DE102018132361A1

DE102018132361A1 - Elektrisches leistungssystem mit energiespeicherung durch motorgeladenes schwungrad

Info

Publication number: DE102018132361A1
Application number: DE102018132361.1A
Authority: DE
Inventors: Evan Jacobson; John Seipold
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2019-06-19
Also published as: US20190190346A1; US10608497B2; CN109936248B; CN109936248A

Abstract

Ein elektrisches Leistungssystem (224) umfasst einen Antriebsmotor (226), einen Generator (230), einen Antriebsstrang (228) mit einer Antriebswelle (229), und ein Energiespeichersystem (234) mit einem Schwungrad (236). In einer Implementierung ist ein stufenlos variables Parallelpfad-Getriebe (238) dazu aufgebaut, Energie zwischen dem Schwungrad (236) und der Antriebswelle (229) zu übertragen, und in einer weiteren Implementierung überträgt ein stufenlos variables Parallelpfad-Getriebe (238) Energie zwischen dem Antriebsmotor (226) und dem Generator (230). Das Getriebe (238) umfasst einen Variator (254) und einen Differential-Getriebezug (246). Ein Elektromotor (243) ist mit dem Schwungrad (236) gekoppelt und lädt das Schwungrad (236) auf, so dass Schwungradenergie verfügbar ist, um die Antriebsmotor-Drehzahl von einem Bereitschaftszustand hochzufahren und/oder um Generatorlastveränderungen mit begrenzten Generatordrehzahlveränderungen zu ermöglichen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Schwungrad-Energiespeicherung und insbesondere die Schwungrad-Energiespeicherung, bei der ein Elektromotor zur Aufladung eines Schwungrades vorgesehen ist.
Hintergrund
Energiespeichersysteme für viele unterschiedliche Maschinen sind gut bekannt und werden verbreitet eingesetzt. Systeme, wie etwa regenerative Bremssysteme, die von mobilen Fahrzeuganwendungen bekannt sind, können Energie aus der Verlangsamung eines Fahrzeugs, die ansonsten verloren gehen würde, in einer elektrischen Energiespeichervorrichtung wie etwa einer Batterie oder einem Kondensator speichern. Hydrauliksysteme speichern verbreitet Energie für die darauf folgende Rückgewinnung in Druckakkumulatoren oder dergleichen. Schwungräder werden bereits buchstäblich seit Jahrhunderten zum Speichern kinetischer Energie verwendet und werden nun auch zunehmend in mobilen Fahrzeug- und Maschinenanwendungen eingesetzt. Ein Schwungrad speichert kinetische Energie in einem drehenden Rotor, dessen Drehzahl erhöht werden kann, um Energie zu speichern, wenn zusätzliche Energie verfügbar ist, und dessen Drehzahl verringert werden kann, um die gespeicherte Energie wenn gewünscht zu entnehmen. Hochdrehende Schwungräder mit Drehzahlen von zehntausenden Umdrehungen pro Minute sind kommerziell verfügbar und wurden mit einigem kommerziellem Erfolg zum Beispiel im Automobilkontext eingesetzt.
Eine technische Herausforderung in Bezug auf hochdrehende Schwungräder ist die relative große Drehzahldifferenz zwischen einem geladenen oder energetisierten Schwungrad und dem System, mit welchem es interagiert. In dem Fall eines Verbrennungsmotors kann die Antriebsmotordrehzahl einige tausend Umdrehungen pro Minute betragen, aber immer noch eine Größenordnung oder mehr niedriger als die potenziellen Drehzahlen des Schwungrads sein. Da es allgemein wünschenswert ist, ein relativ kleines und leichtes Schwungrad zu verwenden, das sich im Vergleich zu einem schweren, sperrigen und langsameren Schwungrad relativ schnell dreht, ist in der Regel eine Vorrichtung zur Abstimmung der Drehzahlen der zwei Systeme notwendig.
Da mechanische Getriebesysteme inhärente strukturelle und materialbezogene Grenzen in Bezug auf die maximalen Drehzahlen und/oder Drehzahlverhältnisse innerhalb des Systems aufweisen, wurden Mehrbereichs-Getriebesysteme vorgeschlagen, um die hohen Drehzahlverhältnisse in Schwungrad-Energiespeichersystemen zu ermöglichen. Techniker haben auch stufenlos variable Getriebe oder „CVT“-Systeme vorgeschlagen, um Drehmoment zwischen einem Schwungrad und einem Antriebsmotor oder anderen Mechanismus mit einer Antriebsmaschine zu übertragen. Das US-Patent Nr. 9,108,625 schlägt eine Planetengetriebevorrichtung zwischen einem Antriebsrad und einer Energiesammelvorrichtung vor. Ein Sonnenrad der Planetengetriebevorrichtung ist mit einer Eingangswelle der Energiesammelvorrichtung verbunden. Ein Träger der Planetengetriebevorrichtung ist mit dem Antriebsrad verbunden. Eine Drehmomenteinstellvorrichtung wird offensichtlich elektronisch gesteuert, um ein Bremsmoment zu variieren, das auf ein Hohlrad in dem Planetengetriebe ausgeübt wird, um eine Differenz der Drehzahlen zwischen einer Eingangswelle und dem Sonnenrad zu verringern. Während die Strategie in dem '625-Patent bestimmte Anwendungen finden kann, ist es relativ komplex, und es gibt viel Raum für Verbesserungen und weitere Fortschritte auf dem Gebiet.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt umfasst ein elektrisches Leistungssystem einen Antriebsmotor, einen Generator, und einen Antriebsstrang, der aufgebaut ist, um Drehmoment zwischen dem Antriebsmotor und dem Generator zu übertragen. Das elektrische Leistungssystem umfasst ferner ein Energiespeichersystem mit einem Schwungrad, einen Drehzahlerhöhungs-Getriebezug, der mit dem Schwungrad gekoppelt ist, und einen Elektromotor, der mit dem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug zum Aufladen des Schwungrads gekoppelt ist. Das elektrische Leistungssystem umfasst ferner eine Kupplung, die zwischen einem eingerückten Zustand, in dem die Kupplung den Drehzahlerhöhungs-Getriebezug mit der Eingangswelle koppelt, um Energie zwischen dem Schwungrad und zumindest einem von Antriebsmotor oder Antriebsstrang zu übertragen, und einem ausgerückten Zustand einstellbar ist
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren Betreiben eines Antriebsstrangs, der zwischen einem Antriebsmotor und einem Generator in dem elektrischen Leistungssystem gekoppelt ist, und Ausüben eines Drehmoments auf den Generator durch Betreiben des Antriebsstrangs. Das Verfahren umfasst ferner das Drehen eines Energiespeicher-Schwungrads in dem elektrischen Leistungssystem durch einen Elektromotor. Das Verfahren umfasst ferner das Einstellen einer Kupplung in dem elektrischen Leistungssystem zwischen einem eingerückten Zustand, in dem die Kupplung das Energiespeicher-Schwungrad mit zumindest einem von Antriebsmotor oder Antriebsstrang koppelt, und einem ausgerückten Zustand Das Verfahren umfasst ferner das Variieren der Energieübertragung zwischen dem Antriebsmotor, dem Energiespeicher-Schwungrad und dem Generator durch Einstellen der Kupplung zwischen einem eingerückten Zustand und einem ausgerückten Zustand.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt umfasst ein Antriebssystem für ein elektrisches Leistungssystem einen Antriebsstrang mit einer Eingangswelle, die dazu aufgebaut ist, mit einem Antriebsmotor gekoppelt zu werden, einer Ausgangswelle, die dazu aufgebaut ist, mit einem Generator gekoppelt zu werden, und ein stufenlos variables Getriebe im Parallelpfad, das zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle gekoppelt ist. Das Antriebssystem umfasst ferner ein Energiespeichersystem, das mit dem Antriebsstrang gekoppelt ist, und ein Schwungrad, einen Drehzahlerhöhungs-Getriebezug, der mit dem Schwungrad gekoppelt ist, und einen Elektromotor aufweist, der mit dem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug zum Aufladen des Schwungrads gekoppelt ist. Das Antriebssystem umfasst ferner eine Kupplung, die zwischen einem eingerückten Zustand, in dem die Kupplung den Drehzahlerhöhungs-Getriebezug mit der Eingangswelle koppelt, um Energie zwischen dem Schwungrad und zumindest einem von Antriebsmotor oder Antriebsstrang zu übertragen, und einem ausgerückten Zustand einstellbar ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Seitenansicht einer Maschine gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Ansicht eines Getriebes, das zur Verwendung in der Maschine von 1 geeignet ist;
3 ist eine schematische Ansicht eines Leistungssystems gemäß einer Ausführungsform;
4 ist eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht eines Energiespeichersystems gemäß einer Ausführungsform;
5 ist ein Nomogramm und veranschaulicht funktionale Eigenschaften eines Getriebes in einem Energiespeichersystem gemäß einer Ausführungsform;
6 ist eine schematische Ansicht eines Leistungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform;
7 ist eine schematische Ansicht eines Leistungssystems gemäß noch einer weiteren Ausführungsform; und
8 ist ein Graph von Leistungssystemparametern während einer Generatorlastveränderung.

Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf 1 wird dort eine Maschine 10 gemäß einer Ausführungsform dargestellt und umfasst einen Rahmen 12 mit einer daran montierten Bedienerkabine 22 und ist auf Bodeneingriffselementen 14 für den Vortrieb montiert. Die Maschine 10 umfasst ein hydraulisch betätigtes Arbeitsaufsatzsystem 16 mit einem Ausleger 18 und einer Schaufel 20. Die Maschine 10 ist hier im Kontext einer Maschine vom Raupenkettentyp für Aushub, Bergbau und ähnliche Anwendungen dargestellt und in der Technik als Schaufellader bekannt. Es sollte klar sein, dass die Maschine 10 auch nicht vom Raupenkettentyp sein könnte, oder auch keine Maschine für geländegängige Anwendungen. Im geländegängigen Kontext könnte die Maschine 10 einen Schlepper, einen Lader, einen Baggerlader, einen Lastwagen oder einen beliebigen anderen einer Reihe von weiteren Maschinentypen umfassen. Auch straßentaugliche Maschinen wie etwa ein Lastwagen oder dergleichen können von den hierin dargelegten Lehren profitieren.
Die Maschine 10 umfasst ferner ein Leistungssystem 24 mit einem Antriebsmotor 26, etwa einem kompressionsgezündeten Diesel-Verbrennungsmotor, eine drehbare Last 30 und eine Antriebswelle 28, die zur Kupplung und Übertragung von Drehmoment zwischen dem Antriebsmotor 26 und der drehbaren Last 30 aufgebaut ist. Ein Wechselgetriebe 32 ist ebenfalls zwischen Antriebswelle 28 und drehbarer Last 30 gekoppelt. In der illustrierten Ausführungsform umfasst die drehbare Last 30 (im Folgenden „Pumpe 30“) eine Hydraulikpumpe, die dazu aufgebaut ist, unter Druck stehendes Hydraulikfluid an die Arbeitsaufsatzhydraulik 44 bereitzustellen. Die Arbeitsaufsatzhydraulik 44 kann die verschiedenen Ventile, Leitungen, Akkumulatoren, Steuerungen, Stellglieder und andere Vorrichtungen zum Betreiben des hydraulisch betätigten Arbeitsaufsatzsystems 16 umfassen. Die Pumpe 30 könnte auch dazu aufgebaut sein, Hydraulikfluid an ein hydraulisch betätigtes Vortriebssystem der Maschine 10 zu liefern, etwa Hydraulikmotoren (nicht dargestellt), die die Bodeneingriffselemente 14 antreiben. Die Antriebswelle 28 könnte eine einzelne Welle, mehrere Wellen, die mittels eines oder mehrerer Kreuzgelenke gekoppelt sind, Übertragungszahnräder, Differentialzahnräder und noch weitere Vorrichtungen umfassen. Das Wechselgetriebe 32 kann zum Beispiel Drehzahlverringerungszahnräder umfassen, um Drehmoment zwischen der Antriebswelle 28 und der Pumpe 30 zu übertragen. Weitere Maschinenlasten wie etwa zusätzliche Pumpen, Kompressoren, Traktionsantriebsmechanismen und noch weitere könnten ebenfalls mittels des Leistungssystem 24 mit einer Leistungsabnahme von der Antriebswelle 28 betrieben werden.
Es sollte ferner klar sein, dass das Leistungssystem 24 dazu aufgebaut sein kann, nicht nur Drehleistung oder Drehmoment an verschiedene Komponenten zu liefern, sondern auch um Drehleistungseingänge oder Drehmoment von den angetriebenen Komponenten des Systems zu erhalten. Zum Beispiel könnte das hydraulisch betätigte Arbeitsaufsatzsystem 16 dazu aufgebaut sein, Energie während des Absenkens des Auslegers 18 in einem Akkumulator zu speichern, und dann geeignetenfalls Energie zum Anheben des Auslegers 18 zurückzuführen. Die Pumpe 30 könnte auch eine Hydraulikpumpen-/Motorkombination umfassen, die in einem Motormodus betrieben werden kann, wenn regenerativer Hydraulikdruck verfügbar ist, um andere Komponenten der Maschine 10 zur Energiespeicherung zu drehen, wie im Folgenden hierin noch erläutert wird. Die Pumpe 30 könnte zum Beispiel als Motor betrieben werden, um ein Schwungrad anzutreiben. Darüber hinaus könnte ein Vortriebssystem der Maschine 10 aufgebaut sein, um Energie aus dem Bremsen der Maschine 10 zurückzugewinnen und die regenerative Energie als kinetische Energie, Fluiddruck oder elektrische oder chemische Energie gemäß einer Reihe von Strategien zu speichern.
Das Leistungssystem 24 umfasst ferner ein Energiespeichersystem 34, das dazu aufgebaut ist, Energie von der Antriebswelle 28 zu erhalten und Energie an diese zurückzugeben. Wenn der Antriebsmotor 26 mit überschüssiger Ausgangsleistung betrieben wird, kann ein Teil oder im Wesentlichen die gesamte von dem Antriebsmotor 26 produzierte Ausgangsleistung zumindest für eine Zeit in dem Energiespeichersystem 34 gespeichert werden. Wenn zusätzliche, über eine Ausgabe des Antriebsmotors 26 hinausgehende Energie gewünscht wird, kann die gespeicherte Energie in dem Energiespeichersystem 34 an die Antriebswelle 28 oder an andere Systeme zurückgegeben werden. Diese allgemeine Strategie kann den Antriebsmotor 26 in die Lage versetzen, mit einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl zu arbeiten und/oder Transienten gleichmäßig zu bewältigen, was neben weiteren Vorteilen die Optimierung der Effizienz und Abgasemissionen unterstützt. Das Energiespeichersystem 34 umfasst ein Getriebe 38, das mit der Antriebswelle 28 gekoppelt ist, und ein Schwungrad 36, oder eine Vielzahl von Schwungrädern, etwa eine Vielzahl von Schwungrädern, die parallel, in Reihe oder als parallele Reihen von Schwungrädern angeordnet sind. Das Energiespeichersystem 34 umfasst auch ein(en) oder mehrere Drehzahlerhöhungs- und/oder - verringerungsgetriebezüge oder Zahnräder 42, und eine Kupplung 40, die zwischen dem Schwungrad 36 und dem Getriebe 38 gekoppelt ist. Wie aus der folgenden Beschreibung noch klarer werden wird, sind die Maschine 10, das Leistungssystem 24 und andere hierin in Betracht gezogene Ausführungsformen der Maschine oder des Leistungssystems auf einzigartige Weise ausgestaltet, um effizient Energie zwischen der Antriebswelle 28 und dem Schwungrad 36 in einer Vorrichtung mit einem einzelnen Bereich zu übertragen.
