DE102019204675A1 - Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine - Google Patents

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Raphael Himmelsbach
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Abstract

Ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine ist mit mindestens einer Verbrennungskraftmaschine (1) und mindestens einer elektrischen Maschine (2) versehen. Das Antriebssystem weist ferner ein Überlagerungsgetriebe (3) zur Abgabe einer Antriebskraft zumindest für den Fahrantrieb (10) der Arbeitsmaschine auf. Außerdem ist ein fluidbetriebener Nebenabtrieb (8), der von einer Arbeitsfluidpumpe (4) mit druckbeaufschlagtem Arbeitsfluid versorgt wird, sowie ein mechanischer Nebenabtrieb (9) vorgesehen. Die verfügbare Antriebskraft kann geeignet auf den Fahrantrieb (10), den mechanischen Nebenabtrieb (9) und den fluidbetriebenen Nebenabtrieb (8) verteilt werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine mit mindestens einer Verbrennungskraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine, mit dem eine variable Verteilung der installierten Systemleistung auf den Fahrantrieb und Arbeitsgeräte ermöglicht wird.
  • Stand der Technik
  • Bei Arbeitsmaschinen ist es erforderlich, neben einem Fahrantrieb auch Nebenverbraucher anzutreiben. Dabei werden Nebenverbraucher in herkömmlicher Weise mechanisch, beispielsweise durch eine Zapfwelle, oder durch ein Arbeitsfluid, insbesondere durch eine Arbeitshydraulik, angetrieben. In der Vergangenheit gab es Bestrebungen, Arbeitsmaschinen mit einem zumindest teilweise elektrischen Antriebssystem auszustatten. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Arbeitshydraulik bezüglich der Leistungsdichte mechanischen Systemen überlegen ist und daher die Arbeitshydraulik weiterhin in das Antriebssystem integriert ist. Daher ist es von Vorteil, die Arbeitshydraulik trotz der zumindest teilweise elektrischen Ausgestaltung des Antriebssystems beizubehalten.
  • Im Stand der Technik wurden zahlreiche Versuche unternommen, ein vollelektrisches oder teilelektrisches Antriebssystem für Arbeitsmaschinen unter Berücksichtigung der vorstehend angegebenen Anforderungen möglichst variabel und flexibel auszugestalten. Dabei wurden bisher die vorstehend genannten Anforderungen an ein Antriebssystem für Arbeitsmaschinen nicht vollständig berücksichtigt.
  • Die Erfindung adressiert den vorstehend genannten Bedarf nach einem Antriebssystem für Arbeitsmaschinen, bei dem sowohl der Fahrantrieb als auch Arbeitsgeräte vollelektrisch oder teilelektrisch betrieben werden können, während das Antriebssystem eine möglichst flexible Betriebsweise bereitstellt.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine. Verschiedene Gesichtspunkte der Erfindung werden im Folgenden dargelegt.
  • Gemäß einem ersten Gesichtspunkt kann das Antriebssystem mindestens eine Verbrennungskraftmaschine und mindestens eine elektrische Maschine aufweisen. Das Antriebssystem kann ferner ein Überlagerungsgetriebe zum Kombinieren der Antriebskraft der Verbrennungskraftmaschine und der Antriebskraft der elektrischen Maschine und zur Abgabe einer Antriebskraft zumindest für den Fahrantrieb der Arbeitsmaschine aufweisen. Dabei können im Kraftübertragungspfad zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Überlagerungsgetriebe eine Arbeitsfluidpumpe und ein Arbeitsfluidmotor vorgesehen sein. Die Verbrennungskraftmaschine kann mit der Arbeitsfluidpumpe zu einer integrierten Fluidpumpeneinheit zusammengefasst sein, während das Überlagerungsgetriebe und der Arbeitsfluidmotor zu einer integrierten Fluidmotoreinheit zusammengefasst sein können.
  • Mit dieser Anordnung wird ermöglicht, druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid durch die Fluidpumpeneinheit zur Verfügung zu stellen, das einerseits zum Betrieb von Arbeitsgeräten der Arbeitsmaschine verwendet werden kann und andererseits zum Betrieb des Arbeitsfluidmotors eingesetzt werden kann. Gleichzeitig können mit diesem Aufbau die Antriebskräfte der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine zum Einsatz kommen. Außerdem kann mit diesem Aufbau ein leistungsverzweigter Antrieb zur Verfügung gestellt werden, der insbesondere eine stufenlose Betriebsart ermöglicht.
  • Das Antriebssystem kann ferner einen mit einem Bordnetz der Arbeitsmaschine verbundenen elektrischen Energiespeicher aufweisen. Das Bordnetz kann auch ein Hochvoltnetz umfassen. Dabei kann die elektrische Maschine mit dem Bordnetz verbunden sein und als Generator zum Laden des elektrischen Energiespeichers oder als Motor zu Erzeugung einer Antriebskraft durch Zufuhr von elektrischer Energie aus dem Bordnetz betrieben werden.
