DE102015002111A1

DE102015002111A1 - Hybridantriebsstrang

Info

Publication number: DE102015002111A1
Application number: DE102015002111.7A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Maringer; Marco Brun
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-10-20
Also published as: WO2016134835A1; CN107107736B; EP3261869A1; US20180009309A1; CN107107736A; JP2021073128A; JP2018508396A

Abstract

Hybridantriebsstrang eines Fahrzeugs, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Elektromaschine, wobei der Antriebsstrang weiterhin eine hydraulische Arbeitsmaschine aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang eines Fahrzeugs, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Elektromaschine.
Ein derartiger Hybridantriebsstrang ist aus der ATZ 7-8/2002, Seiten 664–674 bekannt. Dabei ist die Elektromaschine mit der Verbrennungskraftmaschine und einer Hydraulikpumpe verschaltet.
Baumaschinen werden üblicherweise in ihren Arbeitsphasen mit hohen konstanten Nenndrehzahlen der Verbrennungskraftmaschine betrieben, um jederzeit bei hochdynamischen Belastungsspitzen die maximale Systemleistung zur Verfügung stellen zu können. Darüber hinaus wird meist im Motorsteuergerät ein P-Grad eingestellt, der die Arbeitsdrehzahl weiter anhebt, sobald die maximale Auslastung der Verbrennungskraftmaschine nicht erreicht ist. Ist die Belastung höher als die maximale Auslastung der Verbrennungskraftmaschine, so dass die Verbrennungskraftmaschine gedrückt wird oder gar droht abgewürgt zu werden, greift in der Regel eine Grenzlastregelung ein, die die Belastung der Verbrennungskraftmaschine auf Kosten der zu verrichtenden Arbeit der Baumaschine auf das Maß reduziert, dass die Nenndrehzahl stationär gehalten werden kann.
Es wird also über die gesamte Arbeitsphase eine hohe Nenndrehzahl eingestellt, die aber nur bei Belastungsspitzen wirklich erforderlich ist. In den übrigen Bereichen würde eine geringere Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine ausreichen, um die gerade geforderte Leistung zur Verfügung zu stellen. Die Verringerung der Nenndrehzahl hat signifikanten Einfluss auf die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine und somit der Reduktion der Kohlendioxid-Emissionen (Verminderung des Treibhauseffekts, geringere Umweltbelastung).
Würde man die Nenndrehzahl stets so tief wie gerade nötig halten und nur bei entsprechenden Belastungsphasen, die sehr dynamisch angefordert werden können, um das nötige Maß anheben, würde es die Verbrennungskraftmaschine oftmals nicht alleine schaffen, die Nenndrehzahl so dynamisch zu erhöhen, dass die geforderte Leistung im gleichen Maße zur Verfügung gestellt werden kann, wie es bei einer dauerhaften hohen Nenndrehzahl der Fall wäre.
Während die Verbrennungskraftmaschine also in dem Fall versucht, auf die neue höhere Nenndrehzahl zu beschleunigen, wirkt die aktuell anstehende Last an der Verbrennungskraftmaschine der Beschleunigung entgegen und kann sogar durchaus dazu führen, das die Drehzahl abfällt statt steigt, weil die Verbrennungskraftmaschine nicht schnell genug das notwendige Drehmoment aufbauen kann.
Aufgabe ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das Drehmoment des gesamten Antriebsstranges während Beschleunigungsphasen der Verbrennungskraftmaschine von einer niedrigeren Drehzahl auf eine höhere Drehzahl zu erhöhen, mit dem die Nenndrehzahl bei Baumaschinen während den Arbeitsphasen dynamisch geregelt werden kann, ohne Einbußen bei dynamischen Belastungsspitzen zu erleiden. Dazu muss das System auch bei sehr dynamischen Lastanforderungen in der Lage sein, von niedrigeren auf höhere Nenndrehzahlen hochdynamisch beschleunigen zu können. Somit kann die Nenndrehzahl bei Baumaschinen über weite Bereiche auf einer möglichst niedrigen und effizienten Drehzahl bezüglich des Kraftstoffverbrauchs gehalten werden.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, einen Hybridantriebsstrang eines Fahrzeugs zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3.
