DE102013223409A1 - Elektro-mechanischer Hybridantrieb und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektro-mechanischer Hybridantrieb (1), bei dem erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass
das Gehäuse (400) modular aufgebaut ist mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Gehäusemodul (401, 402), insbesondere wobei ein erstes und ein zweites Gehäusemodul bzw. Gehäuse-Segment (401.i, 402.i) über eine Stirnseite zur Bildung des Gehäuses in Achsrichtung der Welle aneinander geflanscht sind, wobei eines des ersten oder zweiten Gehäusemoduls ein Elektromaschinen-Gehäusemodul ist, das eine Elektromaschine aufweist und einen Stromrichter (50, 60) einer Stromrichteranordnung trägt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektro-mechanischen Hybridantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit einer Antriebsachse und dem Hybridantrieb, insbesondere ein Nutzfahrzeug zum Personen und/oder Gütertransport, insbesondere ein Landkraftfahrzeug, Wasserfahrzeug, Bahnfahrzeug oder dergleichen Fahrzeug, mit einem elektro-mechanischen Hybridantrieb. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines elektro-mechanischen Hybridantriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
  • Ein elektro-mechanischer Hybridantrieb basierend auf einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschinen-Anordnung mit einem zugeordneten Energiespeicher sind weithin bekannt. Die Entwicklung von derartigen Anlagen zur vergleichsweisen Minimierung des Energieverbrauchs und damit auch zur Senkung des Schadstoffausstoßes von Verbrennungsmotoren ist hochaktuell. Problematisch sind jedoch nach wie vor die physikalisch konstruktiven Voraussetzungen, um optimierte betriebliche und/oder anwendungsspezifische Funktionalitäten darstellen zu können. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf besondere Anwendungen wie bei einem Nutzfahrzeug und/oder besondere betriebliche Bedingungen desselben, die sich aus Lastanforderungsschemata und Betriebssituationen desselben ergeben können. Die Besonderheit bei einem Nutzfahrzeug der eingangs genannten Art kann oftmals darin liegen, dass ein Antrieb desselben zur Bedienung wenigstens einer Funktionalität in vergleichsweise kurzer Zeit auf eine möglichst hohe Leistung zu bringen ist, z.B. zum Beschleunigen des Nutzfahrzeugs, dann das Nutzfahrzeug bei vergleichsweise geringer Antriebskraft über einen Großteil einer zurückzulegenden Strecke oder eines Zeitraums in einem bestehenden, nur begrenzt transienten Betriebszustand verharren kann, der erst wieder an bestimmten Betriebspunkten, dann aber mit möglichst hoher Bremsleistung abzubremsen ist. Dies gilt beispielsweise für einen Triebwagen der Bahn, einen Mehrpersonenbus oder einen Hebekran oder ein Wasserfahrzeug im Manövrierzustand.
  • Die bei Bremsvorgängen allgemeiner Art anfallenden Energiemengen für eine Rückspeicherung bzw. Rekuperation bzw. die bei Beschleunigung allgemeiner Art angeforderten Energiemengen können das bislang zur Verfügung stehende Potential von Energiespeichern bzw. deren Aufnahme- und Entleerrate übersteigen. Gleichwohl soll die Anbindung einer Brennkraftmaschine an einen Hybrid-Antriebsstrang möglichst vereinfacht erfolgen. Es bedarf somit besonderer Auslegungsmaßnahmen, um einerseits die Kopplung von Hybrid-Antriebsstrang und Brennkraftmaschine mechanisch und steuertechnologisch abzustimmen und zum anderen das durch den Fahrbetrieb zur Verfügung gestellte Energiepotential beim Abbremsen und Beschleunigen möglichst optimal auszunutzen, d.h. möglichst ohne überschüssige Energie zu vernichten bzw. ohne durch die Grenzen eines schnell verfügbaren Energiepotentials eines Energiespeichers im Hybridantrieb begrenzt zu sein.
  • Ein im Konzept beschriebener elektro-mechanischer Hybridantrieb der eingangs genannten Art ist in DE 10 2007 033 575 A1 offenbart, der die Vorteile eines elektro-mechanischen Hybrid-Energiespeicher mit einer Schwungmasse, jedoch weitgehend nur unter diesem Aspekt eines Lade- Entlade-Betriebs, nutzt. Dieser Hybridantrieb sieht einen Antriebstrang mit einem Verbrennungsmotor, mit einem Getriebe, mit einer Elektromaschine und mit einem elektrischen Energiespeicher vor, wobei die Elektromaschine mit einem ersten und zweiten Motor/Generator und der elektrische Energiespeicher mit einem elektrischen Energiespeicher und einem Schwungmassenspeicher ausgebildet ist, welcher der zweiten Elektromaschine zugeordnet ist. Über einen Seriell-Hybridbetrieb, bei dem der Schwungmassenspeicher durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die zugeordnete zweite Elektromaschine kann elektrische Energie zum Antrieb des Hybridfahrzeugs liefern, sodass ein leistungsgeregelter Betrieb des Verbrennungsmotors am Verbrauchsoptimum möglich wird. Dies ermöglicht ein elektrisches, stufenloses Getriebe bei dem die Elektromaschine zum Antrieb des Hybridfahrzeugs das Moment in Abhängigkeit von der Drehzahl variiert und das zugeordnete Getriebe schaltet dann Wirkungsgrad-optimal. Ein solcher konzeptioneller Entwurf ist noch verbesserbar, insbesondere hinsichtlich der dort beschriebenen Einheiten-Integration beim Antriebsstrang.
  • Während rein dieselelektrische Antriebe den Komfort der monotonen Beschleunigung/Verzögerung haben und sehr wartungsarm sind, haben mechanische Getriebe die Problematik des Anfahrens (Wandler oder Kupplungsschleifen) und Abstimmung der Schaltstufen und ggf. Ruckeln beim Beschleunigen durch die Momentenfreischaltung während des Schaltvorgangs. Der erzielbare Wirkungsgrad bei mechanischen Getrieben ist aber im Allgemeinen höher als bei dieselelektrischen Anlagen.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Vorrichtung, insbesondere einen Hybridantrieb und ein Fahrzeug, und ein Verfahren, insbesondere ein Betriebsverfahren für einen Hybridantrieb, anzugeben, dass mittels einem im Hinblick auf den Stand der Technik verbesserten Konzept eines elektro-mechanischen Hybridantriebs realisiert ist. Insbesondere soll die Integration von funktionalen Einheiten des Hybridantriebs verbessert werden. Insbesondere soll die mechanische und/oder elektrische Ausbildung des Hybridantriebs bei Integration der funktionalen Einheiten verbessert werden. Jedenfalls aber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Alternative zum Stand der Technik anzugeben, insbesondere hinsichtlich wenigstens eines Aspekts des Standes der Technik.
  • Die Aufgabe wird mit der Erfindung durch einen elektro-mechanischen Hybridantrieb des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung geht aus von einem elektro-mechanischen Hybridantrieb, insbesondere für ein Nutzfahrzeug zum Personen und/oder Gütertransport, vorzugsweise ein Landkraftfahrzeug, Wasserfahrzeug, Bahnfahrzeug oder dergleichen Fahrzeug, mit einem Hybrid-Antriebsstrang, aufweisend:
    • – eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit einem Dieselmotor, zur Ankupplung an eine Welle und, mit einem stufenlos betreibbaren Hybrid-Antriebsstrang mit der Welle, aufweisend,
    • – eine Elektromaschinen-Anordnung zur Ankupplung an die Welle, die als Generator/Elektromotor ausgebildet ist und zum Laden eines Energiespeichers und zum Entladen des Energiespeichers nutzbar ist,
    • – eine Getriebeanordnung, wobei die Brennkraftmaschine und/oder der Elektromotor zur Bereitstellung von Antriebsleistung für das Fahrzeug und/oder den Energiespeicher ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuse modular aufgebaut ist mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Gehäusemodul, wobei eines des ersten oder zweiten Gehäusemoduls ein Elektromaschinen-Gehäusemodul ist, das eine Elektromaschine aufweist und einen Stromrichter einer Stromrichteranordnung trägt.
  • Die Erfindung führt auch auf ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug zum Personen und/oder Gütertransport, wie ein Landkraftfahrzeug, Wasserfahrzeug, Bahnfahrzeug oder dergleichen Fahrzeug, mit einem elektro-mechanischen Hybridantrieb gemäß dem Konzept der Erfindung und mit wenigstens einer Antriebsachse, insbesondere wobei eine Abtriebswelle zwischen Hybridantrieb und der Antriebsachse getriebelos ist.
  • Das Konzept der Erfindung baut auf die Möglichkeit eines stufenlos betreibbaren Hybrid-Antriebsstrangs. Mit einem vorzugsweise stufenlos betreibbaren Hybrid-Antriebsstrang sind Probleme beim Getriebeschalten wie Drehzahlsprünge oder dergl. vermieden. Insbesondere bietet das Konzept der Erfindung die Möglichkeit, bei einem Nutzfahrzeug eine Abtriebswelle zwischen Hybridantrieb und Achse getriebelos zu gestalten. Darüber hinaus bietet das Konzept der Erfindung die Grundlage dafür, üblicherweise limitierende Momenten-Begrenzungen bei einem Getriebe des Hybridantriebs zu überwinden; dies ermöglicht eine Steigerung der Boost-Fähigkeit des Hybridantriebs (Antrieb des Fahrzeugs über Brennkraftmaschine und Elektromaschinen-Anordnung). Ein Hybridantrieb gemäß der Erfindung weist vorteilhaft einen höheren Rekuperationsgrad auf, da in bevorzugter Weise Umwandlungsverluste oder sonstige Verluste minimiert sind bzw. limitierende Rekuperationsbegrenzungen beseitigt sind. Des Weiteren bietet das Konzept der Erfindung die Möglichkeit, die Brennkraftmaschine vorteilhaft einzukuppeln bzw. auszukuppeln. Das Konzept der Erfindung bietet auch die Möglichkeit, eine Leistungselektronik und Verbindung sowie ggfs. EMV-Filter vorteilhaft zu integrieren sowie eine bevorzugte Kühl- und Schmierperipherie vorzusehen.
  • Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren gemäß Anspruch 16 zum Betrieb eines elektro-mechanischen Hybridantriebs.
  • Die hier beschriebene Anordnung verbindet außerdem den Vorteil des Komforts der monotonen Beschleunigung/Verzögerung und den Vorteil eines hohen Wirkungsgrades. Die beiden E-Motoren/Generatoren ermöglichen eine monotone, schaltfreie Beschleunigung/Verzögerung, während die gleichzeitige fixe mechanische Durchleitung eines Teils des Dieselmoments eine wesentliche Wirkungsgradverbesserung garantiert. Die Erfindung nutzt bevorzugt, dass elektrische Energiespeicher ein vergleichbar hohes und lang anhaltendes Speichervermögen aufweisen. Die Erfindung nutzt bevorzugt zusätzlich, dass Schwungmassenspeicher ein schnell verfügbares Speichervermögen aufweisen.
  • Dementsprechend sieht das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte vor:
    • – Ankuppeln einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit einem Dieselmotor, an eine Welle und,
    • – Ankuppeln einer Elektromaschinen-Anordnung an die Welle, die als Generator/Elektromotor ausgebildet ist und zum Laden eines Energiespeichers und zum Entladen des Energiespeichers nutzbar ist, wobei
    • – die Brennkraftmaschine und/oder die Elektromaschinen-Anordnung Antriebsleistung für das Fahrzeug und/oder für den Energiespeicher bereitstellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuse modular aufgebaut ist mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Gehäusemodul, wobei eines des ersten oder zweiten Gehäusemoduls ein Elektromaschinen-Gehäusemodul ist, das eine Elektromaschine aufweist und einen Stromrichter einer Stromrichteranordnung trägt.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben in Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, diese und andere Vorteile im Rahmen des Konzepts der Erfindung zu realisieren.
  • Insbesondere weist
    • – die Elektromaschinen-Anordnung eine erste Elektromaschine und eine zweite Elektromaschine, und
    • – der Energiespeicher ist als ein elektro-mechanischer Hybrid-Energiespeicher mit einem Schwungmassenspeicher und optional einem elektrischen Speicher ausgebildet.
  • Insbesondere ist ein erstes und ein zweites Gehäusemodul bzw. Gehäuse-Segment über eine Stirnseite zur Bildung des Gehäuses in Achsrichtung der Welle aneinander geflanscht.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass
    • – ein Hybrid-Antriebsstrang mit der Welle stufenlos betreibbar ist und
    • – die Getriebeanordnung wenigstens ein Getriebe aufweist, das in einem Gehäuse (400) mit der Elektromaschinen-Anordnung untergebracht ist.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Getriebe zur Summation von Antriebs- und /oder Rekuperationsleistung als ein Umlaufgetriebe an der Welle betrieben wird zur schaltungsfreien Beschleunigung des Fahrzeuges unter Kombination von mechanischer und elektrischer Momentensummation. Beispielsweise wird dies anhand eines besonders bevorzugten Betriebszustandes deutlich, bei dem im vorderen Bereich durch die erste Elektromaschine (E_Generator) ein Teil der Antriebsleistung von der Welle abgenommen wird, transformiert wird in elektrische Leistung (Spannung/Strom am Zwischenkreis) und am Ausgangssummationsgetriebe durch die zweite Elektromaschine (E_Motor) drehzahlrichtig (ggf. negative Drehzahl) als Moment wieder eingespeist wird. Umgekehrt kann dies für eine Rekuperationsleistung erfolgen.