  • Mit dieser Ausgestaltung kann die elektrische Maschine, insbesondere für einen vollelektrischen Antrieb, eingesetzt werden, während der vorgesehene elektrische Energiespeicher durch in die elektrische Maschine eingeleitete mechanische Antriebskraft geladen werden kann.
  • In der Fluidpumpeneinheit kann zusätzlich ein elektrischer Generator vorgesehen sein, der mit dem Bordnetz verbunden ist und der von der Verbrennungskraftmaschine zum Laden des elektrischen Energiespeichers antreibbar ist.
  • Mit dieser Ausgestaltung kann das Antriebssystem äußerst flexibel eingesetzt werden, da durch den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine elektrische Energie erzeugt werden kann, die die auch unabhängig von dem Antrieb durch das Antriebssystem zum Laden des elektrischen Energiespeichers verwendet werden kann. Zudem ist es möglich, die von dem elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie für den Betrieb von elektrischen Verbrauchern ohne Zwischenschaltung des elektrischen Energiespeichers einzusetzen.
  • Durch das Überlagerungsgetriebe kann ein mechanisch betriebener Nebenabtrieb angetrieben werden.
  • Insbesondere weist das Überlagerungsgetriebe ein Ausgangselement auf, mit dem eine Antriebskraft zur Verfügung gestellt werden kann. Diese Antriebskraft kann beispielsweise durch eine Zapfwelle direkt auf mechanische Verbraucher, wie beispielsweise an der Arbeitsmaschine montierbare und mechanisch betreibbare Geräte, übertragen werden. In diesem Fall wird die Antriebskraft, die für den mechanischen Verbraucher zur Verfügung gestellt wird, von den Antriebseinrichtungen des Antriebssystems insgesamt zur Verfügung gestellt. Durch das Überlagerungsgetriebe können die Antriebskräfte der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine kombiniert werden. Hierdurch ergibt sich ein weitergehend flexibler Betrieb des Antriebssystems.
  • Die Arbeitsfluidpumpe der Fluidpumpeneinheit kann über eine Fluidverbindung mit einem fluidbetriebenen Nebenabtrieb verbunden werden.
  • Mit dieser Ausgestaltung wird trotz des teil- oder vollelektrischen Betriebs des Antriebssystems der Betrieb einer Arbeitshydraulik durch einen fluidbetriebenen Nebenabtrieb, wie zum Beispiel einer Arbeitshydraulik, ermöglicht. Der fluidbetriebene Nebenabtrieb kann dabei ein an der Arbeitsmaschine montierbares Gerät sein, das über Arbeitsfluid betrieben wird, wie zum Beispiel hydraulisch betriebene Vorrichtungen.
  • An der Fluidverbindung zwischen der Arbeitsfluidpumpe und dem mit dieser verbindbaren fluidbetriebenen Nebenabtrieb kann ein Fluiddruckspeicher angeschlossen sein, der druckbeaufschlagtes Fluid aus der Fluidverbindung aufnehmen und an diese abgeben kann.
  • Der Fluiddruckspeicher bewirkt bei diesem Aufbau, dass von der Arbeitsfluidpumpe bereitgestelltes und druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid gespeichert werden kann und zu einem vorgegebenen Zeitpunkt wieder in die Fluidverbindung zurückgeführt werden kann. Hierdurch kann der fluidbetriebene Nebenabtrieb durch in den Fluiddruckspeicher gespeichertes Arbeitsfluid betrieben werden. Ferner ist es möglich, mit dem druckbeaufschlagten Arbeitsfluid, das in dem Fluiddruckspeicher gespeichert ist, den Arbeitsfluidmotor zu betreiben oder zumindest zu unterstützen.
  • Das Antriebssystem kann ferner ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung und Einleitung elektrischer Energie in das Bordnetz aufweisen.
  • Als Brennstoffzellensystem kann grundsätzlich jedes verfügbare System zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft ist ein Brennstoffzellensystem, das als Brennstoff denselben Brennstoff verwendet wie die in dem Antriebssystem vorgesehene Verbrennungskraftmaschine. Das Brennstoffzellensystem kann mit dem Bordnetz der Arbeitsmaschine verbunden sein und zum Laden des elektrischen Energiespeichers oder zum Betreiben elektrischer Verbraucher, die mit dem Bordnetz in Verbindung stehen, verwendet werden. Durch diese zusätzliche Komponente wird die Flexibilität des Antriebssystems weiter verbessert.
  • Als Arbeitsfluid kann ein Hydraulikfluid zum Einsatz kommen.