Dies wird u. a. dadurch erreicht, dass der Antriebsstrang eine hydraulische Arbeitsmaschine aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

– Kraftstoffersparnis durch Vergrößerung der mittleren Auslastung der Verbrennungskraftmaschine, größeres Drehmoment bei kleinerer Drehzahl
– Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des Antriebs.

Die dargestellten Ausgestaltung setzt die Elektromaschine als integrierten Starter und Generator ein, eine Drehmomentunterstützung der Verbrennungskraftmaschine erfolgt in der Weise, dass ein hohes Drehmoment für kurze Zeit (< 1 sec.) zur Verfügung steht.
Anordnung der Komponenten
Der konventionelle Antriebsstrang einer mobilen Arbeitsmaschine, bestehend aus einer Verbrennungskraftmaschine und hydraulischen Antriebseinheiten, wird um eine parallel angeordnete Elektromaschine erweitert, die räumlich an die Stelle des Schwungrades tritt. Die Elektromaschine wird über eine Leistungselektronik aus einem elektrischen Energiespeicher gespeist und kann in allen vier Quadranten betrieben werden.
Der Diesel-Elektro-Hybrid wird in der gegebenen Anordnung drehzahlgeregelt betrieben. Das heißt, der Fahrerwunsch wird als Soll-Drehzahl interpretiert. Diese Betriebsart hat sich vor allem im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen etabliert. Dabei soll der Diesel-Elektro-Hybrid auch bei wechselnder Belastung möglichst die vom Gerätebediener gewünschte Drehzahl einregeln, indem das vom Diesel-Elektro-Hybrid erzeugte Moment entsprechend angepasst wird. Die Belastung wird durch die Arbeitshydraulik, die Antriebsbelastung und andere Abtriebe erzeugt.
Der Start der Verbrennungskraftmaschine (VKM) erfolgt gegenüber dem konventionellen Antrieb nicht über einen separaten Anlassermotor, sondern direkt über die Elektromaschine. Anders als im bekannten Antriebsstrang kann die Verbrennungskraftmaschine innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums, der in etwa in einem Bereich um oder unter 200 Millisekunden beträgt, gestartet werden. Auf diese Weise kann die Verbrennungskraftmaschine im automatischen Start/Stopp-Betrieb betrieben werden.
Der Start/Stopp-Betrieb bewirkt, dass die Verbrennungskraftmaschine nur dann betrieben wird, wenn sie tatsächlich benötigt wird. Befindet sich die Verbrennungskraftmaschine für einen bestimmten Zeitraum im niedrigen Leerlauf, wird sie auf Wunsch vom System abgestellt.
Sobald der Gerätebediener eine Bedienungskomponente betätigt, wird die Verbrennungskraftmaschine sofort wieder gestartet, so dass der Bediener nahezu keine Verzögerung wahrnimmt. Bedienkomponenten können sein, das Fahrpedal, die Lenkeinrichtung, die Ansteuereinheit der Arbeitshydraulik oder der Joystick.
Durch Vermeidung von unnötigen Leerlaufzeiten führt diese Funktion zur Kraftstoffeinsparung.
In geeigneten Betriebspunkten wird die Elektromaschine motorisch betrieben, um das Drehmoment des gesamten Antriebs zu erhöhen.
Das benötigte Drehmoment, welches zur Aufrechterhaltung der vom Gerätebediener gewünschten Drehzahl notwendig ist, wird durch einen Regelalgorithmus berechnet und von der Leistungselektronik umgesetzt. Das System berücksichtigt dabei alle im System relevanten Zustände wie zum Beispiel Ladezustand des Energiespeichers, Temperaturen einzelner Komponenten etc.
Die Nenndrehzahl ist die gewünschte Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine bei Volllast.
Die Arbeitsdrehzahl ist die aktuell eingestellte Drehzahl mit Berücksichtigung des P-Grades. Die Arbeitsphasen sind Phasen, in der mit der Baumaschine gearbeitet wird, also die Verbrennungskraftmaschine belastet wird. In Phasen, in denen nicht mit der Baumaschine gearbeitet wird, wird die Nenndrehzahl meist in den niedrigen Leerlauf gestellt.
