betreiben eines seriellen Hydraulikhybridantriebsstrangs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ansteuern der Entkopplungsventileinrichtung (30; 40; 50) grundsätzlich verschiedene Betriebsarten des Hydraulikhybridantriebsstrangs (1) dargestellt werden.
Entkopplungsventileinrichtung für einen seriellen Hydraulikhybridantriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der insbesondere gemäß einem Verfahren nach Anspruch 9 betrieben wird beziehungsweise betrieben werden kann.