  • Bevorzugt ist wenigstens ein, vorzugsweise zwei, Getriebe der Getriebeanordnung als ein Umlaufgetriebe gebildet, vorzugsweise jeweils mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad und einer Anzahl von Planetenrädern und einer Stegplatte gebildet. Insbesondere ist das Umlaufgetriebe als ein Summationsgetriebe gebildet.
  • Vorzugsweise ist zur Summation von Antriebs- und /oder Rekuperationsleistung in einem Umlaufgetriebe,
    • – mittels der Welle über ein Sonnenrad und/oder eine Stegplatte des Umlaufgetriebes Antriebsleistung an einen Abtrieb und/oder Rekuperationsleistung an den Schwungmassenspeicher übertragbar, und
    • – mittels der Elektromaschinen-Anordnung über ein Hohlrad des Umlaufgetriebes zusätzliche Antriebs- oder Rekuperationsleistung an die Stegplatte und/oder das Sonnenrad übertragbar.
  • Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Getriebe zur Summation von Antriebs- und /oder Rekuperationsleistung als ein Umlaufgetriebe an der Welle betrieben wird zur schaltungsfreien Beschleunigung des Fahrzeuges unter Kombination von mechanischer und elektrischer Momentensummation. Insbesondere gilt dies für Antriebsleistung und Rekuperationsleistung. Insbesondere wird vorteilhaft bei der Rekuperation im Rahmen einer geeigneten Übersetzung berücksichtigt, dass das Fahrzeug langsamer und ein Schwungmassenspeicher schneller wird. Insbesondere wird vorteilhaft insgesamt im Rahmen einer geeigneten Übersetzung berücksichtigt, dass ein Nennbetrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors bei 2000–3000 U/min liegt während ein Nennbetrieb eines Schwungmassenspeichers bei sehr viel höhere Umdrehungen liegt, ggfs. bis zu 10.000U/min oder darüber. Insbesondere werden vorteilhaft insgesamt im Rahmen einer geeigneten Übersetzungsumkehr eine Drehrichtung und/oder im Rahmen eines gegenläufigen Doppelschwungrads Kreiselkräfte berücksichtigt.
  • Vorteilhaft weist wenigstens das Elektromaschinen-Gehäusemodul und/oder die Welle und/oder ein Gleichstromzwischenkreis eine EMV-Abschirmung auf. Insbesondere weist wenigstens das Elektromaschinen-Gehäusemodul einen An- und/oder Einbau von Spulenleitern zwischen einer Elektromaschine und einem Stromrichter aufweist und/oder eine EMV-Abschirmung und/oder ein elektrisches Filter auf.
  • Vorteilhaft weist wenigstens das Elektromaschinen-Gehäusemodul eine erste Kühl- und/oder Schmierstrecke auf, die einen Stator und/oder Rotor der Elektromaschine kühlt und/oder schmiert. Insbesondere weist die Welle eine zweite Kühl- und/oder Schmierstrecke aufweist, die einen Rotor und/oder Stator der Elektromaschine kühlt und/oder schmiert.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung weist die Getriebeanordnung wenigstens ein Getriebe auf, das in einem Gehäuse mit der Elektromaschinen-Anordnung untergebracht ist. Insbesondere kann ein anderes des ersten oder zweiten Gehäusemoduls ein Getriebe und/oder einen Leerraum aufweisen.
  • Vorteilhaft weist die Elektromaschinen-Anordnung eine erste Elektromaschine und/oder eine zweite Elektromaschine auf, insbesondere wobei ein erster und/oder ein zweiter Stromrichter im Vier-Quadrantenbetrieb betreibbar ist.
  • Besonders bevorzugt ist der Energiespeicher als ein elektro-mechanischer Hybrid-Energiespeicher ausgebildet, mit einem Schwungmassenspeicher und einem elektrischen Speicher.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung sieht eine Stromrichteranordnung mit einem ersten Stromrichter, der der ersten Elektromaschine und/oder mit einem zweiten Stromrichter, der der zweiten Elektromaschine zugordnet ist, vor, wobei der erste und/oder der zweite Stromrichter über einen Gleichstromzwischenkreis an den elektrischen Speicher ankoppelbar sind, insbesondere wobei eine direkt Verbindung des Gleichstromzwischenkreises zwischen dem ersten und zweiten Stromrichter am Gehäuse an- oder eingebaut ist. Insbesondere bildet die Stromrichteranordnung einen Frequenzumrichter aus und/oder die erste Elektromaschine und die zweite Elektromaschine ist jeweils in Form eines permanent erregten Synchronmotors gebildet.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung sieht ein Gehäusemodul und/oder ein Gehäuse-Segment vor, in dem jeweils nur eine der funktionalen Einheiten: Getriebe, Kupplung, Elektromaschine, Schwungmassenspeicher und/oder Leerraum, untergebracht ist, insbesondere ist das Getriebe in einem Getriebe-Gehäusemodul bzw. Getriebe-Gehäusemodul und/oder die Elektromaschine in einem Elektromaschinen-Gehäusemodul bzw. Elektromaschinen-Gehäusesegment und/oder der Schwungmassenspeicher in einem Schwungmassen-Gehäusemodul bzw. Schwungmassenspeicher-Gehäusesegment untergebracht.
  • Bevorzugt ist der elektrische Speicher mit einem Kondensator und/oder einer Batterie ausgebildet und/oder ein Retardersystem ist mit einem Heizwiderstand und/oder einem Transformator gebildet, insbesondere ist das Retardersystem an einem Kühlkreislauf angeschlossen.
  • Insgesamt können permanent synchrone Elektromotoren im Gehäuse eingebaut und somit von diesem geführt und abgestützt werden. Diesbezüglich können Wandungen Lageraufnahmen und Gehäuseabstützungen ausgelegt sein. Stator und Rotor sind für ein gleiches thermisches Ausdehnungsverhalten ausgelegt und insofern weitgehend aus gleichem Material und Material mit thermisch gleichem Potenzial ausgebildet. Außerdem ist ein Luftspalt zwischen Stator und Rotor ausgelegt, ausgelegt der die dynamischen Daten des E-Motors stabilisiert (Moment und Wirkungsgrad) und um das thermische Ausdehnungsverhalten im gewissen Rahmen tolerieren zu können.
  • Ein elektromechanischer Hybridantrieb mit einer Brennkraftmaschine und einem daran angeschlossenen elektromechanischen Hybridantriebsstrang ist insofern grundsätzlich stufenlos betreibbar. In einer ersten Variante sind zwei Permanentsynchrone Elektromotor/Generatoren und in einer zweiten Variante lediglich ein Permanentsynchroner Elektromotor vorgesehen; in beiden Fällen ergeben sich vorteilhafte Optionen mit oder ohne mechanischen Schwungmassenspeicher, jedenfalls aber elektrischem Speicher zur Ausbildung des stufenlos betreibbaren Hybridantriebsstrangs. Um eine Betriebsart des Antriebsstrangs einzustellen, sind eine Anzahl von Kupplungen und Anpass-Umlaufgetrieben vorgesehen, wobei ein Umlaufgetriebe insbesondere in Kombination mit einem Schwungrad in den elektromechanischen Hybridantriebsstrang integriert ist.
  • In einer besonders bevorzugten Weiterbildung sind Traktionsumrichter bzw. Frequenzumrichter mittels einem oder mehreren Stromrichters realisiert und an und/oder in einem modularen Gehäuse direkt an- und/oder eingebaut. Das modulare Gehäuse bietet darüber hinaus eine Integrationsmöglichkeit für Kühlung, Schmierung und/oder Stromführung, insbesondere für die Leistungselektronik und die Elektromaschine.
  • Eine Fahrzeugsteuerung, insbesondere eine Multihybridsteuerung, ist dazu ausgelegt, Signale für Drehzahlwerte der Brennkraftmaschine bzw. Drehmomentwerte der Brennkraftmaschine als auch entsprechende Anforderungen daran umzusetzen, Start- und Stoppstellung der Brennkraftmaschine umzusetzen als auch einen Modus zur Drehzahl und/oder Momentenregelung sowie Notaus. D. h. die Kurbelwelle des Dieselmotors ist im einfachsten Fall über eine einfache Bremslamellenkupplung an den Hybridantriebsstrang gekoppelt. Hierzu kann eine an das Schwungrad integrierte Kupplung oder eine separate Lamellenkupplung verwendet werden. Vorteile einer Lamellenkupplung liegen vor allem in deren geringfügigen Wellenversatz, der vorteilhaft ausgleichbar ist. Außerdem werden praktisch nur geringfügige axiale Kräfte wirksam während alle Kupplungskräfte auf der Welle radial abgetragen werden. Ein Schließen und Öffnen der Lamellenkupplung kann über ein Multihybridsteuerungsgerät erfolgen und insbesondere im Wellendrehzahl-gleichen oder Momenten-gleichen Zustand zwischen der Brennkraftmaschine und dem elektromechanischen Hybridantriebsstrang erfolgen. D. h. es ist bevorzugt keine Auslegung für ein Kupplungsschleifen erforderlich. Übertragbare Drehmomente können bis zu 2000 Nm betragen.
  • Zusammenfassend bietet ein elektromechanischer Hybridantrieb, insbesondere aufgrund des bevorzugten elektromechanisch ausgebildeten Hybridenergiespeichers, eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit, dies mit einem Potenzial eines CO2 und/oder Kraftstoffersparnis von bis zu 70 %. Hintergrund ist insbesondere die Befähigung des elektromechanischen Hybridenergiespeichers für ein höheres Energiespeicherpotenzial, das zudem in sehr viel kürzerer Zeit freigesetzt werden kann und mit wesentlich geringeren Wandlerverlusten als dies ein lediglich elektrischer Energiespeicher vermag. Darüber hinaus bietet das Konzept insbesondere aufgrund des modularen Systems eine einfache Skalierbarkeit mit erheblicher Geräusch- und EMV-Reduktion, wobei zudem eine Bauraumbeschränkung bei der Kraftmaschine, insbesondere in Form eines Dieselmotors berücksichtig ist. Bevorzugte Anwendungen ergeben sich für ein Triebwagen eines Bahnfahrzeugs, Hebe- und Senksysteme bei Baufahrzeuge wie einem Kran oder einem Bagger, Mehrpersonen-Transportfahrzeugen wie einem Bus als auch Marineanwendungen für Wasserfahrzeuge, insbesondere betreffend die Manövriertätigkeit im Hafen. Diesen Anwendungen ist gemeinsam, dass sie vergleichsweise kurze Zeiträume mit hoher Rekuperations- oder Beschleunigungsleistung bieten und darüber hinaus vergleichsweise lange Zeiträume mit geringer Lastanforderung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung in Bezug auf einen elektro-mechanischen Hybridantrieb mit einem stufenlos betreibbaren Hybrid-Antriebsstrang beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
  • Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:
  • 1 eine besonders bevorzugte schematische System-Darstellung eines elektro-mechanischen Hybridantriebs gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 2A, 2B ein Schema zur Darstellung eines Betriebsmodus zum rein mechanischen bzw. rein elektrischen Antrieb;
  • 3A, 3B ein Schema zur Darstellung eines Betriebsmodus zum Start der Brennkraftmaschine und zum elektrischen Fahren aus dem Hybridspeicher bzw. zum elektrischen Fahren aus dem Hybridspeicher;
  • 4A, 4B ein Schema zur Darstellung eines Betriebsmodus zur Rekuperation und zum Retarderbremsen bzw. zur Rekuperation und zum Retarderbremsen mit zwei Elektromaschinen;
  • 5 eine besonders bevorzugte Realisierung des Hybrid-Antriebsstrangs mit Brennkraftmaschine der in 1 konzeptionell gezeigten ersten Ausführungsform unter Darstellung eines Details X für ein bevorzugtes Umlaufgetriebe;
  • 6 eine bevorzugte Realisierung des Hybrid-Antriebsstrangs mit Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsform;
  • 7 eine besonders bevorzugte Realisierung des Hybrid-Antriebsstrangs mit Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführungsform;
  • 8 eine bevorzugte Realisierung eines Schwungmassenspeichers als Teil eines elektro-mechanischen Energiespeichers für den Hybrid-Antrieb gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen.
  • 9 eine schematische Darstellung einer Peripherie zur Kühlung und/oder Schmierung der funktionalen Einheiten des elektromechanischen Hybridantriebs in einem ersten Kühlkreislauf und des Energiespeichers in einem zweiten Kühlkreislauf;
  • 10 eine stark vereinfachte konstruktive Realisierung einer vierten Ausführungsform;
  • 11 eine erweiterte vergleichsweise einfache konstruktive Realisierung einer fünften Ausführungsform.