Diese Funktion der dynamischen Drehzahlabsenkung ermöglicht den Einsatz einer Verbrennungskraftmaschine mit verringerter Drehzahl. Die Leistung bleibt gleich, die wird vom Bediener gefordert. Die Drehzahl wird gesenkt, dafür steigt entsprechend des Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine. Leistung = Drehmoment × Drehzahl.
Kurzfristig auftretende Spitzenleistungen können durch die Unterstützung der motorisch betriebenen Elektromaschine abgedeckt werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine nicht mehr auf die benötigte/gewünschte Spitzenleistung ausgelegt werden muss. Hierbei gilt, dass Spitzenleistungen, die ohnehin schon bei hohen Nenndrehzahlen (z. B. 2000 1/min) gefordert werden, weiterhin möglichst von der Verbrennungskraftmaschine erbracht werden müssen. Hier kommen nur zusätzlich Leistungsspitzen hinzu, die während den Beschleunigungsphasen entstehen.
Genau diese Leistungen können in der Regel nicht von der Verbrennungskraftmaschine schnell genug erbracht werden, da die Drehzahl zu niedrig ist und das Drehmoment nicht schnell genug durch die Verbrennungskraftmaschine alleine aufgebracht werden kann.
Neben dem Boosten bei der Abdeckung von Leistungsspitzen besteht die Möglichkeit, den motorischen Betrieb der Elektromaschine zur Steigerung der Dynamik des Antriebsstrangs zu nutzen.
Insbesondere, wenn die Einspritzmenge der Verbrennungskraftmaschine durch die ladedruckabhängige Füllungsbegrenzung unterhalb der Dachkurve limitiert wird, kann zur Steigerung der Dynamik eine motorische Leistung der Elektromaschine so lange aufgebracht werden, bis diese Limitierung durch ausreichenden Ladedruck nicht mehr notwendig ist.
Das Aufladen des elektrischen Energiespeichers erfolgt durch das Erzeugen eines generatorischen Drehmoments der Elektromaschine während des Betriebs. Dabei ist das erzeugte Drehmoment von dem Ladezustand des Energiespeichers, der Auslastung der Verbrennungskraftmaschine und verschiedenen Systembedingungen abhängig. Das Drehmoment kann als Stellgröße eines Reglers oder auch gesteuert aufgeschaltet werden.
Unter Rekuperation versteht man generell die Rückgewinnung der mechanischen Bremsenergie in elektrische Energie.
Bei konventionellen mobilen Arbeitsmaschinen wird nahezu der vollständige Anteil der Bremsenergie durch den Schleppbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei hohen Drehzahlen und durch gezieltes Aufschalten hydraulischer Lasten erzielt.
Bei dieser Konfiguration eines Hybrid-Antriebes wird die Bremsenergie durch Aufschalten eines Bremsmoments auf die Elektromaschine erzielt. Hierdurch werden zum einen die hohen Motordrehzahlen vermieden, zum anderen wird die Bremsenergie über die Elektromaschine und die Leistungselektronik in den elektrischen Energiespeicher gespeist.
Bei hybriden Antriebssträngen mobiler Arbeitsmaschinen, bestehend aus den erfindungsgemäßen Komponenten Verbrennungskraftmaschine (Dieselmotor), Elektromaschine mit Umrichter, elektrischem Energiespeicher und hydraulischem Fahr- und Arbeitsantrieb, wird zur Reduktion von CO₂-Emissionen und Kraftstoffverbrauch unter anderem die Funktion der Lastpunktverschiebung eingesetzt.
Mittels dieser Funktion werden die jeweiligen Arbeitspunkte im Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine (Moment als Funktion der Drehzahl) entlang der Kurven konstanter Leistung (Leistungshyperbeln) verschoben, um die Arbeitspunkte der Verbrennungskraftmaschine in die Bereiche des jeweilig optimalen Kraftstoffverbrauchs zu verlagern.