Nun auch bezugnehmend auf 2 sind dort Teile des Energiespeichersystems 34 einschließlich des Schwungrads 36 als Schwungradmodul dargestellt, und zusätzliche Komponenten des Getriebes 38, darunter ein Differential-Getriebezug 46, sind in 2 nicht sichtbar, aber innerhalb eines Getriebegehäuses 58 positioniert. Ebenfalls in 2 gezeigt ist ein Variator 54, der innerhalb eines Variatorgehäuses 56 positioniert ist. Der Variator 54 kann einen hydraulischen Variator umfassen, und in der Abbildung von 2 ist das Variatorgehäuse 56 auf dem Getriebegehäuse 58 mittels einer Vielzahl von Bolzenverbindungen 62 montiert. Variatorfluidkomponenten 60 sind ebenfalls mit einem oder beiden von Getriebegehäuse 58 und Variatorgehäuse 56 gekoppelt dargestellt. Die Variatorfluidkomponenten können Filter, Kühler, ein Ladepumpe, Leitungen und eine Reihe von weiteren bekannten Komponenten umfassen, die in Verbindung mit hydraulischen Variatoren verwendet werden. Es wird in Betracht gezogen, dass das Positionieren des Variatorgehäuses 56 und anderer Komponenten außerhalb des Getriebegehäuses 58 es ermöglicht, diese wartbaren Komponenten und Systeme leicht und einfach für Wartung und Diagnose zugänglich zu halten.
Nun Bezug nehmend auf 3 sind dort zusätzliche Komponenten des Leistungssystems 24 und Energiespeichersystems 34 in einer schematischen Veranschaulichung dargestellt. Der Variator 54 ist mit einer Ladepumpe 65 in einer im Allgemeinen herkömmlichen Weise gekoppelt. Die Kupplung 40 ist zwischen dem Differential-Getriebezug 46 und dem Schwungrad 36 gekoppelt dargestellt. Der Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 42 ist zwischen der Kupplung 40 und dem Schwungrad 36 gekoppelt dargestellt. In einer Ausführungsform können Übertragungszahnräder (nicht beziffert) Drehmoment in das Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 42 einleiten und von diesem erhalten, und sind zwischen der Kupplung 40 und dem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 42 gekoppelt. In einer Implementierung kann der Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 42 einen Planetenradsatz umfassen, der dazu aufgebaut ist, Energie an das eine oder die mehreren Schwungräder 36 zu übertragen oder Energie von diesen zu empfangen.
Der Differential-Getriebezug 46 kann ebenfalls einen Planetenradsatz umfassen, und umfasst ein drehbares Eingangselement 48, das mit einem fixierten Drehzahlverhältnis mit und von der Antriebswelle 28 gedreht werden kann. Der Differential-Getriebezug 46 umfasst auch ein drehbares Ausgangselement 50, das mit einem fixierten Drehzahlverhältnis mit und von dem Schwungrad 36 gedreht werden kann. Der Differential-Getriebezug 46 umfasst noch weiter ein drehbares Drehzahlsteuerungselement 52, das zwischen dem drehbaren Eingangselement 48 und dem drehbaren Ausgangselement 50 gekoppelt ist, und das mehrere Teile aufweisen kann. Der Variator 54 ist in der illustrierten Ausführungsform mit dem drehbaren Eingangselement 48 und dem drehbaren Drehzahlsteuerungselement 52 gekoppelt. Es wird in Betracht gezogen, dass der Variator 54 direkt von dem Getriebezug des Antriebsmotors 26 angetrieben wird, oder direkt von der Antriebswelle 28, oder durch den Differential-Getriebezug 46 angetrieben wird. In anderen Ausführungsformen könnte der Variator 54 auf eine von der Drehung des Antriebsmotors 26 und/oder Antriebswelle 28 entkoppelte Weise angetrieben werden, etwa dann, wenn der Variator 54 zum Beispiel einen unabhängig betriebenen hydraulischen Variator oder einen elektrischen Variator umfasst.
Nun bezugnehmend auf 4 werden dort Komponenten des Energiespeichersystems 34 in größerem Detail dargestellt. Es ist zu sehen, dass der Variator 54 eine Hydraulikpumpe 76 umfasst, die mit einer Variator-Eingangswelle 80 gekoppelt ist. Die Variator-Eingangswelle 80 kann fixiert sein, um sich mit dem Antriebsmotor 26 und/oder der Antriebswelle 28 zu drehen, und kann wie oben angemerkt in einigen Ausführungsformen mechanisch mit dem Differential-Getriebezug 46 gekoppelt sein. Der Variator 54 umfasst auch einen Hydraulikmotor 78, der mit einer Variator-Ausgangswelle 74 gekoppelt ist. Die Variator-Eingangswelle 80 und die Variator-Ausgangswelle 74 sind in einem Bereich von Drehzahlverhältnissen relativ zueinander drehbar. Der Hydraulikmotor 78 kann in einer Vorwärtsrichtung oder einer Rückwärtsrichtung und in einem Bereich von Drehzahlen betrieben werden, um das drehbare Drehzahlsteuerungselement 52 in einem Bereich von Drehzahlen zu drehen und eine Drehzahldifferenz zwischen dem drehbaren Eingangselement 48 und dem drehbaren Ausgangselement 50 zu variieren. Die Variator-Ausgangswelle 74 kann mit den Übertragungszahnrädern 82 gekoppelt sein, die die Ausgangsdrehzahl der Variatorwelle je nach den Konstruktionsanforderungen erhöhen oder verringern können. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Hydraulikmotor 78 in einem Pumpmodus betrieben werden könnte, um die Pumpe 76 anzutreiben und ein Drehmoment über die Variator-Eingangswelle 80 an eine Pumpe 30 auszuüben, wenn dies gewünscht wird. In einer praktischen Implementierungsstrategie ist der Variator 54 vollständig reversibel, und die Pumpe 76 könnte eine Pumpe vom Schrägscheibentyp mit variabler Verdrängung oder eine beliebige andere geeignete Konstruktion umfassen.
Der Fachmann wird erkennen, dass der Differential-Getriebezug 46 in der Veranschaulichung von 4 ein Planetenradsatz ist. Das drehbare Eingangselement 48 kann ein Hohlrad 66 umfassen oder mit diesem gekoppelt und zur gemeinsamen Drehung daran fixiert sein. Das drehbare Ausgangselement 50 kann einen Träger 68 umfassen oder damit gekoppelt sein. Das drehbare Drehzahlsteuerungselement 52 kann ein Sonnenrad 70 und eine Vielzahl von Planetenrädern 72 umfassen oder damit gekoppelt sein. Dementsprechend könnten das Sonnenrad 70 und die Planetenräder 72 als ein drehbares Drehzahlsteuerungselement 52 verstanden werden, das eine Drehzahldifferenz zwischen dem drehbaren Eingangselement 48 und dem drehbaren Ausgangselement 50 variieren kann, und damit eine Differenz zwischen einer Eingangsdrehzahl und einer Ausgangsdrehzahl des Getriebes 38 variieren kann. Die Variator-Eingangswelle 80 kann wie oben vorgeschlagen zur Drehung mit dem Hohlrad 66 fixiert sein. Die Variator-Ausgangswelle 74 kann zur Drehung mit dem Sonnenrad 70 fixiert sein. Das drehbare Ausgangselement 50 kann ebenfalls zur Drehung mit der Eingangswelle 64 des Drehzahlerhöhungs-Getriebezugs 42 und/oder dem Schwungrad 36 fixiert sein. Es sollte klar sein, dass verschiedene andere Zahnradkonfigurationen in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen könnten, und es werden auch Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen das drehbare Eingangselement 48 und/oder das drehbare Ausgangselement 50 selbst ein oder mehrere Zahnräder in einem komplexeren Getriebezug statt wie hier illustriert Wellen oder dergleichen sind. Es wird auch in Betracht gezogen, dass mehrere Variatoren parallel verwendet werden und miteinander für verschiedene Zwecke ausgeglichen werden. Unabhängig davon wird auch in Betracht gezogen, dass die Anordnung, die in 4 abgebildet ist, in der das Getriebe 38 ein hydromechanisches Parallelpfad-Getriebe mit einem einzelnen Variator ist, mit einer Pumpe, die zur Drehung mit einem Hohlrad 66 fixiert ist, und einem Motor, der zur Drehung mit einem Sonnenrad 70 fixiert ist, eine praktische Implementierungsstrategie bereitstellt, die mit Größen-, Komplexitäts- und Packraumbeschränkungen konsistent ist.