  • 1 zeigt in Ansicht (A) einen elektro-mechanischen Hybridantrieb 1 für ein symbolisch dargestelltes Fahrzeug 1000 für das, vorliegend beispielhaft, ein Landfahrzeug in Form eines Bahntriebwagens mit einer antreibenden Achse 1010 und einem dazugehörigen Achsgetriebe 1020 gezeigt ist, das auch als ein Achswendegetriebe ausgebildet sein kann. Der elektro-mechanische Hybridantrieb 1 weist einen Hybrid-Antriebsstrang 100 auf, der über eine Brennkraftmaschine 200 antreibbar ist. Dazu ist der Hybrid-Antriebsstrang 100 über eine Antriebswelle 211 und eine Kupplung 210 an die Brennkraftmaschine 200 gekoppelt, wobei die Brennkraftmaschine 200 vorliegend in Form eines Dieselgroßmotors gebildet ist. Dergleichen, vorliegend symbolisch dargestellter, elektro-mechanischer Hybridantrieb 1 kann je nach Bedarf in einem Nutzfahrzeug zum Personen- und/oder Gütertransport, wie hier ein Landfahrzeug in Form eines Bahntriebwagens, zum Einsatz kommen, jedoch auch für ein Wasserfahrzeug oder ein Arbeitsfahrzeug. Im Folgenden wird der Hybrid-Antriebsstrang 100 in einem besonders bevorzugten grundsätzlichen Aufbau und hinsichtlich unterschiedlicher Betriebsweisen im Rahmen der 2A bis 4B erläutert; bevorzugte Ausführungsformen eines konstruktiven Realisierung sind in Bezug auf 5 bis 8 erläutert.
  • Insgesamt werden in der Beschreibung der Zeichnungen für gleiche oder ähnliche Merkmale oder Merkmale gleicher oder ähnlicher Funktion der Übersichtlichkeit halber gleiche Bezugszeichen verwendet.
  • Der Hybrid-Antriebsstrang 100 weist eine Elektromaschinenanordnung 110, einen Energiespeicher 120 und eine Getriebeanordnung 130 auf, die eine Anzahl gleicher oder unterschiedlicher entlang einer Welle 111 angeordneter Getriebe und Kupplungen umfassen kann. Diese sind hier symbolisch dargestellt sind und beispielhaft im Rahmen der 5 ff. anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert. Grundsätzlich ist die Elektromaschinenanordnung 110 zur Ankopplung an eine Welle 111 ausgebildet, so dass über die Antriebswelle 211 die Welle 111 und mit dieser auf einer Achse angeordneten Abtriebswelle 311 ein Abtrieb 300 des Fahrzeugs 1000, hier der Abtrieb 300 umfassend das Achsgetriebe 1020, angetrieben werden kann. Insofern ist, besonders bevorzugt im Rahmen der in 1 und der weiteren 5 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele, der Hybrid-Antriebsstrang 100 auf die mit der Welle 111 verbundenen funktionalen Einheiten einer Elektromaschinenanordnung 110 und einer insofern internen Getriebeanordnung 130 beschränkt; d.h. ohne ein weiteres externes zentrales Getriebe ausgebildet, wobei ein Achsgetriebe 1020 nicht als zentrales Getriebe aufzufassen ist. Damit ist der Abtrieb 300 umfassend eine Abtriebswelle 311 zwischen Hybridantrieb 1 und Achse 1010 frei von einem externen Getriebe. Der Hybrid-Antriebsstrang 100 ist mit der Getriebeanordnung 130 stufenlos betreibbar.
  • Die Elektromaschinenanordnung 100 weist zur Ankupplung an die Welle 111 eine erste Elektromaschine 10 und eine zweite Elektromaschine 20 auf. Dies sind vorliegend als permanenterregte Synchron-Elektromotoren (PSM) gebildet, die auch als Generator betreibbar sind (Generator/Motor); insofern sind diese als Hybrid-Synchron-Motoren (HSM) ausgelegt. Der Energiespeicher 120 ist als ein Elektro-mechanischer Hybridenergiespeicher mit einem Schwungmassenspeicher 30 und einem elektrischen Speicher 40 ausgebildet. Der erste Elektromaschine 10 ist ein erster Stromrichter 50 und der zweiten Elektromaschine ist ein zweiter Stromrichter 60 zugeordnet, wobei der erste und zweite Stromrichter 50, 60 über einen Gleichstromzwischenkreis 41 an den elektrischen Speicher 40 angekoppelt sind. Die Stromrichteranordnung 150 mit erstem und zweiten Stromrichter 50, 60 bildet insofern einen Frequenzumrichter zur Wandlung einer von der ersten Elektromaschine 10 gelieferten Wechselspannung in eine Gleichspannung zur Einspeisung in den Gleichstrom-Zwischenkreis 41 (Gleichrichtung) und anschließender Erzeugung einer Wechselspannung, ggf. anderer Frequenz und Amplitude, für die zweite Elektromaschine 20 mit dem zweiten Stromrichter 60 aus der Gleichspannung des Gleichstrom-Zwischenkreises 41. Die Stromrichter 50, 60 sind insofern auch als Umrichter oder Inverter zu bezeichnen und ausgelegt als Wechselrichter (zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung, z.B. bei einem Elektrobetrieb aus dem elektrischen Speicher 40) oder als Gleichrichter (zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung, z.B. bei einem Rekuperationsbetrieb zum Laden des elektrischen Speichers 40) zu arbeiten.
  • Die Getriebeanordnung 130 weist vorliegend ein freilaufendes und/oder schaltbares Getriebe in Über- oder Untersetzung auf, das hier in Form eines Umlaufgetriebes (auch Planetengetriebe genannt) gebildet ist. Das Umlaufgetriebe 131 kann über eine Kupplung 132, an die Antriebsachse 311 angekoppelt werden. Für eine Kupplung eignet sich beispielsweise auch eine Gummi-Kupplung der Firma Vulkan.
  • Das vorliegende Konzept eines elektro-mechanischen Hybridantriebs 1 bietet die Möglichkeit, den Hybrid-Antriebsstrang 100, z.B. in der in Ansicht (B) der 1 gezeigten Weise, modular und besonders kompakt aufzubauen, d.h. insbesondere mit einem modularen Gehäuse 400, das vorliegend ein erstes Gehäusemodul 401 und ein zweites Gehäusemodul 402 zur Bildung je einer Kompakteinheit aufweist. Die erste Elektromaschine sowie optional wenigstens ein Teil einer zugeordneten Kupplung und/oder eines Umlaufgetriebes ist in dem ersten Gehäusemodul 401 untergebracht und die zweite Elektromaschine 20 mit optional wenigstens einem Teil einer zugeordneten Kupplung und/oder eines Umlaufgetriebes ist in dem zweiten Gehäusemodul 402 untergebracht. Dazu wird bevorzugt jedes der Gehäusemodule 401, 402 aus einer Anzahl von Gehäusesegmenten 401.i bzw. 402.i (i aus [1, 2, 3]) aufgebaut, wobei jedes der Gehäusesegmente 401.i bzw. 402.i nur eine der funktionalen Einheiten Umlaufgetriebe, Elektromaschine, Kupplung, Leerraum, Schwungmassenspeicher, aufweist. Dazu wird beispielhaft im Weiteren auf die Beispiele der 5 bis 8 Bezug genommen.
  • Zunächst weiter bezugnehmend auf 2A bis 4B zeigen diese bevorzugte Betriebsmodi des elektro-mechanischen Hybridantriebs 1, die nach einem, bevorzugt elektrischen, Systemstart angenommen werden können, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in 1 genutzt werden. Beispielsweise wenn das geforderte Drehmoment nicht zur Verfugung steht z.B. bei sehr kaltem Wetter, können Akkus des elektrischen Speichers 40 nur mit einem Teil ihres Nennstromes belastet werden. Hier kann zunächst ein Schwungrad des Schwungmassenspeichers langsam hochgedreht werden und dann durch Umstellung der Bremsen, der Dieselmotor aus dem Drehmoment des Schwungrades gestartet werden.
  • In dem Schema der 2A wie auch in den weiteren Figuren bis 4B ist außerdem eine auch als Chopper bezeichnetes Retardersystem 42 gezeigt, die an den Gleichstromzwischenkreis 41, hier über den zweiten Stromrichter 60 am Gleichspannungsausgang, angeschlossen ist. Außerdem weist das Fahrzeug 1000 eine eigene Fahrzeugsteuereinheit sowie eine Hybridbetriebssteuereinheit 1100 auf, welche die Betriebsmodi des Fahrzeugs je nach Drehzahl n und Lastanforderung M bzw. Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine 200 steuert. Ein Kühlsystem 1200 ist ebenfalls Teil des Fahrzeugs 1000 und mit dem elektro-mechanischen Hybridantrieb und der Fahrzeugsteuerung verbunden.
  • 2A zeigt als ersten Betriebsmodus einen mechanischen Betriebsmodus, bei dem eine Drehmomentübertragung T über die Welle des Hybrid-Antriebsstrangs 100 von der Brennkraftmaschine 200 auf den Abtrieb zur Fahrzeugachse 1010 des Fahrzeugs 1000 erfolgt. Dies kann auch für ein Anfahren bevorzugt unter Entnahme von Antriebsenergie aus dem Schwungmassenspeicher 30 aber auch ohne Nutzung des Schwungmassenspeichers 30 erfolgen. In dem in 2A gezeigten mechanischen Betriebsmodus erfolgt ein Drehmomentenübertrag T ausschließlich über die Welle des Hybrid-Antriebsstrangs; die Stromumrichter 50, 60 werden insofern nicht genutzt.
  • 2B zeigt für einen zweiten Betriebsmodus einen typischen reinen elektrischen Antriebsmodus, bei dem ein Drehmomentenübertrag T nicht über die Welle 111 des elektro-mechanischen Hybridantriebs erfolgt, die insofern zwischen der ersten und zweiten Elektromaschine 10, 20 entkoppelt ist, wie dies die Unterbrechung der Welle 111 in 2B symbolisch andeutet. Vielmehr wird die erste Elektromaschine 10 im ersten Betriebsmodus als Generator betrieben. Die dabei entstehende Wechselspannung wird mit dem ersten Stromrichter 50 in eine Gleichspannung umgerichtet, in den Gleichspannungszwischenkreis 41 eingespeist und aus der Gleichspannung wird anschließend im zweiten Stromrichter 60 ein Wechselstrom erzeugt zum Betrieb der zweiten Elektromaschine 20, die dann von der Wechselspannung angetrieben im Motorbetrieb arbeitet; das dadurch variabel erzeugbare Drehmoment T wird über die Abtriebsachse 311 an die Abtriebseinheit 300 und von da auf eine Achse 1010 des Fahrzeugs übertragen.
  • 3A zeigt als dritten Betriebsmodus einen Betriebsmodus zum Starten der Brennkraftmaschine 200 und elektrischen Fahren aus dem Energiespeicher 120 umfassend den elektrischen Speicher 40 und den Schwungmassenspeicher 30. Es kann dann z.B. ein Anfahren, insbesondere mittels sogenanntem elektrischen Boosten, unter Entnahme von Energie aus dem elektrischen Speicher 40 und/oder dem Schwungmassenspeicher 30 erfolgen. Bei einem reinen elektrischen Fahren ist dann allerdings die Welle des Hybrid-Antriebsstrangs 100 wie durch die Unterbrechung in 3A symbolisiert entkoppelt, wobei diesmal die erste und zweite Elektromaschine 10, 20 jeweils als Elektromotor arbeiten. Entsprechend wird ein erstes Drehmoment T1 von der ersten Elektromaschine 10 auf die Brennkraftmaschine 200 gegeben und ein zweites Drehmoment T2 von der zweiten Elektromaschine 20 auf den Abtrieb 300 gegeben. Die dazu erforderliche Energie wird aus dem Energiespeicher, hier dem elektrischen Speicher 40 zur Verfügung gestellt, was durch die Pfeilsymbolik in 3A symbolisiert ist. Dazu wird eine Gleichspannung auf den Gleichstromzwischenkreis 41 gegeben. Die Erzeugung jeweils einer Wechselspannung für die erste bzw. zweite Elektromaschine 10, 20 erfolgt im ersten bzw. zweiten Stromrichter 50, 60 die insofern beide als Wechselrichter arbeiten.
  • Im Rahmen der hier beschriebenen besonders bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Elektromaschine vorliegend als permanent erregter Synchronmotor ausgeführt.
  • Ein Anfahrvorgang kann beispielsweise bei einem Triebwagen der Bahn wie folgt ablaufen: Durch einkuppeln am Dieselabgang per Kupplung 210 (z.B. einfache Bremslamellenkupplung oder eine in einem Schwungrad integrierte Kupplung oder eine separate Kupplung), wird der Diesel zunächst mit dem Trägheitsmoment der leeren Welle 111 belastet. Die E-Motoren haben ein zu beachtendes Massenträgheitsmoment. Damit es zu keinem Einbruch der Drehzahl kommt, wird der Dieselmotor zunächst auf eine gewisse Grunddrehzahl beschleunigt. Dann werden die E-Motoren, d.h. die erste und zweite Elektromaschine 10, 20 nacheinander aufgeschaltet. Anschließend erfolgt das Zuschalten des Abgangsgetriebes, hier des Umlaufgetriebes 131. Die Dieseldrehzahl wird im Gleichlauf mit der Geschwindigkeitszunahme erhöht.