Bei der Lastpunktverschiebung wird vom Hybrid-Steuergerät, unter anderem in Abhängigkeit der Parameter aktuelles Moment der Verbrennungskraftmaschine, aktuelles Moment der Elektromaschine, Ladezustand des Energiespeichers und aktueller Drehzahl von Verbrennungskraftmaschine und Elektromaschine, mittels einer im Hybrid-Steuergerät implementierten Betriebsstrategie die optimale Soll-Drehzahl ermittelt und als Sollwert dem nachgeschalteten Drehzahlregler übergeben.
Hierbei gilt, die optimale Solldrehzahl wird anhand der Informationen aus den HMI-Schnittstellen (Human Machine Interface) ermittelt. Der Ladezustand des Energiespeichers z. B. spielt dabei keine Rolle.
Der Drehzahlregler der Verbrennungskraftmaschine befindet sich nach wie vor im Motorsteuergerät. Die Drehzahlvorgabe, also die Solldrehzahl, wird im Hybrid-Steuergerät ermittelt.
Die Verbrennungskraftmaschine wird drehzahlgeregelt. Die Elektromaschine wird drehmomentgeregelt. Das Sollmoment wird aus der Drehzahldifferenz (siehe Position ➃ in 5) berechnet.
Gegenüber konventionellen Antriebssträngen mobiler Arbeitsmaschinen bestehen beim Einsatz der Funktion Lastpunktverschiebung mit einem hybriden Antrieb folgende Vorteile:

– Bei einem konventionellen Antrieb wird aufgrund der sehr dynamischen Laständerungen des Fahr- oder Arbeitsantriebs beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eine hohe Leistungsreserve vorgehalten, um auf die Laständerungen adäquat reagieren zu können. Insbesondere bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen ist diese Leistungsreserve notwendig, um die zeitliche Dauer des Ladedruckaufbaus zu reduzieren. Beim hybriden Antriebsstrang besteht die Möglichkeit, diese Leistungsreserve der Verbrennungskraftmaschine deutlich zu reduzieren. Bei dynamischen Laständerungen wird so lange eine motorische Leistung der Elektromaschine aufgebracht, bis die Verbrennungskraftmaschine sich in einem Arbeitspunkt befindet, in dem diese eigenständig die angeforderte Leistung aufbringen kann. Besonders durch die schnelle Stellmöglichkeit des Moments der Elektromaschine wird diese Strategie begünstigt.
– Die Lastpunktverschiebung bei konventionellen Antrieben hin zu geringeren Drehzahlen und somit höheren Drehmomenten ist maximal bis zu der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine möglich, bei der diese das maximale Drehmoment aufbringt. Dies ist darin begründet, dass bei Drehzahlen kleiner als die Drehzahl maximalen Drehmoments eine Laständerung schnell zum Abwürgen der Verbrennungskraftmaschine führen kann beziehungsweise führt. Bei hybriden Antriebssträngen wird auch hier eine motorische Leistung der Elektromaschine dazu genutzt, die Verbrennungskraftmaschine in einen Arbeitspunkt zu verlagern, in dem diese die Leistung eigenständig aufbringen kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Es zeigen:
1 in einer schematischen Ansicht die Anordnung und das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten
2 in einem Kennfeld die Funktion der Lastpunktverschiebung mit Auswirkung auf den spezifischen Verbrauch (Muscheldiagramm)
3 in einem Kennfeld die Funktion ”Lastpunktverschiebung”
4 eine Systemtopologie eines mildhybriden Systems einer Baumaschine, beispielhaft mit elektrischem Elektromaschine und Energiespeicher
5 Prinzipskizze zur Ermittlung der Soll-Drehzahl des Verbrennungskraftmaschines mit dynamischer Drehzahlabsenkung und des Sollmomentes der Elektromaschine.
Eine Verbrennungskraftmaschine 1, die insbesondere eine selbstzündende Brennkraftmaschine (Dieselmotor) ist, ist direkt mit einer Elektromaschine 2 gekoppelt, die anstelle eines Schwungrades mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 1 verschaltet ist. Der Stator dieser Elektromaschine 2 ist dabei mit dem Kurbelgehäuse verbunden und der Rotor mit der Kurbelwelle verschaltet. Der Rotor ist weiterhin mit einer Zahnradpumpe 3 und weiter mit einer Axialkolbenpumpe 4 verschaltet. Der Ausgang der Zahnradpumpe 3 ist über Proportionalventile 5 (beispielsweise) mit einem Arbeitszylinder 6, einem Hubzylinder 7 und einem Lenkzylinder 8 verschaltet. Zahnradpumpe 3 und Axialkolbenpumpe 4 sind hydraulische Arbeitsmaschinen.