Nun bezugnehmend auf 6 wird dort ein elektrisches Leistungssystem 124 gemäß einer Ausführungsform dargestellt und umfasst einen Antriebsmotor 126, eine Pumpe 30, die einen Generator 130 umfasst, und einen Antriebsstrang 128, der dazu aufgebaut ist, Drehmoment zwischen dem Antriebsmotor 126 und dem Generator 130 zu übertragen. Der Generator 130 ist mit einem elektrischen Leistungsnetz 175 oder einer anderen elektrischen Last gekoppelt, die auch durch einen zusätzlichen Generator 130 gespeist werden kann. Es sollte klar sein, dass eine beliebige Anzahl von Generatoren vieler unterschiedlicher Typen mit dem elektrischen Leistungsnetz 175 gekoppelt sein könnte, wobei einige oder alle davon durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden können, wie etwa den Antriebsmotor 126. Einige, keine oder alle der Generatoren, die mit dem elektrischen Leistungsnetz 175 gekoppelt sind, werden zu jedem Zeitpunkt in Abhängigkeit von den elektrischen Lastanforderungen des elektrischen Stromnetzes 175 betrieben. Somit sollte klar sein, dass der Generator 130 und der Generator 130' während des Betriebs periodisch mit den sich verändernden elektrischen Lastanforderungen variiert, eingeschaltet, ausgeschaltet etc. werden können. Wie aus der folgenden Beschreibung noch klarer werden wird, ist das elektrische Leistungssystem 124 dazu aufgebaut, den Generator 130 in die Lage zu versetzen, seine elektrische Leistungsabgabe zu variieren, ans oder vom Netz gebracht zu werden, ohne wesentliche bzw. in manchen Fällen im Wesentlichen ohne jegliche Veränderung der Generatordrehzahl. Während solcher betrieblicher Veränderungen kann es jedoch möglich sein, eine Drehzahl des Antriebsmotors 126 zu variieren. In einer praktischen Implementierung kann die Antriebsmotordrehzahl in einem größeren relativen Ausmaß variieren als eine Variation der Generatordrehzahl, die in Ansprechen auf eine geänderte Lastanforderung an dem Generator 130 auftritt. Das Variieren der Energieübertragung zwischen Komponenten des elektrischen Leistungssystems 124 kann verwendet werden, um die Antriebsmotordrehzahl zu steuern, wie im Folgenden hierin noch erläutert wird.
Es ist auch anzumerken, dass viele der Komponenten, Merkmale und betrieblichen Eigenschaften des elektrischen Leistungssystems 124 ähnlich oder identisch zu jenen sind, die in 1 bis 5 dargelegt wurden, und daher sollte klar sein, dass die Beschreibung des Betriebs oder der Komponenten jeder Ausführungsform hierin auch analog für den Betrieb oder Komponenten beliebiger anderer Ausführungsform gilt, außer es wird etwas anderes angegeben. Der Antriebsstrang 128 kann Teil eines Antriebssystems 100 sein und umfasst eine Antriebswelle 129. Die Antriebswelle 129 kann auch eine beliebige Anzahl von Wellen oder wellenartigen Komponenten umfassen, darunter potenziell Kupplungen, Zahnräder etc., die in der Lage sind, eine mechanische Kupplung zwischen dem Antriebsmotor 126 und dem Generator 130 auszubilden. Das Antriebssystem 100, insbesondere der Antriebsstrang 128, umfasst eine Eingangswelle 131, die aufgebaut ist, um mit dem Antriebsmotor 126 gekoppelt zu werden, und eine Ausgangswelle 133, die aufgebaut ist, um mit dem Generator 130 gekoppelt zu werden. Das Antriebssystem 100 umfasst ferner ein Energiespeichersystem 134 mit einem Schwungrad 136, einem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 142, der mit dem Schwungrad 136 gekoppelt ist, und einen Elektromotor 143, etwa einen AC-Motor, der mit dem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 142 zur Aufladung des Schwungrads 136 gekoppelt ist. Der Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 142 kann auch ein Antriebszahnrad 145 umfassen, das mit dem Elektromotor 143 gekoppelt ist, der sich in einem ein Bereich von Drehzahlen relativ zu dem Antriebsmotor 126 dreht, wenn die Kupplung 140 im eingerückten Zustand ist.
In einer Implementierung kann das Schwungrad 136, das hierin der Einfachheit halber stets in der Einzahl genannt wurde, eine Vielzahl von Schwungradmodulen umfassen, analog zu jenen, die in Verbindung mit vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurden. Der Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 142 kann auch einen Planetenradsatz umfassen, wieder analog zu jenem, der in Verbindung mit vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurde. Der Elektromotor 143 kann elektrisch mit dem Generator 130 verbunden sein, oder kann potenziell mit dem elektrischen Leistungsnetz 175 verbunden sein, oder durch noch einen anderen Mechanismus oder eine andere Strategie elektrisch angetrieben werden. Das Antriebssystem 100 umfasst auch eine Kupplung 140, die einstellbar ist zwischen einem eingerückten Zustand, in dem die Kupplung 140 den Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 142 mit zumindest einem von Antriebsmotor 126 oder Antriebsstrang 128 koppelt, und einem ausgerückten Zustand. Die Kupplung 140 könnte eine doppeltwirkende Kupplung, mehrere separate Kupplungen, oder eine einzelne Kupplung umfassen, jeweils mit beliebiger geeigneter Konfiguration, und wird in der Regel hydraulisch betätigt, obwohl die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt ist. In der Ausführungsform von 6 koppelt die Kupplung 140 im eingerückten Zustand den Antriebsmotor 126 mit einem fixierten Drehzahlverhältnis mit der Eingangswelle 131, und im ausgerückten Zustand mit dem Antriebsmotor 126, von der Eingangswelle 131 und daher dem gesamten Antriebssystem 100 und Generator 130 getrennt. Wie aus der folgenden Beschreibung noch klarer werden wird, ermöglicht das Ausrücken des Antriebsmotors 126 dem Antriebsmotor 126, in einen Bereitschaftsmodus platziert, abgestellt zu werden oder mit oder unter der niedrigen Leerlaufdrehzahl zu arbeiten, aber bei Bedarf wieder eingerückt zu werden, um die Anforderungen an den Generator 130 zu erfüllen. Wenn der Antriebsmotor 126 auf diese allgemeine Weise entkoppelt ist, kann der Elektromotor 143 betrieben werden, um einen Aufladungszustand des Schwungrads 136 aufrecht zu erhalten, und zusätzlich oder alternativ betrieben werden, um andere Komponenten in dem Antriebssystem 100 sowie den Generator 130 selbst zu drehen. Dem Fachmann werden die praktische Anwendungen dessen, dass ein Teil der Komponenten oder alle Komponenten des Antriebssystems 100 und des Generators 130 mit einer bestimmten minimalen Drehzahl am Drehen gehalten werden, sogar wenn das elektrische Leistungssystem 124 nicht aktiv elektrische Leistung produziert, um in das elektrische Leistungsnetz 175 zu fließen, klar sein. Wie im Folgenden hierin noch erläutert wird, wird in anderen Implementierungen die Verwendung der Übertragung von Schwungradenergie an den Antriebsmotor 126 in Betracht gezogen, um das Beschleunigen des Antriebsmotors 126 zu beschleunigen oder zu unterstützen, um eine Lastanforderung des Generators 130, zum Beispiel kurzfristige Stufenlasten, zu erfüllen.