  • Es kann dabei vorteilhaft die Traktionsfestigkeit zwischen Rad und Schiene im Rahmen eines Schleuderschutzes beachtet werden. Beim Durchdrehen eines Rades verliert dieses über 90% seiner Normaltraktion. Dies wird in den Umrichtern 50, 60 über Strom und Drehzahlgradient sofort erkannt und die Antriebsleistung wird zurückgenommen. Die Antriebsleistung wird wieder in Form einer langsameren Rampe erhöht.
  • Insgesamt wird die Brennkraftmaschine 200 (der Diesel) möglichst in seinem verbrauchsoptimalen Drehzahlbereich betrieben. Ab einer gewissen Geschwindigkeit ist dies nicht mehr möglich und, im vorliegenden Beispiel der Zug, wird allein über die Drehzahldynamik des Diesels bis zur Enddrehzahl beschleunigt, was bereits nach sehr kurzer Zeit erreicht werden kann, insbesondere unter Nutzung des elektro-mechanischen Energiespeichers 120. Verluste durch den Umrichterbetrieb fallen danach weg. Eine Zuschaltung des Schwungradspeichers erfolgt im Anfahrbetrieb nicht schlagartig, sondern folgt einer gewissen Lastverteilung für den elektro-mechanischen Energiespeicher 120. Hierzu wird die erste Elektromaschine 10 bis zur Schwungraddrehzahl beschleunigt. Danach wird eine Kupplung zum Schwungrad geschlossen. Das Schwungraddrehmoment wird nun halb mechanisch und halb elektrisch auf die Welle 111 gegeben. Dabei ändern sich die Verhältnisse entsprechend der Vorgabe der Lastverteilung für den elektro-mechanischen Energiespeicher 120 vom der Hybridbetriebssteuereinheit 1100.
  • Um andererseits ein vorteilhaftes elektrisches Fahren zu realisieren wird die Brennkraftmaschine 200, hier der Dieselmotor, ausgekuppelt. Es kann auch der Dieselmotor ausgekuppelt und mit Leerlauf-Drehzahl betrieben werden und die E-Motoren kraftfrei betrieben werden; also kann dann traktionsfrei gefahren werden. Nach Beendigung des traktionsfreien Fahrens wird der Dieselmotor an die momentane Wellendrehzahl (Führung über Drehzahlregler des Motorsteuergerätes) angepasst und wieder eingekuppelt. Die Anlage läuft wieder im Traktionsbetrieb über die Vorgabewerte des Fahrhebels.
  • 3B zeigt als vierten Betriebsmodus einen Betriebsmodus zum elektrischen Fahren aus dem Hybridenergiespeicher 120 was wiederum durch die entsprechende Pfeilsymbolik dargestellt ist. In diesem Fall erfolgt die Erzeugung eines ersten Drehmoments T1 wiederum durch die erste Elektromaschine 10 und wird auf die Welle 111 des Hybrid-Antriebsstrangs gegeben. Ein zweites Drehmoment T2 wird durch die zweite Elektromaschine 20 erzeugt und wird ebenfalls auf die Welle 111 des Hybrid-Antriebsstrangs gegeben. Der erste und zweite Stromrichter 50, 60 arbeitet wiederum als Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung und Antrieb der als Elektromotor arbeitenden Elektromaschine 10, 20, wobei den Stromrichter 50, 60 eine Gleichspannung bzw. ein Gleichstrom aus dem elektrischen Energiespeicher 40 zur Verfügung gestellt wird.
  • In allen zuvor genannten Vielbetriebsmodi der 2A bis 3B kann also, auch ohne dass dies zuvor im Einzelnen erläutert wurde, der Schwungmassenspeicher 30 als Teil des elektro-mechanischen Hybridenergiespeichers 120 konkret zur Lieferung von Antriebsenergie für ein Drehmoment genutzt werden. Im ersten Betriebsmodus kann der Schwungmassenspeicher 30 das Drehmoment T zum direkten Antrieb des Abtriebs 300 erhöhen und insofern die Brennkraftmaschine 200 direkt unterstützen. Im zweiten Betriebsmodus kann der Schwungmassenspeicher 30 genutzt werden um den Generatorbetrieb der ersten Elektromaschine 10 zu unterstützen und insofern die elektrische Leistung im Gleichstromzwischenkreis 41 erhöhen und damit auch das zur Verfügung zu stellende Drehmoment T. Im dritten Betriebsmodus kann der Schwungmassenspeicher 30 genutzt werden, um ein Starterdrehmoment T1 für die Brennkraftmaschine 200 zu liefern oder zu erhöhen. Im vierten Betriebsmodus der 3B kann der Schwungmassenspeicher 30 genutzt werden, um das Antriebsmoment T1 der ersten Elektromaschine 10 auf der Welle 111 zu erhöhen.
  • Nach erfolgtem Dieselstart können bei Bedarf die Akkus des elektrischen Speichers 40 und/oder ein Schwungrad des Schwungmassenspeichers 30 auch aus der Brennkraftmaschine 200, z.B. bei Teillast, geladen werden. Vorteilhaft wird dazu der Dieselmotor auf eine mittlere oder Grunddrehzahl (von z.B. 1000 rpm) hochgefahren. Der Leerlaufdrehzahlregler des Dieselmotors erhöht automatisch das Abgabemoment. Denkbar ist auch ein intermittierender Fahrbetrieb. Dabei wird der Dieselmotor in seinen betriebsoptimalen Volllastpunkt gefahren und der Schwungmassenspeicher 30 vollgeladen. Anschließend wird der Dieselmotor abgestellt und aus dem elektro-mechanischen Hybridenergiespeicher 120 gefahren. Nachdem der Schwungmassenspeicher 30 entladen ist, wird der Dieselmotor der Brennkraftmaschine 200 wieder eingeschaltet. Standardmäßig kann dies immer einmalig nach einem Boost-Beschleunigungsbetrieb aus dem Bahnhof erfolgen. Soll der Vorgang wiederholt werden, kann dies durch eine Fahrervorgabe oder durch einen Eintrag in einem erlernten Streckenplan erfolgen.
  • Weiter bezugnehmend auf 4A und 4B werden ein fünfter und sechster Betriebsmodus zum Wiederaufladen des elektro-mechanischen Hybridenergiespeichers 120, z. B. bei einer Bremstätigkeit, bei welcher auch der Dieselmotor mit Bremsen kann, d.h. während der Fahrt, erläutert. In dem Fall kann über eine oder beide Elektromaschinen 10, 20 Leistung ausgetragen werden in den elektro-mechanischen Energiespeicher 120. Auch hier kann darauf an den Stromrichtern erkannt werden, dass die Bremswirkung an den Rädern wirksam bleibt. Gleiten wird erkannt und durch Reduktion der Bremsleistung sofort behoben.
  • Bezugnehmend auf den fünften Betriebsmodus der durch die Pfeilsymbolik der 4A dargestellt ist kann bei einem Bremsvorgang überschüssiges Drehmoment TR von der Achse 1010 der zweiten Elektromaschine 20 zur Verfügung gestellt werden, wobei allein diese als Generator arbeitet und damit in der Lage ist den zweiten Stromrichter 60 eine Wechselspannung zur Gleichrichtung zu liefern. Nach Gleichrichtung kann eine entsprechende Gleichspannung als Ladeenergie E1 zum Aufladen hier allein des elektrischen Speichers 40 genutzt werden oder als Retarderenergie E2 in einem Chopper oder sonstigen Retardereinheit 42 abgeführt werden. Im Grunde ist der hier durch die Pfeilsymbolik erläuterte Betriebszustand einer Rekuperation nur des elektrischen Energiespeichers 40 nicht alternativlos. Die im Gleichstromzwischenkreis 41 zur Verfügung gestellte Rekuperationsenergie E1 kann auch unter Betrieb des ersten Stromrichters 50 als Wechselrichter und unter Antrieb der ersten Elektromaschine 10 zum Aufladen des nicht dargestellten Schwungmassenspeichers 30 unter Erzeugung einer symbolisch eingetragenen dritten Rekuperationsenergie E3 genutzt werden.
  • 4B zeigt als sechsten Betriebsmodus das Rekuperieren und Retarderbremsen mit zwei Generatoren unter Nutzung der zweiten und ersten Elektromaschine jeweils als Generator. In dem Fall kann der Gleichzwischenkreis 41 unter Betrieb beider Elektromaschinen 10, 20 und beider Stromrichter 50, 60 als Gleichrichter zur Darstellung einer Rekuperationsenergie E1 bzw. einer Retarderenergie E2 genutzt werden dies zur Aufladung des elektrischen Energiespeichers bzw. zur Umwandlung in Wärme durch den Chopper 42. Auch hier kann der mechanische Schwungmassenspeicher 30 mit E3 gefüllt werden.
  • Bevorzugt wird, um alle kinetische Energie zum Laden der Speicher des elektro-mechanischen Hybrid-Energiespeichers 120 einzusetzen, die Brennkraftmaschine ausgekuppelt an der Kupplung 210. Ein Schwungrad des Schwungmassenspeichers kann, über die Hybridbetriebssteuereinheit 1100 gesteuert, angekoppelt werden. Optional kann der Dieselmotor gestoppt werden. Uber die Welle 111 fließt nun Energie vom Abgangsgetriebe 131 elektro-mechanisch zum Schwungrad. Ein weiterer Teil wird elektrisch über die erste und/oder zweite Elektromaschine 10, 20 in den elektrischen Speicher 40 geleitet. Überschüssige Energie wird durch den Bremschopper in dem Retardersystem 42 vernichtet. Im Gegensatz zum Schwungmassenspeicher 30, lässt sich ein elektrischer Speicher 40 wie eine Batterie oder ein Kondensator nur vergleichsweise langsam laden. Die Bremszeit ist regelmäßig zu kurz um die Akkus voll zu laden. Bleibt das Fahrzeug länger als eine vorgegebene Zeit im Bahnhof stehen, kann die Schwungradenergie zur weiteren Speicheraufladung der Li-lonen Akkus des elektrischen Speichers 40 verwendet werden. Entsprechend der Ladekapazitat und des möglichen Ladestroms, kann der Vorgang zeitlich beliebig gestreckt werden. Andererseits kann, anders als die Batterie, der Schwungmassenspeicher 30 seine Ladung nicht für sehr lange Zeit halten und braucht zu seiner Bedienung eine eingeschaltete Hybridbetriebssteuereinheit 1100. Aus Sicherheitsgründen muss der Schwungmassenspeicher 30 für längeren Fahrzeugstillstand bzw. Wartungsarbeiten entladen bzw. seine Drehzahl auf Stillstand gebracht werden. Hierzu werden über den Zwischenkreis 41 die Li-Ionen Batterien des elektrischen Speichers 40 geladen und weitere Energie über den Chopper-Widerstand des Retardersystem 42 vernichtet.
  • Die Steuerung des Hybridantriebsstrangs 100 wird von einer MHC-Plattformsteuerung, d. h. vorliegend der Hybridbetriebssteuereinheit 1100, übernommen. Im Besonderen ist es vorteilhaft die Anfahr-Beschleunigung und Anfahr-Verzögerung über ein Summationsgetriebe elektrisch zu ergänzen. Dies kann vorteilhaft durch Leistungsumverteilung durch die beiden Elektromaschinen 10, 20 (Motor/Generatoren) ermöglicht werden, die von den Stromrichtern 50, 60 (Umrichtern) im 4-Quadrantenbetrieb geführt werden. Für die Steuerung des Schwungrades im Allgemeinen und wie oben beschrieben besonders für die Rekuperation wird eine Steuerung des Schwungmassenspeichers 30 zusammen mit dem Hybridantriebsstrang 100 von einer MHC-Plattformsteuerung übernommen. Während die Schwungraddrehzahl im ersten Moment beispielsweise noch 0 ist, kann die Wellendrehzahl der Welle 111 bereits im Nennbereich liegen, z.B. bei 2100 rpm. Ein schlagartiges Aufschalten der Welle 111 auf den Schwungmassenspeicher 30 sollte aufgrund der Zerstörungsgefahr unterbunden werden. Aus diesem Grund, wird zunächst vorteilhaft nur ein Teil, z.B. die halbe Wellenleistung, durch die zweite Elektromaschine 20 abgenommen und durch die erste Elektromaschine 10 auf die zweite Welle des Schwungradgetriebes mit negativer Drehzahl geleitet. Auf diese Weise wird das Schwungrad ab Drehzahl 0 mit maximalem Drehmoment hochgefahren. Ein Inverter läuft jetzt im Drehmoment Modus. Ab einer bestimmten Drehzahl wird die Leistungseinspeisung über die E-Motoren langsam zurückgenommen, so dass die elektrischen Verluste minimiert werden. Der Hauptleistungsfluss geht dann mechanisch von der Welle an das Schwungrad mit besonders geringen Verlusten.
  • Im vorliegenden Fall der 5 dient das Umlaufgetriebe 133 der Getriebeanordnung 130 gleichzeitig als Kupplung und Umsetzung. Das Umlaufgetriebe 133 ist zudem Träger eines weiteren mechanischen Speicherteils des Schwungmassenspeichers 30, nämlich einem zweiten Schwungrad 32, das an ein Hohlrad 130H des Umlaufgetriebes angeschlossen ist. Die Antriebswelle 211 kann hier optional ebenfalls Träger eines Speicherteils eines Schwungmassenspeichers 30 sein, beispielsweise einem weiteren Schwungrad. Die mechanischen Speicherteile des Schwungmassenspeichers 30, hier das Schwungrad 32 und/oder optional das weitere Schwungrad können einzeln als Alternative oder beide können in Kombination vorgesehen sein.