Die Elektromaschine 2 ist über einen Vierquadrantenumrichter 12 mit einem elektrischen Energiespeicher 13 verschaltet. Weiterhin ist ein Hybrid-Steuergerät 21 vorgesehen, mit dem alle Einzelsteuergeräte der Komponenten, insbesondere des Antriebsstrangs und des Speicherstrangs, koordiniert werden können.
2 zeigt ein typisches Kennfeld einer Verbrennungskraftmaschine (Moment als Funktion der Drehzahl). In diesem Kennfeld ist als Dachkurve das von der Verbrennungskraftmaschine erreichbare maximale Drehmoment Md_max eingetragen. Unter dieser Dachkurve sind als Muschelkurven die Linien mit konstantem spezifischen (Kraftstoff)-Verbrauch dargestellt, wobei, ausgehend von der be_min Linie, die weiteren Linien einen stufenweise steigenden Verbrauch kennzeichnen. Schließlich sind die Kurven konstanter Leistung P_konst (Leistungshyperbeln) der Verbrennungskraftmaschine eingetragen. Grundsätzlich kann nun die Verbrennungskraftmaschine, die mit einer konstanten Leistung P_konst an dem Punkt P1 betrieben wird, mit der gleichen konstanten Leistung P_konst an dem Punkt P2 betrieben werden, wobei der Punkt P2 aber im be_min Feld liegt. Durch diese Verstellung wird bei gleicher Leistungsabgabe eine Verbrauchsreduzierung der Verbrennungskraftmaschine erreicht.
Problematisch ist aber bei konventionellem derartigen Antriebsstrang, dass bei einer solchen Verstellung – wie in 3 dargestellt – dies immer mit einer Annäherung an die Dachkurve des erreichbaren maximalen Drehmoments verbunden ist. Wird, wie in 3 dargestellt, bei der Verstellung die Dachkurve mit dem Leistungspunkt P2 angefahren, weist die Verbrennungskraftmaschine auch schon bei geringen Laständerungen keine Leistungsreserven mehr auf und die Verbrennungskraftmaschine wird abgewürgt, wie in Punkt 4 dargestellt. Verlauf mit dynamischer Drehzahlabsenkung, aber ohne Unterstützung der Elektromaschine. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung steht dann aber noch die Leistung, die durch die Elektromaschine aufgebracht werden kann, additiv zur Verfügung. Das heißt mit anderen Worten, es kann bedenkenlos eine Leistungsverstellung bis auf die Md_max Kurve hin zu einer Verringerung des Verbrauchs gefahren werden, ohne dass bei Laständerungen ein Abwürgen der Verbrennungskraftmaschine zu befürchten ist, da für diesen Fall die zusätzliche Leistung der Elektromaschine zur Verfügung steht.
P1-P2 entspricht der dynamischen Drehzahlabsenkung, wenn die Last (Leistung) stationär bleibt.
Durch dynamisches Auslenken des Joysticks (20) (HMI-Signal) wird genau so dynamisch die Last für den Verbraucher erhöht.
P2-P3 entspricht dem Verlauf mit dynamischer Drehzahlabsenkung und Unterstützung der Elektromaschine (2).
P2-P4 entspricht dem Verlauf mit dynamischer Drehzahlabsenkung, aber ohne Unterstützung der Elektromaschine (2).
P1-P2 entspricht dem Verlauf bei Lastsprung ohne dynamische Drehzahlabsenkung.