Das elektrische Leistungssystem 124 umfasst ferner ein stufenlos variables Getriebe 138 im Parallelpfad mit einem Variator 154. Der Variator 154 kann einen hydraulischen Variator mit einem Hydraulikmotor 178, der mit einer Pumpe mit variabler Verdrängung 176 gekoppelt ist, und eine Variator-Ausgangswelle 174 umfassen. Das Getriebe 138 kann ferner einen Differential-Getriebezug 146 umfassen, etwa einen Planetenradsatz mit einem drehbaren Eingangselement 148, das aufgebaut ist, um sich mit einem fixierten Drehzahlverhältnis mit dem Antriebsmotor 126 zu drehen, wenn die Kupplung 140 im eingerückten Zustand ist, sowie mit einem drehbaren Ausgangselement 150. Der Betrieb des Getriebes 138 in Bezug auf die Aufladung des Schwungrads 136 und auch in Bezug auf das Übertragen von Energie von dem Schwungrad 136 auf die Antriebswelle 129 ist allgemein analog zu jenem, der in Verbindung mit vorstehenden Ausführungsformen beschrieben wurde. Es sollte klar sein, dass verschiedene Kupplungen, Übertragungszahnräder, und weitere Komponenten zwischen der Antriebswelle 129 und dem Schwungrad 136 gekoppelt sein können, darunter Elemente, die in 6 dargestellt, aber nicht beziffert sind, und/oder Elemente, die nicht abgebildet sind. Darüber hinaus werden auch Ausführungsformen in Betracht gezogen, die statt insgesamt nur einen Differential-Getriebezug mehrere Differential-Getriebezüge aufweisen, um die Drehzahlabstimmung je nach Fall zwischen der Antriebswelle 129, dem Schwungrad 136 und dem Antriebsmotor 126 zu erzielen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das drehbare Ausgangselement 150 dazu aufgebaut, sich mit einem fixierten Drehzahlverhältnis mit dem Schwungrad 136 zu drehen. Eine Ladepumpe 165 für den Variator 154 ist in 6 ebenfalls dargestellt und könnte durch ein beliebiges geeignetes Mittel angetrieben werden.
Nun bezugnehmend auf 7 wird dort ein elektrisches Leistungssystem 224 gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt und weist bestimmte Ähnlichkeiten mit dem elektrischen Leistungssystem 124 von 6, aber auch bestimmte Unterschiede dazu auf. Das elektrische Leistungssystem 224 umfasst einen Antriebsmotor 226, einen Generator 230 und ein Antriebssystem 200 mit einem Antriebsstrang 128, der dazu aufgebaut ist, Drehmoment zwischen dem Antriebsmotor 226 und dem Generator 230 zu übertragen. Eine Eingangswelle ist bei 231 dargestellt und eine Ausgangswelle bei 233. Das Antriebssystem 200 umfasst auch eine Antriebswelle 229, die auf eine Reihe von Wegen analog zu den in der vorliegenden Offenbarung an anderer Stelle beschriebenen Antriebswellen ausgestaltet sein kann. Das Antriebssystem 224 umfasst auch ein Energiespeichersystem 234 mit einem Schwungrad 236, einem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 242, der mit dem Schwungrad 236 gekoppelt ist, und einen Elektromotor 243, der mit dem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 242 zur Aufladung des Schwungrads 236 gekoppelt ist. Das Antriebssystem 200 umfasst auch eine Kupplung 240, die einstellbar ist zwischen einem eingerückten Zustand, in dem die Kupplung 240 den Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 242 und damit das Schwungrad 236 mit zumindest einem von Antriebsmotor 226 oder Antriebsstrang 228 koppelt, und einem ausgerückten Zustand. In der illustrierten Ausführungsform kann die Kupplung 240 den Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 242 mit dem Antriebsmotor 226 koppeln, während der Antriebsmotor 226 mit der Eingangswelle 231 gekoppelt ist; somit wird der Antriebsmotor 226 gleichzeitig mit dem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 242 und dem Schwungrad 246 sowie anderen Komponenten des Antriebssystems 200 und Generators 230 gekoppelt, in Abhängigkeit von dem Zustand weiterer Kupplungen in dem Antriebssystem 200. Der Drehzahlerhöhungs-Getriebezug 242 kann mit dem Elektromotor 243 gekoppelt sein und umfasst ein Antriebszahnrad 245, das dazu aufgebaut ist, sich mit einem fixierten Drehzahlverhältnis mit dem Antriebsmotor 226 zu drehen, wenn die erste Kupplung 240 im eingerückten Zustand ist.
Das elektrische Leistungssystem 224 umfasst auch ein stufenlos variables Parallelpfad-Getriebe 238 mit einem Variator 254. Der Variator 254 kann einen Hydraulikmotor 278 und eine Pumpe mit variabler Verdrängung 276 umfassen. Eine Ladepumpe ist bei 265 dargestellt. Eine Variator-Ausgangswelle ist bei 274 dargestellt. Das Getriebe 238 liegt innerhalb des Antriebsstrangs 228, so dass der Differential-Getriebezug 246 eine mechanische Kupplung zwischen dem Antriebsmotor 226 und dem Generator 230 bildet, im Unterschied zu der Ausführungsform von 6, wo das Getriebe 138 zwischen dem Antriebsmotor 126 und dem Schwungrad 136 gekoppelt ist. Der Differential-Getriebezug 146 umfasst zumindest ein drehbares Drehzahlsteuerungselement 252 und umfasst eine zweite Kupplung 290, die zwischen der Variator-Ausgangswelle 274 und dem drehbaren Drehzahlsteuerungselement 252 gekoppelt ist. Eine dritte Kupplung 295 ist mit dem Differential-Getriebezug 246 zwischen der Ausgangswelle 233 und dem Generator 230 gekoppelt. Es wird daran erinnert, dass die Anwendungen der Ausführungsform von 6 das Übertragen von Energie von dem Schwungrad 136 an den Antriebsmotor 126 umfassen, wenn der Antriebsmotor 126 in einem Bereitschaftsmodus und von anderen Teilen des elektrischen Leistungssystems 124 entkoppelt ist, sowie Anwendungen, bei denen der Antriebsmotor 126 betrieben wird, um andere Teile des elektrischen Leistungssystems 124 zu drehen, und Schwungradenergie übertragen wird, um den Antriebsmotor 126 zu beschleunigen, um eine Generatorstufenlast zu bewältigen. Das elektrische Leistungssystem 224 kann analog betrieben werden, um den Antriebsmotor 226 aus dem Bereitschaftsmodus ans Netz zu bringen, oder um die Antriebsmotordrehzahl zu erhöhen, um die Leistungsabgabe des Antriebsmotors zur Bewältigung einer Generatorstufenlast zu erhöhen. Dem Fachmann wird klar sein, dass weitere betriebliche Eigenschaften und Anwendungen, die nicht nur das Übertragen von Energie von den Schwungrädern 136 und 236 an die Antriebsmotoren 126 und 226 umfassen, sondern auch solche zum Zweck der Übertragung von Energie von den Antriebssträngen 128 und 228 auf die Schwungräder 136 und 236 möglich sind.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Nun bezugnehmend auf die Zeichnungen allgemein kann während des Betriebs des Antriebsmotors 26 die Antriebswelle 28 gedreht werden, um Zahnräder in dem Wechselgetriebe 32 zu drehen und ein Drehmoment auf eine drehbare Last, etwa die Pumpe 30, auszuüben. Wie oben angemerkt könnte die drehbare Last einen Endantrieb in einem Maschinenantriebsstrang, einem Ausrüstungsteil in Industrie oder Bergbau, oder einem anderen Maschinenteil sein, in der Regel einem Schwerlastmaschinenteil. Das Energiespeichersystem 34 könnte so aufgebaut sein, dass das Schwungrad 36 von dem Getriebe 38 entkoppelt wird, indem eine steuerbare Überbrückungskupplung oder dergleichen getrennt wird. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Variator 54 und/oder andere Komponenten steuerbar in einen solchen Zustand versetzt werden können, dass, während die mechanische Verbindung zwischen Schwungrad 36 und Antriebswelle 28 nicht unterbrochen ist, keine Energie zwischen Schwungrad 36 und Antriebswelle 28 übertragen wird. Es wird jedoch auch in Betracht gezogen, dass die meiste Zeit über, oder im Wesentlichen die gesamte Zeit über, das Energiespeichersystem 34 so betrieben wird, dass Energie zwischen Antriebswelle 28 und Energiespeicher-Schwungrad 36 übertragen wird, wobei das Muster der Energieübertragung mittels des Variators 54 gesteuert werden kann, wie im Folgenden hierin noch erläutert wird.