  • Das Umlaufgetriebe 133 ist im Detail X der 5 nochmals mit dem Hohlrad 130H dargestellt. Darüber hinaus weist das Umlaufgetriebe 133 ein an die Welle, nämlich den ersten Teil 111.1 angeschlossenes Sonnenrad 130S sowie eine Anzahl von vorliegende drei Planetenrädern 130P auf, die an einer Stegwelle 130W gehalten sind. Bei im Eingriff stehendem, mit Hohlverzahnung versehenem Hohlrad 130H besteht Kraftschluss zwischen dem ersten und zweiten Teil 111.1, 111.2 der Welle 111. Bei freiem Hohlrad 130H ist der Kraftfluss unterbrochen zwischen dem ersten und zweiten Teil 111.1, 111.2 der Welle 111. Insofern stellt das Umlaufgetriebe 133 in der hier beispielhaft gezeigten Ausführung ein im Gehäuse 400 bzw. ganz oder teilweise in einem Gehäusemodul 401, 402 des Hybrid-Antriebsstrangs 100 und auf der Welle desselben realisiertes internes Umlaufgetriebe dar; dies mit einer mechanischen Schaltstufe und Freilauf zusammen mit dem variablen Drehmomentübertrag per oben beschriebener Frequenzumrichter-Funktion der Stromrichteranordnung 150. Es ergibt sich so die Möglichkeit, eines variablen und stufenlos betreibbaren Hybrid-Antriebsstrangs 100 mit einstellbaren Drehmomentübertrag und erhöhter Rekuperationsbefähigung des elektro-mechanischen Hybridenergiespeichers 120. Während Umlaufgetriebe (auch Planetengetriebe genannt) grundsätzlich bekannt sind, so ergibt sich ein Vorteil in diesem Zusammenhang aus deren verhältnismäßig kleinen Bauweise, die sich dennoch zur Übertragung hoher Drehmomente eignet. Die Schmierung der Zahnräder des Umlaufgetriebes erfolgt durch den Ölsumpf im Gehäuse 400 des stufenlos betreibbaren Hybridantriebsstrangs.
  • Eine Verwendung einer Hohlradkupplung ist möglich und vergleichsweise einfach aufgebaut. Durch ein Bremsband über das Hohlrad oder einer Backenbremse am Hohlrad wird, abgestützt am Gehäuse 400, das Hohlrad festgesetzt. Damit lässt sich das Planetengetriebe als ein Wellengetriebe betreiben. Die zweite Welle braucht nicht durch einen Elektromotor abgestützt werden. Dadurch lässt sich im Betrieb weitere Verlustleistung vermeiden.
  • 6 zeigt in weiterem Detail und Abwandlung eine weitere Ausführungsform eines Hybridantriebs 1, wobei in Bezug auf gleiche Bezugszeichen auf die vorgehende Beschreibung Bezug genommen ist.
  • Im Folgenden werden vor allem die Unterschiede zur Ausführungsform der 5 erläutert. Diese liegen vor allem in der Gestaltung des Gehäuses 400 mit einem ersten Modul 401 und einem zweiten Modul 402, das in der hier gezeigten Ausführungsform mit mehreren Modulsegmenten 401.i, 402.i, i = 1...2 gebildet ist und in der Ausgestaltung der Getriebeanordnung 130; dabei ist hier das zentral integrierte Umlaufgetriebe 133 durch eine Kupplung 134 ersetzt, die als Doppel-Kupplung in Form einer Lamellenkupplung ausgebildet ist. Ein Umlaufgetriebe 131 ist stattdessen als Abgangsgetriebe wie bereits symbolisch in 1 gezeigt vorgesehen.
  • Das Umlaufgetriebe 131 in 6 ist im vorliegenden Fall der zweiten Elektromaschine zugeordnet, also zwischen dem zweiten Teil der Hohlwelle 111.2 als Träger des Rotors 21 der zweiten Elektromaschine und der Abtriebswelle 311 angeordnet. Das Umlaufgetriebe 131 ist vorliegend ohne eine Schwungmasse in üblicher Weise mit einem als Hohlrad 130H, einem Sonnenrad 130S sowie bis zu fünf Planetenrädern 130P auf einer Stegplatte 130W ausgeführt.
  • Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer mechanischen Schaltstufe oder eines Freilaufs je nachdem, ob das Hohlrad 130H mit der Elektromaschine gekuppelt ist oder festgebremst ist. Das Planetengetriebe wird hier als Abgangsgetriebe in Form eines Summationsgetriebes eingesetzt. Dabei treiben zwei Wellen 130S und 130H den Steg 130W an. Anders ausgedrückt überträgt im Antriebsfall beim Umlaufgetriebe 131 das Sonnenrad 130S per Stegplatte 130W auf den Abtrieb; ggfs. unter Aufsummation von Antriebsleistung aus der zweiten Elektromaschine vom Hohlrad 130H auf die Stegplatte 130W. Über die entsprechende Standübersetzung erhält man einen summierten Abtrieb an der Planetenstegplatte 130W, wobei Antriebs- und Abtriebsseite auch vertauschbar sind. Die Getriebeverlustleistung ist vergleichsweise gering. Beachtet man die entsprechende Untersetzung von 3,8 muss dieses Getriebe auf mindestens 8000 Nm ausgelegt sein.
  • Beispielsweise für den Reisebetrieb (Fahren mit Teilleistung) oder einem Notfahrdurchtrieb wird das Hohlrad 130H festgebremst. Diese Hohlradbremse ist im nicht betätigten Zustand immer geschlossen. Bei nicht gebremsten Hohlrad, d. h. freilaufenden Elektromotor und offener Kupplung 134 lässt sich keine Leistung über das Planetengetriebe übertragen. Dies gilt als ausgekuppelter Zustand des Abganggetriebes. Den gleichen Zustand kann man auch auf der Schwungradseite herstellen. Bei nicht gebremsten Hohlrad und freilaufenden Elektromotor und offener Kupplung 134 lässt sich keine Leistung über das Planetengetriebe übertragen. Dies bedeutet, dass das Schwungrad im Freilauf ist.
  • Im Folgenden sei anhand der 6 auch ein Beispiel einer stufenlosen Beschleunigung gegeben. Der Dieselmotor der Brennkraftmaschine 200 gibt volles Drehmoment an den Hybridantriebsstrang 100 ab. Über die als Generator arbeitende erste Elektromaschine 10 wird die halbe Leistung von der Welle abgezogen, d. h. per erstem als Gleichrichter arbeitenden Stromrichter 50 in einen elektrischen Strom bei z.B. etwa 600 V umgewandelt. Die so erhaltene elektrische Leistung wird sofort wieder gesteuert durch die Multihybridsteuerung MHC, hier Hybridbetriebssteuereinheit 1100, und per zweitem als Wechselrichter arbeitenden Stromrichter 60 die zweite als Motor arbeitende Elektromaschine 20 gegeben und am Ausgangshohlrad 130H eingespeist. Je nach Einspeisedrehzahl und Drehrichtung kann so der gesamte Ausgangsdrehzahlbereich stufenlos durchfahren werden. Inwieweit gespeicherte Energien aus Schwungrad des Schwungmasscnspeichers 30 bzw. Lithium-Ionen-Akku des elektrischen Energiespeichers 40 gezogen wird, wird durch die Multihybridsteuerung MHC 1100 zugemessen. Nach dem Erreichen einer Mindestanfahrtdrehzahl lassen sich, wenn genügend gespeicherte Energie zur Verfügung stünde, die beiden Elektromotoren summativ auf den elektromechanischen Hybridantriebsstrang, d. h. summativ auf die Durchgangswelle 111 schalten. Vorzugsweise wird generell ein Abgangsgetriebe als Umlaufgetriebe, beispielsweise wie hier 131 oder 136 in 7 ausgebildet. Die Standartuntersetzung liegt dabei 3,8. D. h. die Motordrehzahl von beispielsweise 2100 rpm wird auf 550 rpm Abtriebsdrehzahl umgesetzt. Das Achsgetriebe beim Triebwagen kann nochmals um einen Faktor 2 teilen. Es ergibt sich so eine Gesamttriebuntersetzung vom Abgang der Brennkraftmaschine 200 bis zur Abtriebsachse 1010 mit einer Untersetzung von 8. Für eine lange Übersetzung auch Notfahrbetrieb, können das Ausgangsumlaufgetriebe an seinen beiden Eingangswellen starr gekuppelt werden und man erreicht die Übersetzung 1.
  • Beim hier gezeigten stufenlos betreibbaren Antriebsstrang findet kein Einkuppeln von Zahnrädern statt. Die Änderung des Hybridantriebsstrangs in Funktion und Wirkrichtung wird durch sogenannte Wellenbremsen durchgeführt. Dies können beispielsweise Einscheiben-Kupplungen aus dem LKW-Bereich sein. Das Schalten der Kupplungen findet unter Kontrolle der Multihybridsteuerung MHC statt. Das Ein- oder Auskuppeln findet immer im Drehzahl oder Momentengleichen Zustand statt. Dies bedeutet, es ist keine Auslegung für ein Kupplungsschleifen erforderlich.
  • Die Lamellenkupplung 134 der Getriebeanordnung 130, hier eine Doppelkupplung, kann vorliegend je nach Bedarf und entsprechend der oben erläuterten Betriebsmodi geöffnet oder geschlossen werden, um den ersten 10 und zweiten 20 E-Motor/Generator-Hohlwelle 111.1, und Hohlwelle 111.2, auf die Welle 111 zu koppeln. Im Fall einer Doppelkupplung sitzt auf der Hauptwelle 111 ein Ring ähnlich einer Bremsscheibe. Durch die Anpresskupplung wird der Kraftschluss zur Welle 111 des Hybridantriebsstrangs hergestellt. Dies wird konstruktiv so ausgeführt, dass für beide Elektromaschinen 10, 20 Wellen eine solche Anpresskupplung einmal von links und einmal von rechts auf die Scheibe und damit auf die Welle wirkt. Die Vorteile einer Lamellenkupplung ergeben sich als geringfügiger Wellenversatz, verbleiben der Kupplungskräfte auf den Wellen und im nicht aktiven stromlosen Zustand sind die Kupplungen offen; das Schließen und Öffnen wird über den HCM-Controller 1100 gesteuert und findet immer im Wellendrehzahlgleichen Zustand statt.
  • Weiter bezugnehmend auf das Gehäuse ist in 6 das erste Gehäusemodul 401 mit einem ersten Gehäusesegment 401.1 unter Aufnahme eines Leerraums und einem zweiten Gehäusesegment 401.2 unter Aufnahme der ersten Elektromaschine 10 gebildet. Das zweite Gehäusemodul 402 ist mit einem ersten Gehäusesegment 402.1 und einem zweiten Gehäusesegment 402.2 gebildet, die baugleich mit dem zuvor genannten ersten und zweiten Gehäusesegment 401.1, 401.2 sind. Das erste Gehäusesegment 402.1 dient vorliegend zur Aufnahme des Umlaufgetriebes 131, das zweite Gehäusesegment 402.2 dient vorliegend zur Aufnahme der zweiten Elektromaschine 20. Ähnlich wie in 5 ist das erste und zweite Gehäusemodul 401, 402 über einen Flansch 411, 412 an deren Stirnseite aneinander geflanscht. In ähnlicher Weise ist eine Flanschverbindung zwischen jeweils dem ersten und zweiten Gehäusesegment 401.1, 401.2 bzw. 402.2, 402.1 in Form der Flansche 413, 414 bzw. 415, 416 gebildet. Es zeigt sich, dass dieser modulare Aufbau des Gehäuses 401 mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Gehäusesegment 401.1, 401.2 – vorliegend mit jeweils zwei ersten und zwei zweiten Gehäusesegmenten 401.1, 402.1 bzw. 401.2, 402.2 – wie ein Systembaukasten erweiterbar ist. Als Kappen ausgebildete erste Gehäusesegmente 401.1, 402.1 lassen sich zur Aufnahme einer Kupplung und/oder eines Umlaufgetriebes 131, 133, 134 oder aber zur Aufnahme eines Leerraums 135 im Rahmen einer Getriebeanordnung 130 vorsehen. Als zylindrisch beidseitig geöffnete Gehäusesegmente 401.2, 402.2 der ersten Art lassen sich zur Aufnahme einer Elektromaschine 10, 20 ausbilden.