4 zeigt in Kombination mit 5, wie die Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine einer Baumaschine während einer Arbeitsphase trotz dynamischen Belastungsspitzen hochdynamisch beschleunigt werden kann. Hierfür wird die Verbrennungskraftmaschine zu einem mildhybriden System erweitert. Die Erweiterung besteht aus einem Energiespeicher 13 und einer Elektromaschine 2, die sowohl direkt an der Kurbelwelle als auch an einem PTO (Power take off) angeschlossen sein kann. Dabei kann die Elektromaschine 2 mit dem zugehörigen Energiespeicher 13 sowohl elektrisch als auch hydraulisch ausgeführt sein.
Die Elektromaschine 2 arbeitet bei der Abgabe bzw. Aufnahme der Energie im Vergleich zur Verbrennungskraftmaschine 1 hochdynamisch. Die Verbrennungskraftmaschine 1 arbeitet während ihrer Arbeitsphasen mit einer möglichst niedrigen Drehzahl. Bei Lastanforderungen, die eine höhere Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 erfordern, wird die Verbrennungskraftmaschine 1 während des Beschleunigungsvorgangs bis zur höheren Soll-Drehzahl von der Elektromaschine 2 parallel hochdynamisch unterstützt, z. B. im motorischen Betrieb der Elektromaschine 2. Die dazu notwendige Energie der Elektromaschine 2 kommt aus dem Energiespeicher 13. In Phasen geringerer Lastanforderung wird mittels der Elektromaschine 2 der Energiespeicher 13 wieder aufgeladen, beispielsweise durch den generatorischen Betrieb der Elektromaschine 2. Die Lastanforderung muss dabei möglichst früh erkannt werden, um die Verbrennungskraftmaschine 1 sehr schnell mit Hilfe der Elektromaschine 2 in der Beschleunigungsphase unterstützen zu können. Dies erfolgt am schnellsten durch das Auswerten der Signale der HMI-Schnittstellen 20, wie z. B. der Joysticks 20, die der Maschinenführer bedient.
Mit der ermittelten Lastanforderung wird die notwendige Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 – die Nenndrehzahl – ermittelt. Diese wird über das Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine 22 eingestellt. Während die Verbrennungskraftmaschine 1 nun bereits von sich aus schon versucht, auf die neue Nenndrehzahl zu beschleunigen, wird sie dabei von der Elektromaschine 2 mit einem hochdynamischen Drehmomentenaufbau unterstützt. Das Sollmoment der Elektromaschine 2 wird aus der Differenz aus Nenn- und Ist-Drehzahl ermittelt.
Die Ermittlung der Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 erfolgt durch Auswertung der HMI-Schnittstellen 20, es erfolgt die Nutzung einer dynamischen Drehzahlabsenkung der Verbrennungskraftmaschine 1 in einer Baumaschine mit Hilfe einer Elektromaschine 2. Die Elektromaschine 2 des mildhybriden Antriebs unterstützt die Verbrennungskraftmaschine 1 hochdynamisch während der Beschleunigungsphasen auf die gewünschte höhere Nenndrehzahl. Die Elektromaschine 2 ist direkt an der Kurbelwelle oder an einem PTO angeschlossen.
Die Elektromaschine 2 mit ihrem Energiespeicher 13 kann sowohl elektrisch als auch hydraulisch ausgeführt sein. Hierfür kommen Batterien und/oder Kondensatoren und/oder Hydraulikspeicher in Betracht.
Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich prinzipiell für alle Baumaschinen, die aufgrund der Vorhaltung von Leistungsreserven bei dynamischen Lastanforderungen zur Zeit mit hohen Nenndrehzahlen während der Arbeitsphasen betrieben werden. Eine spezielle Anwendung erfolgt beispielsweise in einem Umschlagbagger.
Das HMI-Signal wird über den CAN-BUS vom Hybrid-Steuergerät empfangen, die Übertragungsrate liegt im Bereich von etwa 10 m_sec oder kleiner.
Das HMI-Signal stellt z. B. die Auslenkung eines Joysticks 20 von links nach rechts dar und wird über CAN als Signal mit einem Wertebereich von –100% bis +100% übertragen.
So werden alle HMI-Signale vom Hybrid-Steuergerät ausgelesen, die zu einer Erhöhung der Last an der Verbrennungskraftmaschine führen.