Allgemein ausgedrückt, wenn der Träger 68 beschleunigt, wird das Schwungrad 36 beschleunigt, und Energie fließt von der Antriebswelle 28 und dem drehbaren Eingangselement 48 in das Schwungrad 36. Wenn der Träger 68 sich verlangsamt, verlangsamt sich das Schwungrad 36, und Energie fließt von dem Schwungrad 36 in das drehbare Eingangselement 48 und die Antriebswelle 28. Wenn das Hohlrad 66 eine konstant positive Drehzahl aufweist, und das Sonnenrad 70 eine positive Beschleunigung, neigt der Träger 68 dazu, zu beschleunigen. Die Beschleunigung des Sonnenrads 70 ist direkt proportional zu der Beschleunigung der Variator-Ausgangswelle 74, und die Drehzahl der Variator-Ausgangswelle 74 ist proportional zu der Drehzahl der Variator-Eingangswelle 80, der Verdrängung der Hydraulikpumpe 76 und der Verdrängung des Hydraulikmotors 78. Die Beschleunigung der Variator-Ausgangswelle 74 ist wiederum proportional zu der Änderungsrate der Verdrängung der Hydraulikpumpe 76. Die Beschleunigung oder Verzögerung des Schwungrads 36 und somit die Energie, die in das oder aus dem Schwungrad 36 fließt, kann daher proportional zu der Änderungsrate der Verdrängung der Hydraulikpumpe 76 sein. Dem Fachmann wird klar sein, dass die Einbeziehung zusätzlicher oder alternativer Drehzahlsteuerungselemente, wie etwa Differential-Getriebezügen, und/oder andere Änderungen an der Architektur des Leistungssystems 24 zu unterschiedlichen Mustern oder Modi der Energieübertragung führen könnten.
Das Hohlrad 66 und das drehbare Eingangselement 48 drehen sich in der Regel kontinuierlich, solange sich die Antriebswelle 28 dreht. Daher sollte klar sein, dass durch Variieren der Drehzahl eines Zahnrads, etwa des Sonnenrads 70 in dem Differential-Getriebezug 46, mit dem Variator 54 ein Muster der Energieübertragung zwischen Antriebswelle 28 und Schwungrad 36, darunter zumindest die Größenordnung der Energieübertragung und/oder die Richtung der Energieübertragung, verändert werden kann. In der veranschaulichten Konfiguration erfolgt das Variieren der Drehzahl des Sonnenrads 70 in Ansprechen auf das Variieren der Drehzahl des Hydraulikmotors 78, die wiederum in Ansprechen auf das Variieren einer Verdrängung der Pumpe 76 erfolgt. Eine Übertragung von Energie von dem Energiespeicher-Schwungrad auf die Antriebswelle 28 oder von der Antriebswelle 28 auf das Energiespeicher-Schwungrad kann gestartet, erhöht, verringert oder unterbrochen werden, in Ansprechen auf das Variieren der Drehzahl der Ausgangswelle 133. Die hier beschriebene Flexibilität in Verbindung mit der Abstimmung der Drehzahlen und dem Steuern der Größenordnung und/oder Richtung der Energieübertragung zwischen dem Schwungrad 36 und der Antriebswelle 28 wird mit einem einzelnen Bereich des Getriebes erreicht. Dennoch sollte klar sein, dass in einer Getriebekonfiguration gemäß der vorliegenden Offenbarung auch mehrere Bereiche vorgesehen werden könnten.
Nun bezugnehmend auf 5 wird dort ein Nomogramm dargestellt, das funktionale und relationale Eigenschaften des Leistungssystems 24 und Energiespeichersystems 34 veranschaulicht. In dem Nomograph 90 bezeichnet die Bezugszahl 92 einen Drehzahleingang des Hohlrads 66. Die Linie 94 stellt die konstante Drehzahl des Hohlrads 66 dar. Wenn die Antriebsmotordrehzahl nicht variiert wird, variieren auch diese Komponenten und jene, die mit ihnen direkt gekoppelt sind, nicht. Die Linie 98 stellt den Drehzahlbereich des Sonnenrads 70 dar, wie es durch die Variator-Ausgangswelle 74 angetrieben wird, sowohl über als auch unter der Nulldrehzahllinie. Die Bezugszahl 99 identifiziert einen Drehzahlbereich des Trägers 68 und allgemein der Schwungraddrehzahl, obwohl klar sein sollte, dass eine Drehzahlerhöhung bis zu einem Verhältnis von 15:1 oder sogar noch mehr zwischen der Trägerdrehzahl und der Schwungraddrehzahl verwendet werden könnte.
Die elektrischen Leistungssysteme 124 und 224 können auf eine Weise betrieben werden, die in vielerlei Hinsicht aus der vorstehenden Beschreibung des Betriebs anderer hierin in Betracht gezogener Ausführungsformen verständlich wird, jedoch mit bestimmten Unterschieden. Außerdem sollte klar sein, dass bestimmte betriebliche Kennzeichen und Eigenschaften des elektrischen Leistungssystems 124 sich von jenen des elektrischen Leistungssystems 224 unterscheiden können. Der Betrieb des elektrischen Leistungssystems 124, 224 kann das Betreiben des Antriebsstrangs 128, 228 zur Ausübung eines Drehmoments auf den Generator 130, 230 umfassen. Wie oben angemerkt kann das Betreiben des Antriebsstrangs 128, 228 ganz oder zum Teil durch Übertragen von Energie von dem Schwungrad 136, 236 auf den Antriebsstrang 128, 228 erreicht werden. Zum Beispiel kann der Antriebsmotor 126, 226 gar kein Drehmoment auf den Antriebsstrang 128, 228 ausüben, wobei der Elektromotor 143, 243 verwendet wird, um den Antriebsstrang 128, 228 zu betreiben und die drehenden Komponenten des elektrischen Leistungssystems 124, 224 auf einer bestimmten minimalen Drehzahl zu halten. In anderen Fällen kann der Elektromotor 143, 243 verwendet werden, um die Schwungradaufladung aufrecht zu erhalten und parasitäre Verluste auszugleichen, während der Antriebsmotor 126, 226 auf andere Weise die Leistungsanforderungen des Generators 130, 230 erfüllt. Das Einstellen der Kupplung 140, 240 zwischen dem eingerückten Zustand und dem ausgerückten Zustand kann die Energieübertragung zwischen Antriebsmotor 126, 226, Schwungrad 136, 236 und Generator 130, 230 variieren. Wenn es gewünscht wird, die Energieübertragung von dem Schwungrad 136, 236 auf den Antriebsmotor 126, 226 zu starten, kann die Kupplung 140, 240 eingerückt werden, um zu beginnen, den Antriebsmotor 126, 226 zu beschleunigen. In dem Fall, dass der Antriebsmotor 126, 226 in einem Bereitschaftsmodus ist, wobei der Antriebsstrang 128, 228 auf andere Weise betrieben wird, kann das Einrücken der Kupplung 140, 240 allmählich den Antriebsmotor 126, 226 auf eine Drehzahl beschleunigen, bei welcher der Antriebsmotor 126, 226 die gerade erforderliche Leistungsabgabe erfüllen kann. Es sollte klar sein, dass der Kupplungsdruck in Verbindung mit der Ausführungsform von 6 im Gegensatz zu der Ausführungsform von 7 unterschiedlich moduliert werden könnte, zumindest aus dem Grund, dass die Lastanforderungen an den gegenständlichen Antriebsmotor auf Grundlage von Unterschieden in den Systemarchitekturen variieren kann. Wo die Schwungradenergie als eine Leistungsunterstützung übertragen wird, wenn der Antriebsmotor 126, 226 bereits in einem Betriebsmodus statt in einem Bereitschaftsmodus ist, können ähnlich Prozesse ausgeführt werden, um den Antriebsmotor 126, 226 auf eine gewünschte Drehzahl zu bringen. Es sollte auch klar sein, dass eine Drehzahl des Antriebsmotors 126, 226 in Ansprechen auf das Variieren der Energieübertragung zwischen Antriebsmotor 126, 226, Schwungrad 136, 236 und Generator 130, 230 verändert werden kann, ohne eine Drehzahl des Generators 130, 230 zu verändern oder wesentlich zu verändern. Wo die Antriebsmotordrehzahl in Ansprechen auf das Übertragen von Energie von dem Schwungrad 136, 236 verändert wird, kann die Antriebsmotordrehzahl sich in einem relativ größeren Umfang ändern als irgendeine Veränderung in der Generatordrehzahl, die in Ansprechen auf eine Generatorlastveränderung auftritt. Solche Möglichkeiten können dabei helfen, eine Generatorausgangsfrequenz mit einer Frequenz abzugleichen, die zum Beispiel für ein elektrisches Leistungsnetz 175 erforderlich oder erwünscht ist. In dem Fall der Ausführungsform von 7 kann das Betreiben des Antriebsstrangs 228 und des Energiespeichersystems 234 auf die hierin beschriebene Weise das Betreiben des Getriebes 238 umfassen, um Drehmoment auf den oder von dem Antriebsmotor 226 und/oder auf das oder von dem Schwungrad 236 oder von dem Motor 243 zu übertragen. Bezugnehmend auf die Ausführungsform von 6 kann das Betreiben des Antriebsstrangs 128 auf die hierin beschriebene Weise das Betreiben des Getriebes 138 umfassen, um Drehmoment auf den oder von dem Antriebsmotor 126 und/oder auf das oder von dem Schwungrad 136 oder von dem Motor 143 zu übertragen. In beiden Fällen kann Drehmoment auf den entsprechenden Generator 130, 230 von einem oder mehreren jeweils verfügbaren Quellen Elektromotor, Schwungrad oder Antriebsmotor übertragen werden, wie hierin beschrieben. Zum Beispiel kann das Ausüben von Drehmoment auf den Generator 130, 230 das das Ausüben von Drehmoment umfassen, das von dem Elektromotor 143, 243 und dem Antriebsmotor 126, 226 produziert wird, oder nur von dem Elektromotor 143, 243, aber nicht von dem Antriebsmotor 126, 226.