  • Wie in 6 erkennbar tragen jedenfalls die zweiten Gehäusesegmente 401.2, 402.2 einen Stromrichter, nämlich hier den ersten bzw. zweiten Stromrichter. Dies sind im Rahmen der oben erläuterten beispielhaften Ausführungsform vor allem zur Bildung eines Frequenzumrichter im Rahmen der Stromrichteranordnung ausgeführt und/oder zur Bildung eines Frequenzumrichters, um einen lastengesteuerten Wechselstrom für eine Statorspule 13, 23 zur Verfügung zu stellen. Insofern ist die hier dargestellte Stromrichteranordnung 150 zur bevorzugten Bildung eines Frequenzumrichters ausgebildet, um die Statorspulen 13, 23 mit einem passend gesteuerten Wechselstrom zu betreiben zur Darstellung eines variablen Drehmomentenübertrags im Falle eines elektrischen Betriebs bzw. zur Darstellung von Gleichrichtern im Falle eines Rekuperations- oder Retarderbetriebs. Im vorliegenden Fall ist eine Hochspannungsleitungsführung 51, 61 in Anbau an dem zweiten Gehäusesegment 401.2, 402.2 gebildet zur Verbindung mit den Statorspulen 13, 23 zum ersten, zweiten Stromrichter 50, 60. Des Weiteren ist eine Kühl- und Schmiermittelführung 52, 62 innerhalb der Welle 111 zum Rotor 11, 21 realisiert. Insgesamt ist, wie hier beispielhaft gezeigt, eine Leistungselektronik 150, eine entsprechende Strom- und Spannungsführung 160, eine Kühl- und Schmiermittelführung 170 und dies mit geeigneter Abschirmung und Thermomanagement zur Vermeidung von EMV und übermäßiger thermischer Belastung der Bereiche außerhalb eines Gehäuses 400 mit dem hier beispielhaft gezeigten modularen Prinzip möglich.
  • 7 zeigt eine weitere Ausbaustufe eines elektro-mechanischen Hybridantriebs 1 mit einem Gehäuse 400, das wiederum modular aufgebaut ist mit einem ersten Gehäusemodul 401 und einem zweiten Gehäusemodul 402; diese wiederum mit ersten und zweiten Segmenten 401.1, 401.2 bzw. 402.1, 402.2. Die ersten Gehäusesegmente 401.1 402.1 sind wiederum zur Aufnahme eines Umlaufgetriebes 136, 137, nämlich einem Abgangs- und einem Eingangsgetriebe, ausgebildet während die zweiten Gehäusesegmente 401.2, 402.2 zur Aufnahme der ersten bzw. zweiten Elektromaschine 10, 20 ausgebildet sind. Auch hier überträgt im Antriebsfall beim Umlaufgetriebe 136 das Sonnenrad 130S per Stegplatte 130W auf den Abtrieb; ggfs. unter Aufsummation von Antriebsleistung aus der zweiten Elektromaschine vom Hohlrad 130H auf die Stegplatte 130W. Die Übersetzung des Abgangsumlaufgetriebes 136 liegt vorliegend bei SÜ = 4 (Übersetzung); hier ist das Umlaufgetriebe 136 als Kombination eines ersten und zweiten gekoppelten Umlaufgetriebes 136.1, 136.2 aufgebaut, um eine Drehmomentumkehr zu erreichen; d. h. mit jeweils einem ersten und zweiten Sonnenrad 130S.1 130.2, Satz Planetenräder 130P.1, 130P.2, Hohlrad 130H.1, 130H.2 und Stegwelle 130W.1, 130W.2. Das Abgangsumlaufgetriebe 136 kann jedoch auch einfach, ohne Drehmomentumkehr ausgeführt sein; i.e. ähnlich wie in 6 und wie im Detail X der 5 bezeichnet mit einem Sonnenrad 130S, einem Satz Planetenräder 130P, einem Hohlrad 130H und einer Stegwelle 130W.
  • Im Rekuperationsfall überträgt beim Umlaufgetriebe 137 – da nicht im einzelnen bezeichnet, eine Stegplatte 130W per dem Sonnenrad 130S Rekuperationsleistung auf das Schwungrad 31; und dazu ggfs. unter Aufsummation von Antriebsleistung aus der ersten Elektromaschine vom Hohlrad 130H auf die Stegplatte 130W und/oder das Sonnenrad 130S. Die Übersetzung des Eingangsumlaufgetriebes 137 liegt bei SÜ = 0,22 (Untersetzung). Bei der in 6 dargestellten Ausführungsform fehlte zum Einen die Eingangsuntersetzung Zugunsten des Leerraums 135 und das Abgangsübersetzungsgetriebe 131 war lediglich einstufig, aber ebenfalls mit einer Übersetzung SÜ = 4 ausgeführt.
  • Insgesamt wird eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung erreicht, da bei der Rekuperation und beim Antrieb die Einbringung des Schwungrades verlustreiche Energiewandlung umgehbar macht. Umgekehrt wird ein jedenfalls teilweises Aufsummieren von elektrisch gespeicherter Energie für eine stufenloses Antreiben des Abtriebs und drehzahlgenau für das Schwungrad nutzbar gemacht.
  • In dieser Vollausbaustufe erfolgt nach dem Schwungrad 31 des Schwungmassenspeichers 30 eine Drehzahlhochsetzung gemäß SÜ = 0,22 zum optionalen Betrieb der ersten Elektromaschine 10 als Generator (etwa gemäß 2B) oder optional als Motor (etwa gemäß 3A), insbesondere zum Zwischenspeichern von Energie und entsprechenden Aufladen des mechanischen Schwungmassenspeichers 30. Anschließend kann die Welle 111 optional in einen ersten und zweiten Teil 111.1, 111.2 entkoppelt werden an der Lamellenkopplung 134. Das Weiteren ermöglicht das Abgangsgetriebe neben geeigneter Übersetzung auch einen Schaltbetrieb je nach Schaltung der ersten und zweiten Schaltstufe 136.1, 136.2 des Umlaufgetriebes 136.
  • Eine Begrenzung eines Schwungmassenspeichers kann sich insbesondere bei mobilen Anwendungen dadurch ergeben, dass Kreiselquerkräfte entstehen, wenn ein Schwungrad etwa nach der Art eines Schwungrads 31 mit zu hohem Energiepotenzial aufgeladen ist. Die in 8 dargestellte Ausführungsform bietet eine vergleichsweise einfachen Lösungszugang mittels einem gegenläufigen Schwungrad 31, d. h. einem Schwungrad 31 bei dem ein gegenläufiges Schwungrad 31.2 mit gleichem Trägheitsmoment wie das Hauptschwungrad 31.1 und gegenläufiger Drehzahl verwendet wird. Das Gesamtgewicht ändert sich dabei nicht. 8 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Schwungmassenspeichers 30, die sich insofern für jeden der zuvor erläuterten mechanischen Energiespeicher eignet. Ein Schwungrad 31 des Schwungmassenspeichers 30 ist vorliegend als gegenläufiges Schwungrad ausgeführt, nämlich mit einem Hauptschwungrad 31.1 und einem Gegenschwungrad 31.2, die über eine Anzahl von Umkehrrädern 31.3, 31.4 im umgekehrter Richtung angetrieben werden. Die Richtungsumkehr wird vorliegend erreicht über einen Riemenantrieb 33 mit einem nicht verschränkten Zahnriemen 31.1 zum Umkehrrad 31.3 und einem verschränkten Zahnriemen 33.2 zum Umkehrrad 31.4. Wegen der Zahnriemenschränkung ist das Lager 31.6 des Umkehrrades 31.4 im Unterschied zum Lager 31.5 des Umkehrrades 31.3 flexibel, taumelnd ausgeführt, d. h. vor allem in einem Winkel gegen die Strebe 31.7 gestellt.
  • Ein Schwungrad bildet eine Ergänzung des elektromechanischen Hybridantriebs, der diesen jedoch für ein Hochspeicherpotenzial und eine schnelle Reaktionsfähigkeit auf Beschleunigungs- und Bremsvorgänge zur Rekuperation und Bereitstellung von Energie befähigt. Zyklische Beschleunigungs- und Verzögerungsbetriebe machen diese Forderung umso wichtiger, weil dort sehr hohe Leistungen in sehr kurzer Zeit gespeichert oder abgerufen werden. Lithium-Ionen-Batterien können dies noch nicht leisten, es sei denn, es werden sehr viele Speicher parallel betrieben. Dies ist aus Kosten-, und Bauvolumen und Gewichtsgründen jedoch nur bedingt möglich. Weiterhin wird der Einsatz von Lithium-Ionen-Speicher durch die möglichen Lade- und Entladezyklen limitiert; auch sind Sicherheitsaspekte relevant. Li-lonen-Speicher besitzen zwar den Vorteil, dass sie die heute in der Praxis eingeführte Technologie mit der höchsten Leistungsdichte ist. Tiefentladungseffekte wie bei herkömmlichen Metallhydrid-Akkumulatoren sind unbekannt. Für den Einsatz bei der Bahn oder der Marine haben sie den Vorteil, dass sie Energie lange speichern können. Dadurch sind lautlos Fahrten und Manövriereinsätze mit geringerer Antriebsleistung möglich. Auch die Aufladung der Speicher für eine spätere lautlose Stromversorgung (Hotel Schiffe) ist möglich. Die Li-Ionen Speicher und ihre Varianten haben heute aber immer noch den Nachteil, dass sie nicht schnell genug lad- und entladbar sind. Grund hierfür ist der relativ hohe Zelleninnenwiderstand. Dadurch entstehen gleich drei Probleme in der Praxis, nämlich der mögliche Ladestrom ist begrenzt, die Aufheizung des Speichers ist groß und schlechter Wirkungsgrad.
  • Hingegen bietet der Schwungradspeicher eine vergleichsweise einfache Möglichkeit, Leistungsspitzen aufzunehmen und abzugeben. Kosten und Anbau am elektromechanischen Hybridantrieb lassen den Schwungradspeicher als sinnvolle Ergänzung zum elektrischen Energiespeicher erscheinen. Demzufolge wird hier ein elektromechanischer Energiespeicher 120 mit einem elektrischen Speicher 42 und einem Schwungmassenspeicher 30 bevorzugt. Eventuelle Gewichtsanteile eines Schwungmassenspeichers werden zum Einen energetisch kompensiert und zum Anderen im Rahmen von Großmotorenstütz Lagerauslegung berücksichtig. Gyrometrische Kräfte können auch mit der Lagerausrichtung berücksichtigt werden. Problematisch kann das Auftreten von Querkräften von je nach Einbau und Betriebseinsatz durch gyrometrisch Kräfte sein. Eine Möglichkeit die Kreiselkräfte zu eliminieren, ist ein auf der gleichen Welle angebautes gegenläufiges Schwungrad wie dies in 8 gezeigt ist. Beispielsweise kann ein zunächst berechnetes Schwungrad halbiert werden und beide Hälften auf einer Achse betrieben werden. Das Hauptschwungrad 31.1, das fest an das Eingangsgetriebe 137 des Hybridantriebsstrangs 100 gekoppelt ist, treibt durch eine einfache Riemenumlenkvorrichtung des Riemenantriebs 33 das Gegenschwungrad in entgegengesetzter Drehrichtung an. Die Riemenumlenkvorrichtung ist wartungsfrei und vergleichsweise leise. Die hohen Umdrehungsdrehzahlen bis zu 10000 U/min sind durch entsprechende Fasergewebe in dem Antriebsriemen noch darstellbar. Die Schwankung des Riemens macht es erforderlich am Umkehrrad eine Riemenscheibe mit dynamisch verstellbarem Winkel (Neigung zur Achse konstant) zu haben.
  • Zur Systemsicherheit und zum Schutz der Batterien vor Überspannung ist eine Ableitung der Gleichströme im Zwischenkreis 41 erforderlich. Besonders bei Bremsvorgängen, bei denen die Akkus bzw. der Schwungradspeicher schon geladen ist, muss die Bremsenergie vernichtet werden. Dies geschieht durch einen Chopperwiderstand und einem Choppertransistor im Retardersystem 42. Auch können ölgekühlte Chopperwiderstände vorgesehen sein, die eine kurzzeitige Verlustleistung von 400 kW vernichten können und dabei sehr klein bauen. Aufgrund der hohen Zwischenkreisspannung von bis zu 600 V sind sie aus Isolationsgründen ebenfalls mit Transformatorenöl zu kühlen. Wegen der hohen Bremsleistung (ca. 400 kW) über 60 s. wird über einen zweiten Wärmetauscher zu diesem, an das Dieselmotor-Kühlwassersystem gekoppelt. Ein Chopper-Transistormodul kann beispielsweise aufgrund seiner anfallenden Verlustleistung ebenfalls im Umrichtergehäuse gekühlt werden. Der Hochstrompfad kann ggfs. mit einer kleinen Induktivität versehen werden, um bei einem Ausfall der Umrichterelektronik selbst taktend die Chopperfunktion darzustellen. 9 zeigt unter Weiterbildung des in 1 gezeigten Ausführungsform einen elektromechanischen Hybridantrieb 1 bei einem Fahrzeug 1000, dessen Kühlsystem 1200 zweistufig aufgebaut ist; nämlich mit einem Hochtemperaturkühlsystem 1210 und einem Niedertemperaturkühlsystem 1220. Das Hochtemperaturkühlsystem 1210 ist zur Kühlung der Brennkraftmaschine 200 und des Retardersystems 42 (beispielsweise einen oder mehrere Chopper mit Widerständen oder Transformatoren) ausgelegt. Das Retardersystem 42 kann dazu eine oder mehrere Heizwiderstände oder Transformatoren in Isolationsöl oder dergleichen Kühlmittel aufweisen. Dementsprechend weist das Hochtemperaturkühlsystem einen Vorlauf 1210BV zur Brennkraftmaschine 200 und einen Rücklauf 1210BR von der Brennkraftmaschine 200 zu einem Wärmetauscher auf; dies ggfs. unter Steuerung mit einer Kühlungssteuerung. Das Hochtemperaturkühlsystem weist weiter einen Vorlauf 1210RV zum Retardersystem 42 und einen Rücklauf 1210RR vom Retardersystem 42 auf.