Alle HMI-Signale werden in dem Hybrid-Steuergerät 21 ausgewertet und daraus eine Soll-Drehzahl für die Verbrennungskraftmaschine 1 berechnet. Die Auswertung erfolgt über Kennfelder und einen Gewichtungsfaktor für jedes HMI-Signal.
Bei schneller Änderung eines HMI-Signals resultiert auch eine schnelle Änderung der Soll-Drehzahl ➂ in 5.
Dadurch ergibt sich zunächst eine große Differenz ➃ in 5 zwischen Soll- und Ist-Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1, da der Verbrennungskraftmaschine 1

a) der Soll-Drehzahl aufgrund der vergleichbar geringen Eigendynamik nicht schnell genug folgen kann,
b) die schnelle Änderung des HMI-Signals immer einen schnellen Lastanstieg für die Verbrennungskraftmaschine 1 bedeutet, der einer schnellen Anpassung der Ist-Drehzahl an die Soll-Drehzahl entgegenwirkt.

Die Drehzahldifferenz wird dazu genutzt, das Sollmoment der Elektromaschine 2 zu berechnen – ➄ in 5.
Wenn die Soll-Ist-Drehzahl schnell sehr groß wird, wird auch schnell das Sollmoment der Elektromaschine 2 groß. Im Falle, dass die Ist-Drehzahl größer als die Soll-Drehzahl ist, wird kein Drehmoment von der Elektromaschine 2 abverlangt.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Elektromaschine
3: Zahnradpumpe
4: Axialkolbenpumpe
5: Proportionalventile
6: Arbeitszylinder
7: Hubzylinder
8: Lenkzylinder
9: Axialkolbenmotor
10: Getriebestufe
11: Antriebsräder
12: Vierquadrantenumrichter
13: Energiespeicher
20: Human Machine Interface(HMI)-Schnittstellen, Joystick
21: Hybrid–Steuergerät (ECU)
22: Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine (ECU)

Claims

Verfahren zur dynamischen Drehzahlabsenkung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einer Baumaschine, insbesondere unter Zuhilfenahme einer Elektromaschine, wobei es die folgenden Schritte umfasst: Ermittlung der Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine, Nutzung einer dynamischen Drehzahlabsenkung der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einer Baumaschine, mit Hilfe einer Elektromaschine. Dabei wird die Elektromaschine dazu benötigt, die Beschleunigungsphasen der Verbrennungskraftmaschine von niedrigeren Drehzahlen auf höhere Drehzahlen zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Nenndrehzahl insbesondere durch eine Auswertung der HMI-Schnittstellen 20 erfolgt.
Hybridantriebsstrang eines Fahrzeugs, insbesondere zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere eine mobile Arbeitsmaschine mit einer Verbrennungskraftmaschine (1) und einer Elektromaschine (2) zum Einsatz kommt und/oder der Antriebsstrang weiterhin eine hydraulische Arbeitsmaschine aufweist.
Hybridantriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine eine Axialkolbenpumpe (4) aufweist. Die Arbeitsmaschine hat eine Axialkolbenpumpe (4), von der Leistung der Verbrennungskraftmaschine 1 bzw. der Elektromaschine (2) angefordert wird.
Hybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Arbeitsmaschine ein hydraulischer Motor, insbesondere ein Axialkolbenmotor (9), verschaltet ist.
Hybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Arbeitsmaschine zumindest ein hydraulisches Stellelement, insbesondere ein Arbeitszylinder (6), ein Hubzylinder (7) und/oder ein Lenkzylinder (8) gesteuert, insbesondere über ein oder mehrere Proportionalventile (5) verschaltet ist/sind.
Hybridantriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang drehzahlgeregelt betrieben wird.
Hybridantriebsstrang nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantriebsstrang in der Form steuerbar ist, dass an der Verbrennungskraftmaschine (1) eine Lastpunktverschiebung einstellbar ist.
Hybridantriebsstrang nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lastpunktverschiebung bis in den Bereich des Erreichen des maximalen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine (1) erfolgt und dass dann die Elektromaschine (2) motorisch betrieben wird.
Hybridantriebsstrang nach einem oder mehreren der vorhergehenden sAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (2) ein mildhybrider Antrieb ist.