Nun bezugnehmend auf 8 ist dort ein zusammengesetzter Graph dargestellt, der unterschiedliche Betriebsparameter des elektrischen Leistungssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung auf der Y-Achse mit der Zeit auf der X-Achse in Beziehung setzt. In einer Spur oder einem Band 306 ist das Motordrehzahlverhältnis 365 dargestellt und zeigt, wie ein Variator gemäß der vorliegenden Offenbarung gesteuert wird, um die Antriebsmotordrehzahl und die Generatordrehzahl abzustimmen. An einem Zeitpunkt t₀ ist die Variatormotorkupplung offen, so dass der Variator „schwimmt“ und auf eine Verdrängung gleich null eingestellt ist. In einem weiteren Band 302 ist die Generatorlast 315 dargestellt. Wenn die Generatorlast oder Lastveränderung erstmals erfasst wird, können die Antriebsmotor- und Schwungrad-Kupplungen eingerückt werden, um das Schwungrad mit dem Antriebsmotor zu koppeln und den Antriebsmotor mittels der im Schwungrad gespeicherten Energie auf Drehzahl hochzufahren. In dem Band 302 sind auch die Antriebsmotorlast 320 und die Antriebsmotor-Verbrennungsleistung 325 dargestellt, die beide jeweils an einem Zeitpunkt t₃ zu variieren beginnen. Nach dem Zeitpunkt t₃ und vor einem späteren Zeitpunkt t₄ steigt eine Antriebsmotordrehzahl 340, die in einem weiteren Band 303 dargestellt ist, weiter an und die Antriebsmotor-Verbrennungsleistung 320 beginnt, einen Beitrag zur Abdeckung der Generatorlast 315 zu leisten. Zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₄ hört auch der Generatorabfall auf und erholt sich. In einem weiteren Band 305 ist ein Motorkupplungsdruck, entsprechend zum Beispiel einem Kupplungsdruck der Kupplung 290, bei 355 dargestellt und reflektiert den modifizierten Kupplungsdruck zur Übertragung von Energie von dem Variator an den Differential-Getriebezug. In dem Band 304 sind auch eine Generatordrehzahl bei 345 und eine gewünschte Antriebsmotordrehzahl bei 350 dargestellt. In einem weiteren Band 303 ist der Antriebsmotor-Kupplungsdruck bei 330 dargestellt, und der Schwungrad-Kupplungsdruck bei 335. In einem weiteren Band 301 ist die Schwungrad-Drehzahl bei 310 dargestellt.
Die in 8 dargestellten Betriebsparameter können auch als für die Ausführungsform von 7 gültig betrachtet werden; es sollte jedoch klar sein, dass Anwendungen der Methode und der Eigenschaften, die in 8 abgebildet sind, vollständig oder zum Teil auf die anderen hierin in Betracht gezogenen Ausführungsformen angewendet werden können. An einem Zeitpunkt t₁ wird die Generatorlast oder Lastveränderung erstmals erfasst, wie oben angemerkt. Es ist zu sehen, dass das Drehzahlverhältnis 365 in Ansprechen auf die Generatorlast verändert wird, wenn zum Beispiel die Pumpenverdrängung erhöht wird. Ungefähr an einem Zeitpunkt t₃ wird der Kupplungsdruck 355 erhöht, um das Variator-Ausgangsdrehmoment auf den Differential-Getriebezug auszuüben. Wie in dem Band 304 dargestellt wird an einem Zeitpunkt t₂ die gewünschte Antriebsmotordrehzahl rasch erhöht, und die Antriebsmotordrehzahl 340 wird mehr oder weniger allmählich erhöht, ohne die Generatordrehzahl 345 wesentlich zu verändern, bis zu einem Punkt, an dem die Antriebsmotordrehzahl und die Generatordrehzahl schließlich abgestimmt sind. In dem Band 303 ist zu sehen, dass der Schwungrad-Kupplungsdruck 335 zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂, erhöht wird, während der Übertragung von Energie von dem Schwungrad 236 auf den Antriebsmotor stabil gehalten wird und dann an dem Zeitpunkt t₃ auf ungefähr null verringert wird. Der Antriebsmotor-Kupplungsdruck 330 wird erhöht, bis der Antriebsmotor ungefähr an dem Zeitpunkt t₃ eingerückt ist. Es wird daran erinnert, dass die Kupplung 240 mehrere Kupplungen mit separat steuerbaren Drücken umfassen kann. An dem Band 301 nimmt die Schwungrad-Drehzahl 310 allmählich ab, ungefähr auf ein Minimum an einem Zeitpunkt t₄. Ein mit dem Schwungrad gekoppelter Elektromotor kann beginnend etwa mit dem Zeitpunkt t₄ oder potenziell danach eingesetzt werden, wenn der Schwungrad-Kupplungsdruck zurück auf null fällt und das Übertragen von Energie von dem Schwungrad 236 nicht länger notwendig ist.