  • Wärmetauscher oder Abwärmeelemente des Hochtemperaturkühlsystems mit einem Vorlauf von beispielsweise 85 °C können gekoppelt sein an Wärmetauscher und/oder Abwärmeelemente des Niedertemperaturkühlsystems 1220; letzteres kann einen Vorlauf 1220V von beispielsweise 45 °C aufweisen und weist darüber hinaus einen Rücklauf 1220R bei höherer Temperatur auf.
  • Gekühlt werden über den Vorlauf 1220V und den Rücklauf 1220R des Niedertemperaturkühlsystems 1220 unter anderem eine erste Elektromaschine 10 und eine zweite Elektromaschine 20, nämlich dort insbesondere – wie in 7 dargestellt, über die Welle 111 oder das Gehäuse 400 – ein Rotor 11, 21 und/oder Stator 12, 22 derselben, insbesondere Permanentmagnete, Spulen oder dergleichen Elemente der Elektromaschinen 10, 20. Dem entsprechende Vorlaufanschlüsse V10, V20 an einen Vorlauf 1220V und Rücklaufanschlüsse R10, R20 sind an einem Rücklauf 1220R des Niedertemperaturkühlsystems angeschlossen. Gekühlt über den Niedertemperaturkreislauf werden auch der erste und zweite Stromrichter 50, 60. Entsprechend sind Vorlaufanschlüsse V50, V60 und Rücklaufanschlüsse R50, R60 an den Stromrichtern 50, 60 vorgesehen und die Vorlaufanschlüsse V50, V60 sind mit dem Vorlauf 1220V und die Rücklaufanschlüsse R50, R60 sind mit dem Rücklauf 1220R verbunden. Weiterhin angeschlossen ist der elektrische Energiespeicher 40, der hier in Form einer Anordnung von Batterien, beispielsweise einem Batteriepack oder Batteriestapel, gebildet ist; in einer Abwandlung kann auch eine Kondensatoranordnung, eine Kondensatorbank oder dergleichen sogenannte Supercaps vorgesehen sein. Der elektrische Energiespeicher 40 ist über einen Vorlaufanschluss V40 an den Vorlauf 1220V und Rücklaufanschluss R40 an den Rücklauf 1220R des Niedertemperaturkühlkreislauf 1220 angeschlossen.
  • Steuerkomponenten wie eine Fahrzeugsteuereinheit ECU oder eine Multihybridsteuerung MHC, hier mit 1100 bezeichnet, ist ebenfalls über einen Vorlaufanschluss V1100 an einen Vorlauf 1220V und einen Rücklaufanschluss R1100 an einen Rücklauf 1220R des Niedertemperaturkühlsystems 1220 angeschlossen. Im Ergebnis kann vorteilhaft das Niedertemperaturkühlsystem 1220 zur Kühlung der Leistungselektronik und optional auch des elektrischen Energiespeichers 40 und/oder des Retardersystem 42 ausgelegt sein. Ggfs. kann, wie in der Ausführungsform der 9 dargestellt, das Retardersystem aufgrund des höheren Kühlungsbedarfs an einem Hochtemperaturkühlsystem 1210 zusammen mit der Brennkraftmaschine 200 angeschlossen sein.
  • 10 und 11 zeigen weitere Ausführungsbeispiele im Rahmen der modularen Auslegung des elektromechanischen Hybridantriebs 1. Während die Ausführungsform der 7 eher einer Vollausbaustufe eines elektromechanischen Hybridantriebs 1 zeigt, so ist 10 und 11 als Basis einer Ausbaustufe zu verstehen, die gleichwohl innerhalb des modularen Gehäuseaufbaus realisiert werden kann.
  • Die in 10 dargestellte Ausführungsform zeigt einen elektromechanischen Hybridantrieb 1 ohne internes Getriebe, d. h. mit einer Brennkraftmaschine 200 und einen Hybridantriebsstrang 100 in einem modularen Gehäuse 400. Das modulare Gehäuse 400 ist aufgebaut mit einem ersten Gehäusesegment 400.1 unter Aufnahme eines Leerraums bzw. einem Teil einer Kupplung 134, die hier als Doppel-Kupplung gebildet ist, und ist als Kappensegment ausgebildet. Das zweite Gehäusesegment 400.2 ist ebenfalls als Kappensegment ausgebildet zur Aufnahme eines Leerraums ohne Kupplung. Das dritte zwischen den Kappensegmenten angeordnete Gehäusesegment 400.3 – entsprechend im wesentlichen den zuvor erläuterten zweiten Gehäusesegmenten 401.2, 402.2 – nimmt eine Elektromaschine 20 auf, die nach der Art einer zweiten Elektromaschine im Hybridantriebsstrang 100 eingebunden ist. Entsprechend trägt das dritte Gehäusesegment 400.3 einen Stromrichter 60 mittels dem aus einem hier nicht gezeigten elektrischen Energiespeicher 40 unter Wechselrichtung des Gleichstroms, die Elektromaschine 20 betrieben werden bzw. bei Betrieb der Elektromaschine 20 als Generator unter Gleichrichtung Energie in elektrischen Speicher 40 rekuperiert werden kann. Die Gehäusekappen, d. h. das erste und zweite Gehäusesegment 401.2, 402.2 bei 10, haben – wie die oben erläuterten Gehäusekappen der 6 und 7 auch – angeformte Lagerschalen 410, 420, in denen Lager L410, L420 als Eingangs- und Ausgangslager für die Welle 111 angeordnet sind. Darüber hinaus ist die Welle 111 mit ihrem ersten Teil 111.1 an der Kupplung 134 gelagert und mit ihrem zweiten Teil 111.2 an der Kupplung 134 sowie an Ein- und Ausgangslagern L21, L22 der Elektromaschine gelagert.
  • Die Gehäusesegmente sind über Dichtungen D1, D2, beispielsweise Ringdichtungen zwischen den Flanschen 413, 414, 415, 416 gegeneinander abgedichtet, sodass das gesamte Gehäuse 400 in geeigneter Weise versiegelt oder gekapselt werden kann, ggfs. auch luftdicht oder flüssigkeitsdicht oder gegen Staubeintrag. Die Kühlung und Schmierung aller Hybridantriebsstrangkomponenten mit hoch isolierenden Transformatorenöl bietet eine besonders vorteilhafte Absicherung der wichtigsten Grundfunktionen. Hauptverlustleistungsanteile sind im Abgang des Planetengetriebes, im Eingang des Planetengetriebes, bei den Kupplungen, bei den Lagern, beim Rotor, Stator der Elektromaschine 10, 20 und bei den Umrichtern 50, 60. Damit sind die Lager durch entsprechende Gestaltung und Ausführung der Ölführungskanäle im Alugehäuse zu schmieren. Die Schmierung der Rotoren erfolgt durch Ölführung in den Rotoren. Durch die radiale Ausbildung der Ölkanäle im Rotor erreicht man eine integrierte Ölspülung durch die auftretenden Zentrifugalkräfte.
  • Für das Gesamtsystem ist eine Ölpumpe bevorzugt, die im Ansaugrohr des Hybridantriebsstrangs sitzen kann und die Lager, die Statoren der Generatormotoren, die Traktionsumrichter und den Ansaugbereich der Rotorsaugkanäle unter Druck mit Kühlöl versorgt. Da das Antriebsstrang-Gehäuse geschlossen ist, wird das angesaugte Öl auch wieder aus dem Gehäuse 400 gedrückt. Es entsteht ein Ölkreislauf zum Ölluftwärmetauscher. Der gesamte Ölkreislauf sollte geschlossen sein. Ein Austausch mit Luft ist nicht zulässig, da das Transformatorenöl hydrostatische Eigenschaften hat und mit der Zeit, Wasser aufnehmen würde. Dies hätte eine Stromleitung zur Folge, das wiederum die Isolationseigenschaften beeinflusst. Je nach Einsatzumgebung muss ggfs. ein Hydrofilter installiert werden.
  • 11 zeigt eine auf die Ausführungsform der 10 aufbauende Ausführungsform mit internem Getriebe als Umlaufgetriebe 131 statt des Leerraums 135, das als Abgangsgetriebe ähnlich dem des in 6 erläuterten Getriebe funktioniert. Das Umlaufgetriebe 131 bildet zusammen mit der Kupplung 134 insofern Teile einer Getriebeanordnung 130 der 6, wobei vorliegend lediglich eine Elektromaschine 20 in ihrer funktionalen Einbindung ähnlich der Elektromaschine 20 der 6 vorgesehen ist. Die Ausführungsformen der 6, 10, 11 können optional auch mit einer hier nicht gezeigten Schwungmasse zur Ausbildung eines mechanischen Schwungmassenspeichers auf der Antriebswelle 211 versehen werden, dann mit entsprechender Ausbildung einer Kupplung 210 zur Brennkraftmaschine 200.
  • Wie insbesondere aus 6, 7 und 10, 11 ersichtlich ist, können permanent synchrone Elektromotoren, wie die zuvor beschriebenen, im Gehäuse eingebaut und somit von diesem geführt und abgestützt werden. Diesbezüglich können Wandungen Lageraufnahmen und Gehäuseabstützungen ausgelegt sein. Stator und Rotor sind für ein gleiches thermisches Ausdehnungsverhalten ausgelegt und insofern weitgehend aus gleichem Material und Material mit thermisch gleichem Ausdehnungsverhalten ausgebildet. Zur Festlegung der Motor/Generator Parameter, Drehmoment und Leistung, ist ein Luftspalt zwischen Stator und Rotor ausgelegt, Unterschiede im thermischen Ausdehnungsverhalten können hier geringfügig toleriert werden. Durch die radiale Ausbildung von Ölkanälen im Rotor, wie vorliegend im Rotor 11, 21 ausgehend von der Welle 111, erreicht man eine integrierte Ölspülung durch Zentrifugalkräfte; z.B. wie in 6, 7 und 10, 11 gezeigt.
  • Statorverluste setzen sich zusammen aus Kupferwiderstandsverlusten und Magnetisierungsverlusten von Statorblechen. Rotorverluste ergeben sich aus dem Magnetisierungsverlusten der Eisenbleche im Rotor. Gerade bei Hybridsynchronmotoren ist eine frühe, bei geringen Drehzahlen durchzuführende Gegenerregung des Rotorkerns erforderlich und so eine Luftkühlung nicht gegeben. Der Rotor darf sich auch bei Drehzahlen von 3000 rpm und durch auftretende Fliehkräfte nicht verformen. Die gleichen Anforderungen gelten auch für die Mittigkeit der Rotoraufnahmelager, die gegen den Stator abgestützt sind. Da sich der Stator – jedenfalls aus Gewichtsgründen nicht bevorzugt – nicht beliebig aus Stahl ausbilden lässt, sollte das Gehäuse mit zur Stabilität beitragen. Zwischen dem Stahl-Stator und dem Alu-Gehäuse muss aus Gründen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen ein komprimierbares Mantelmaterial eingefügt werden. Der Stator wird mit axialen Ölkanälen versehen. Hiermit werden vor allem die Kupferwärmeverluste abgeführt. Die Rotorkühlung wird wie beschrieben, umgesetzt.
  • Die Traktionsumrichter werden wie beschrieben als Stromrichter 10, 20 am Gehäuse angebracht. Die geschaltete Betriebsleistung kann beispielsweise bei 200 kW liegen, eine Verlustleistung von ca. 3 kW ist möglich. Die Endstufe des Umrichters kann von der Hybridantriebsstrang-Ölführung mit gekühlt werden. Eine Umrichterkühlung kann am Boden der Umrichter an eine Kühlplatte erfolgen, die ebenfalls mit Kühlöl des Hybridantriebsstrangs 100 durchströmt wird. Die Leistungsmodule der Umrichter sind auf der Kühlplatte elektrisch isoliert montiert.
  • Grundsätzlich lässt sich ein Umrichter, der sich aus den zwei Stromrichtern zusammensetzt, in vier Quadranten betreiben, nämlich
    • – Quadrant I: Beschleunigen bei Drehzahl +n und Motormoment +M,
    • – Quadrant II: Bremsen mit gegenläufigen Moment –M und Drehzahl +n,
    • – Quadrant III: Beschleunigen mit Moment –M und Drehzahl –n sowie
    • – Quadrant IV: Bremsen mit Drehzahl –n und Moment +M.