Die vorliegende Beschreibung dient rein dem Zweck der Darstellung und sollte nicht dahingehend verstanden werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Abwandlungen der hierin offenbarten Ausführungsformen gemacht werden können, ohne vom vollen und fairen Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei Prüfung der beigefügten Zeichnungen und der folgenden Ansprüche klar werden. Wie hierin verwendet soll der Artikel „ein/e/r“ und „eines“ eine oder mehrere Gegenstände einschließen und kann daher austauschbar mit „ein/e/r oder mehrere“ verwendet werden. Wo nur ein Gegenstand gemeint ist, wird das Zahlwort „(genau) ein“ oder eine gleichwertige Formulierung verwendet. Wie hierin verwendet sind auch die Begriffe „weist auf, weisen auf, aufweisen“ oder dergleichen als umfangsoffene Begriffe zu verstehen. Ferner ist der Ausdruck „auf der Grundlage“ als „zumindest zum Teil auf Grundlage“ zu verstehen, es sei denn, es wird etwas anderes explizit angeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9108625 [0004]

Claims

Elektrisches Leistungssystem (124, 224) umfassend: einen Antriebsmotor (126, 226), einen Generator (130, 230); ein Antriebsstrang (128, 228), der dazu aufgebaut ist, Drehmoment zwischen dem Antriebsmotor (126, 226) und dem Generator (130, 230) zu übertragen; ein Energiespeichersystem (134, 234) mit einem Schwungrad (136, 236), einen Drehzahlerhöhungs-Getriebezug (142, 242), der mit dem Schwungrad (136, 236) gekoppelt ist, und einen Elektromotor (143, 243), der mit dem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug (142, 242) zum Aufladen des Schwungrads (136, 236) gekoppelt ist; und eine Kupplung (140, 240), die zwischen einem eingerückten Zustand, in dem die Kupplung (140, 240) den Drehzahlerhöhungs-Getriebezug (142, 242) mit zumindest einem von Antriebsmotor (126, 226) oder Antriebsstrang (128, 228) koppelt, um Energie zwischen dem Schwungrad (136, 236) und dem zumindest einen von Antriebsmotor (126, 226) oder Antriebsstrang (128, 228) zu übertragen, und einem ausgerückten Zustand einstellbar ist.
Elektrisches Leistungssystem (124, 224) nach Anspruch 1, ferner umfassend ein stufenlos variables Parallelpfad-Getriebe (138, 238) mit einem Variator (154, 254), und einem Differential-Getriebezug (146, 246) mit einem drehbaren Eingangselement (148, 248), das dazu aufgebaut ist, um sich mit einem fixierten Drehzahlverhältnis mit dem Antriebsmotor (126, 226) zu drehen, wenn die Kupplung (140, 240) im eingerückten Zustand ist, und einem drehbaren Ausgangselement (150, 250); und wobei der Variator (154, 254) einen hydraulischen Variator mit einem Hydraulikmotor (178, 278) und einer Pumpe mit variabler Verdrängung (176, 276) umfasst.
Elektrische Leistungssystem (224) nach Anspruch 2, wobei das stufenlos variable Getriebe (238) innerhalb des Antriebsstrangs (228) liegt, so dass der Differential-Getriebezug (246) eine mechanische Kupplung zwischen dem Antriebsmotor (226) und dem Generator (230) bildet; wobei der Variator (254) eine Variator-Ausgangswelle (274) umfasst, und der Differential-Getriebezug (246) zumindest eine drehbares Drehzahlsteuerungselement (252) umfasst, und ferner eine zweite Kupplung (295) umfasst, die zwischen der Variator-Ausgangswelle (274) und dem zumindest einen drehbaren Drehzahlsteuerungselement (252) gekoppelt ist; und wobei der Drehzahlerhöhungs-Getriebezug (242) mit dem Elektromotor (243) gekoppelt ist und ein Antriebszahnrad (245) umfasst, das dazu aufgebaut ist, sich mit einem fixierten Drehzahlverhältnis mit dem Antriebsmotor (226) zu drehen, wenn die erste Kupplung (240) im eingerückten Zustand ist.
Elektrisches Leistungssystem (124) nach Anspruch 2, wobei das stufenlos variable Getriebe (138) zwischen dem Antriebsstrang (128) und dem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug (142) gekoppelt ist; und wobei das drehbare Ausgangselement (150) dazu aufgebaut ist, sich mit einem fixierten Drehzahlverhältnis mit dem Schwungrad (136) zu drehen.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Leistungssystems (124, 224), umfassend: Betreiben eines Antriebsstrangs (128, 228), der zwischen einem Antriebsmotor (126, 226) und einem Generator (130, 230) in dem elektrischen Leistungssystem (124, 224) gekoppelt ist; Ausüben eines Drehmoments auf den Generator (130, 230) durch Betreiben des Antriebsstrangs (128, 228); Drehen eines Energiespeicher-Schwungrads (136, 236) in dem elektrischen Leistungssystem (124, 224) durch einen Elektromotor (143, 243); Einstellen einer Kupplung (140, 240) in dem elektrischen Leistungssystem (124, 224) zwischen einem eingerückten Zustand, in dem die Kupplung (140, 240) das Energiespeicher-Schwungrad (136, 236) mit zumindest einem von Antriebsmotor (126, 226) oder Antriebsstrang (128, 228) koppelt, und einem ausgerückten Zustand; und Variieren der Energieübertragung zwischen dem Antriebsmotor (126, 226), dem Energiespeicher-Schwungrad (136, 236) und dem Generator (130, 230) durch Einstellen der Kupplung (140, 240) zwischen einem eingerückten Zustand und einem ausgerückten Zustand.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Einstellen der Kupplung (140, 240) das Einstellen der Kupplung (140, 240) von dem ausgerückten Zustand in den eingerückten Zustand umfasst, so dass das Variieren der Energieübertragung das Auslösen der Energieübertragung von dem Energiespeicher-Schwungrad (136, 236) an den Antriebsmotor (126, 226) umfasst; wobei das Betreiben des Antriebsstrangs (128, 228) das Betreiben des Antriebsstrangs (128, 228) umfasst, während der Antriebsmotor (126, 226) in einem Bereitschaftsmodus ist, und wobei das Ausüben des Drehmoments auf den Generator (130, 230) das Ausüben eines Drehmoments, das von dem Elektromotor (143, 243) und nicht dem Antriebsmotor (126, 226) produziert wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Betreiben des Antriebsstrangs (128, 228) das Betreiben des Antriebsstrangs (128, 228) umfasst, wenn der Antriebsmotor (126, 226) in einem Betriebsmodus ist, und wobei das Ausüben des Drehmoments auf den Generator (130, 230) das Ausüben eines Drehmoments, das von dem Elektromotor (143, 243) und dem Antriebsmotor (126, 226) produziert wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Auslösen der Energieübertragung von dem Energiespeicher-Schwungrad (136, 236) an den Antriebsmotor (126, 226) das Auslösen der Energieübertragung in Ansprechen auf eine Veränderung in einer Lastaufforderung des Generators (130, 230) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Betreiben des Antriebsstrangs (228) ferner das Betreiben eines stufenlos variablen Parallelpfad-Getriebes (238) in dem Antriebsstrang (228) mit einem Variator (254) und einem Differential-Getriebezug (246) umfasst; und wobei der Variator (254) einen hydraulischen Variator mit einem Hydraulikmotor (278) und einer Pumpe mit variabler Verdrängung (276) umfasst.
Antriebssystem (100, 200) für ein elektrisches Leistungssystem (124, 224) umfassend: einen Antriebsstrang (128, 228) mit einer Eingangswelle (131, 231), die dazu aufgebaut ist, mit einem Antriebsmotor (126, 226) gekoppelt zu werden, einer Ausgangswelle (133, 233), die dazu aufgebaut ist, mit einem Generator (130, 230) gekoppelt zu werden, und ein stufenlos variables Getriebe (138, 238) im Parallelpfad, das zwischen der Eingangswelle (131, 231) und der Ausgangswelle (133, 233) gekoppelt ist; ein Energiespeichersystem (134, 234), das mit dem Antriebsstrang (128, 228) gekoppelt ist und ein Schwungrad (136, 236), einen Drehzahlerhöhungs-Getriebezug (142, 242), der mit dem Schwungrad (136, 236) gekoppelt ist, und einen Elektromotor (143, 243), der mit dem Drehzahlerhöhungs-Getriebezug (142, 242) zum Aufladen des Schwungrads (136, 236) gekoppelt ist, aufweist; und eine Kupplung (140, 240), die zwischen einem eingerückten Zustand, in dem die Kupplung (140, 240) den Drehzahlerhöhungs-Getriebezug (142, 242) mit der Eingangswelle (131, 231) koppelt, um Energie zwischen dem Schwungrad (136, 236) und zumindest einem von Antriebsmotor (126, 226) oder Antriebsstrang (128, 228) zu übertragen, und einem ausgerückten Zustand einstellbar ist.