  • Die Umrichter bieten also die Modi einer Drehzahlregelung und/oder alternativ Drehmomentenregelung an. Je nach Systembetriebsart können die Modi von der Multihybridsteuerung 1100 umgeschaltet werden. Hauptsächlich wird die Drehzahlregelung zum Abgleichen einer Elektromaschinendrehzahl zur verschleißfreien Betätigung von Kupplungen verwendet. Im eingekuppelten Betrieb, dies gilt insbesondere für den drei Wellenbetrieb der Umlaufgetriebe, wird im Drehmomentmodus gefahren. Ein Traktionsumrichter oder Inverter benötigt für einen Vier-Quadrantenbetrieb eine Leistungsendstufe, die bevorzugt auf 1200 V und 400 A ausgelegt sein kann. Für kleinere Anwendungen des Umrichters kann die Endstufe austauschbar gestaltet werden. Die optimale Tastfrequenz eines Umrichters liegt bei einigen kHz. Zur Steuerung eines hybridsynchronen Motors (HSM), insbesondere in Form eines permanent synchronen Motors (PSM), ist eine schnelle Messung der Drei-Phasenströme sinnvoll. Dies erreicht man durch drei Strommessspulen (rechnerisch würden zwei Messspulen genügen, um den Strom des dritten Pfades zu ermitteln; aus Gründen der Fehlerdetektierung wird jedoch der dritte Pfad ausgebildet). Der Controller 1100 benötigt zur Drehvorgabe die genaue Position des Rotors zum Stator. Das kann beispielsweise mittels eines Magnetpulsgebers umgesetzt werden, der an einem Zahnrad oder einem Adapterring auf der Welle adaptiert ist.
  • Einen besonderen Stellenwert nimmt die Störabstrahlung des Systems ein. Die Umrichter werden mit 7 KHz Schaltfrequenz betrieben. Dabei fließen die Schaltströme dauernd aus unterschiedlichen IGBT Transistoren des Ausgangsmoduls. Die Ströme in den um 120° versetzten Spulen ändern sich dabei sinusförmig mit der Frequenz der Motordrehzahl. Schlimmer für die Abstrahlung sind jedoch die 600V Spannungssprunge an den Spulen die bei der 7 kHz Taktung entstehen. Da die Schaltflanken aus Gründen der Verlustleistungsminimierung extrem kurz sind (ns-Bereich) entstehen nach Fourier sehr hohe Frequenzen mit einer hohen Leistungsdichte. Gerade hohe Störfrequenzen haben die Eigenschaften, dass sie sich energetisch vom Leiter ablösen und durch elektromagnetische Wellen durch den Raum strahlen. Im Besonderen sind Leitungslängen von Lambda oder Lambda/4 betroffen, sie wirken regelrecht als Abstrahlantennen. Die Beherrschung dieses Problems ist nur teilweise durch gezielte Transistorschaltung (Soft Swing) als auch Entstörmittel möglich. Abschirmungen der Leiter sind zugleich Parasitärkapazitaten gegen Erde und erhöhen den Erdstrom, was wiederum andere Geräte erheblich stören kann. Filterung der Leiterströme bedeutet auf Grund der hohen Ströme, dass voluminöse und teure Filter eingesetzt werden müssen. Durch den vorliegenden Anbau der Inverter 10, 20 am Gehäuse 400 des Hybridantriebstranges 100 kann man die Spulenleiter sehr kurz und innerhalb des Gehäuses 400 führen. Eine Störabstrahlung nach außen ist nicht zu erwarten.
  • Elektrische Störstrahlung aus dem Zwischenkreis 41 aufgrund der wechselnden Spannungs- und Stromverläufen zwischen den beiden Umrichtern (ca. 500A) können auftreten. Deshalb hat es sich als vorteilhaft erwiesen eine Verbindung des Zwischenkreises 41 zwischen den Stromrichtern 50, 60 ebenfalls im Gehäuse 400 als Kupferschiene zu führen; diese kann beispielsweise modular pro Gehäusemodul und/oder Gehäusesegment verbaut sein. Es ist zu erwarten, dass ein Teil der Schaltstörungen aufgekoppelt ist. Zur Dämpfung werden in der Regel entsprechende Zwischenkreiskondensatoren eingesetzt. Die Speisung der Batteriespeicher des elektrischen Speichers 40 erfolgt durch die Zuführung von Gleichstrom und Gleichspannung an den Zwischenkreis 41 der Inverter 50, 60. Da diese beiden Leitungen relativ weit zu den Speichern geführt werden müssen, wird ggf. am Gehäuse 400 ein Filter eingesetzt.
  • Elektronikgeräte, wie die MHC 1100 oder die ECU des Dieselmotors sind besonders gegen elektrische Störungen von außen zu schützen. Die Geräte können beschädigt werden (Burst Pulse; Load Dump; Search Pulse ...) oder durch Einstrahlung von HF-Strahlung einfach ihre Funktion nicht richtig ausführen. Dabei ist nicht die Elektronikhardware selbst betroffen, da sie in der Regel in Strahlung dämpfenden Gehäusen eingebaut ist. Das Hauptproblem bilden die Verdrahtungsleitungen zu Sensoren und Aktoren, die wie Antennen wirken können. Auch diese können durch geeignete Filter und Abschirmung geschützt werden, die bevorzugt am Gehäuse 400 verbaut sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007033575 A1 [0004]

Claims (18)

  1. Elektro-mechanischer Hybridantrieb (1), insbesondere für ein Nutzfahrzeug zum Personen und/oder Gütertransport, vorzugsweise ein Landkraftfahrzeug, Wasserfahrzeug, Bahnfahrzeug oder dergleichen Fahrzeug (1000), mit einem Hybrid-Antriebsstrang, aufweisend: – eine Brennkraftmaschine (200), insbesondere mit einem Dieselmotor, zur Ankupplung an eine Welle (100) und mit einem stufenlos betreibbaren Hybrid-Antriebsstrang, aufweisend: – eine Elektromaschinen-Anordnung zur Ankupplung an die Welle, die als Generator/Elektromotor ausgebildet ist und zum Laden eines Energiespeichers und zum Entladen des Energiespeichers nutzbar ist, – eine Getriebeanordnung, wobei die Brennkraftmaschine und/oder die Elektromaschinen-Anordnung zur Bereitstellung von Antriebsleistung für das Fahrzeug und/oder den Energiespeicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (400) modular aufgebaut ist mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Gehäusemodul (401, 402), insbesondere wobei ein erstes und ein zweites Gehäusemodul bzw. Gehäuse-Segment (401.i, 402.i) über eine Stirnseite zur Bildung des Gehäuses in Achsrichtung der Welle aneinander geflanscht sind, wobei eines des ersten oder zweiten Gehäusemoduls ein Elektromaschinen-Gehäusemodul ist, das eine Elektromaschine aufweist und einen Stromrichter (50, 60) einer Stromrichteranordnung trägt.
  2. Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Elektromaschinen-Gehäusemodul und/oder die Welle und/oder ein Gleichstromzwischenkreis eine EMV-Abschirmung aufweist.
  3. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Elektromaschinen-Gehäusemodul einen An- und/oder Einbau von Spulenleitern zwischen einer Elektromaschine und einem Stromrichter aufweist und/oder eine EMV-Abschirmung und/oder ein elektrisches Filter aufweist.
  4. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Elektromaschinen-Gehäusemodul eine erste Kühl- und/oder Schmierstrecke aufweist, die einen Stator und/oder Rotor der Elektromaschine kühlt und/oder schmiert.
  5. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle eine zweite Kühl- und/oder Schmierstrecke aufweist, die einen Rotor und/oder Stator der Elektromaschine kühlt und/oder schmiert.
  6. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeanordnung wenigstens ein Getriebe aufweist, das in einem Gehäuse mit der Elektromaschinen-Anordnung untergebracht ist, insbesondere wobei das wenigstens ein, vorzugsweise zwei, Getriebe der Getriebeanordnung als ein Umlaufgetriebe (131) gebildet ist, insbesondere jeweils mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad und einer Anzahl von Planetenrädern und einer Stegplatte gebildet ist, insbesondere das Umlaufgetriebe als ein Summationsgetriebe gebildet ist, vorzugsweise zur Summation von Antriebs- und /oder Rekuperationsleistung in einem Umlaufgetriebe (131), – mittels der Welle über ein Sonnenrad und/oder eine Stegplatte des Umlaufgetriebes Antriebsleistung an einen Abtrieb und/oder Rekuperationsleistung an den Schwungmassenspeicher übertragbar ist, und – mittels der Elektromaschinen-Anordnung über ein Hohlrad des Umlaufgetriebes zusätzliche Antriebs- oder Rekuperationsleistung an die Stegplatte und/oder das Sonnenrad übertragbar ist.
  7. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein anderes des ersten oder zweiten Gehäusemoduls ein Getriebe und/oder einen Leerraum aufweist.
  8. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschinen-Anordnung eine erste Elektromaschine und/oder eine zweite Elektromaschine aufweist, insbesondere wobei ein erster und/oder ein zweiter Stromrichter im Vier-Quadrantenbetrieb betreibbar ist.
  9. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher als ein elektro-mechanischer Hybrid-Energiespeicher mit einem Schwungmassenspeicher und/oder einem elektrischen Speicher ausgebildet ist.
  10. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Stromrichteranordnung einen ersten Stromrichter (50), der der ersten Elektromaschine (10) und/oder einen zweiten Stromrichter (60), der der zweiten Elektromaschine (20) zugeordnet ist, aufweist, wobei der erste und/oder der zweite Stromrichter über einen Gleichstromzwischenkreis (41) verbunden, insbesondere optional an den elektrischen Speicher ankoppelbar sind, insbesondere wobei eine direkt Verbindung des Gleichstromzwischenkreises zwischen dem ersten und zweiten Stromrichter am Gehäuse an- oder eingebaut ist.
  11. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichteranordnung einen Frequenzumrichter ausbildet und/oder die erste Elektromaschine und die zweite Elektromaschine jeweils in Form eines permanent erregten Synchronmotors gebildet ist.
  12. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäusemodul und/oder in einem Gehäuse-Segment jeweils, insbesondere nur, eine der funktionalen Einheiten: Getriebe, Kupplung, Elektromaschine, Schwungmassenspeicher und/oder Leerraum, aufweist, insbesondere das Getriebe in einem Getriebe-Gehäusemodul bzw. Getriebe- Gehäusesegment und/oder die Elektromaschine in einem Elektromaschinen-Gehäusemodul bzw. Elektromaschinen-Gehäusesegment und/oder der Schwungmassenspeicher in einem Schwungmassen-Gehäusemodul bzw. Schwungmassenspeicher-Gehäusesegment untergebracht ist.
  13. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Getriebe-Gehäusemodul bzw. Getriebe-Gehäusesegment und mindestens ein Elektromaschinen-Gehäusemodul bzw. Elektromaschinen-Gehäusesegment zur Bildung einer Kompakteinheit des Antriebstranges an einer Stirnseite in Achsrichtung aneinander geflanscht sind, insbesondere der Antriebstrang mit einer ersten und zweiten gespiegelt gegeneinander gesetzten Kompakteinheit aufgebaut ist.
  14. Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Speicher mit einem Kondensator und/oder einer Batterie ausgebildet ist und/oder ein Retardersystem mit einem Heizwiderstand und/oder einem Transformator gebildet ist, insbesondere das Retardersystem an einem Kühlkreislauf angeschlossen ist.
  15. Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug zum Personen und/oder Gütertransport, wie ein Landkraftfahrzeug, Wasserfahrzeug, Bahnfahrzeug oder dergleichen Fahrzeug, mit einem elektro-mechanischen Hybridantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und mit wenigstens einer Antriebsachse, insbesondere wobei eine Abtriebswelle zwischen Hybridantrieb und der Antriebsachse getriebelos ist.
  16. Verfahren zum Betrieb eines elektro-mechanischen Hybridantriebs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend die Schritte: – Ankuppeln einer Brennkraftmaschine (200), insbesondere mit einem Dieselmotor, an eine Welle und, – Ankuppeln einer Elektromaschinen-Anordnung an die Welle (111), die als Generator/Elektromotor ausgebildet ist und zum Laden eines Energiespeichers und zum Entladen des Energiespeichers nutzbar ist, wobei insbesondere – die Elektromaschinen-Anordnung eine erste Elektromaschine (10) und eine zweite Elektromaschine (20) aufweist, und – der Energiespeicher als ein elektro-mechanischer Hybrid-Energiespeicher mit einem Schwungmassenspeicher (30) und optional einem elektrischen Speicher (40) ausgebildet ist, und – die Brennkraftmaschine und/oder die Elektromaschinen-Anordnung Antriebsleistung für das Fahrzeug (1000) und/oder für den Energiespeicher bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (400) modular aufgebaut ist mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Gehäusemodul (401, 402), insbesondere wobei ein erstes und ein zweites Gehäusemodul bzw. Gehäuse-Segment (401.i, 402.i) über eine Stirnseite zur Bildung des Gehäuses in Achsrichtung der Welle aneinander geflanscht sind, wobei eines des ersten oder zweiten Gehäusemoduls ein Elektromaschinen-Gehäusemodul ist, das eine Elektromaschine aufweist und einen Stromrichter (50, 60) einer Stromrichteranordnung trägt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Hybrid-Antriebsstrang mit der Welle (111) stufenlos betreibbar ist und – die Getriebeanordnung (130) wenigstens ein Getriebe aufweist, das in einem Gehäuse (400) mit der Elektromaschinen-Anordnung untergebracht ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe zur Summation von Antriebs- und /oder Rekuperationsleistung (T1, T2, TR) als ein Umlaufgetriebe (131) an der Welle (111) betrieben wird zur schaltungsfreien Beschleunigung des Fahrzeuges (1000) unter Kombination von mechanischer und elektrischer Momentensummation.
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