  • Wenn als Arbeitsfluid ein Hydraulikfluid zum Einsatz kommt, können standardisierte Arbeitshydrauliksysteme verwendet werden, die auf Basis eines im Wesentlichen inkompressiblen Hydrauliköls betrieben werden. Es ist jedoch auch denkbar, als Arbeitsfluid ein kompressibles Fluid, wie zum Beispiel ein Gas, insbesondere Luft, zu verwenden, sodass sich ein Pneumatiksystem ergibt. Die Elemente, die im Zusammenhang mit dem Arbeitsfluid stehen, können ohne Weiteres für den Betrieb mit einem Hydrauliköl oder einem Gas, wie zum Beispiel Luft, angepasst werden.
  • Die Verbrennungskraftmaschine kann als Freikolbenmaschine mit Auskoppelungsmitteln zum Auskoppeln der erzeugten Leistung ausgebildet sein.
  • Als Freikolbenmaschine kommt jede Maschine infrage, bei der der Kolben in einem Zylinder ohne die Anordnung von Pleuel- und Kurbelwelle beweglich ist. Die Freikolbenmaschine kann dabei als Freikolbenverbrennungskraftmaschine ausgebildet sein, bei der eine Brennkammer vorgesehen ist, die in einem Zyklus ein Kraftstoff-LuftGemisch nach Druckbeaufschlagung zündet und auf diese Weise auf den Kolben der Freikolbenmaschine eine Kraft ausübt. Es ist hierbei auch möglich, eine Freikolbenverbrennungskraftmaschine mit zwei Kolben einzusetzen.
  • Als Auskopplungsmittel zum Auskoppeln der erzeugten Leistung aus der Freikolbenverbrennungskraftmaschine kommen Mittel zum Auskoppeln elektrischer Leistung und Mittel zum Auskoppeln mechanischer Leistung infrage. Dabei kann der Kolben mechanisch mit einem Lineargenerator gekoppelt werden. Außerdem ist es möglich, die Leistung in Form von elektrischer Leistung über Induktion im Zusammenhang mit dem sich bewegenden Kolben der Freikolbenmaschine auszukoppeln. Hierzu ist es denkbar, ein mit dem Kolben bewegliches Magnetfeld vorzusehen. Zur Auskopplung mechanischer Energie kommt eine mechanische Kopplung mit dem Kolben der Freikolbenmaschine infrage. Insbesondere ist es möglich, ein Gaspolster auf der der Brennkammer abgewandten Seite des Kolbens der Freikolbenmaschine miteinzubeziehen und somit den pulsierenden Druck in dieser Kammer zur Auskopplung der Leistung zu verwenden.
  • Der Freikolben der Verbrennungskraftmaschine kann auch direkt mit einem hydraulischen Arbeitskolben verbunden sein und die oszillierende Bewegung des Motors wird zum Pumpen eines Hydraulikfluides benutzen. Druckschwankungen werden dabei durch einen Hydraulikspeicher ausgeglichen. Das auf diese Weise von einem niedrigen Druckniveau auf ein hohes Druckniveau gebrachte Fluid kann hydraulischen Nebenabtrieben und dem Fluidmotor im Fahrantrieb zur Verfügung gestellt werden.
  • Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt ist ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine mit mindestens einer ersten Verbrennungskraftmaschine sowie mindestens einer ersten elektrischen Maschine und einer zweiten elektrischen Maschine vorgesehen. Dabei kann das Antriebssystem eine Arbeitsfluidpumpe aufweisen, die über eine Fluidverbindung mit einem fluidbetriebenen Nebenabtrieb verbindbar ist. Bei dem Antriebssystem kann die erste elektrische Maschine mit der Verbrennungskraftmaschine zur Erzeugung und Einspeisung elektrischer Energie in ein Bordnetz der Arbeitsmaschine verbunden sein, während die zweite elektrische Maschine mit der Arbeitsfluidpumpe verbunden sein kann, um durch Zufuhr von elektrischer Energie aus dem Bordnetz die Arbeitsfluidpumpe anzutreiben.
  • Mit dieser Ausgestaltung wird ein flexibles Antriebssystem zur Verfügung gestellt, mit dem die Verbrennungskraftmaschine und die erste elektrische Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie dienen, die von der zweiten elektrischen Maschine auf den Fahrantrieb und Arbeitsgeräte einer Arbeitsmaschine übertragen werden kann.
  • Insbesondere kann mit der zweiten elektrischen Maschine auch die Arbeitsfluidpumpe betrieben werden, sodass der fluidbetriebene Nebenabtrieb in der elektrisch betreibbaren Arbeitsmaschine beibehalten wird.
  • Das Antriebssystem kann ferner einen mit dem Bordnetz verbundenen elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei die erste elektrische Maschine mit dem Bordnetz verbunden ist und als Generator zum Laden des elektrischen Energiespeichers dient. Dabei kann die zweite elektrische Maschine als Motor zur Erzeugung einer Antriebskraft durch Zufuhr von elektrischer Energie aus dem Bordnetz oder als Generator zum Laden des elektrischen Energiespeichers betreibbar sein.
  • Mit diesem Aufbau kann die Flexibilität des Systems weitergehend verbessert werden und es ist insbesondere ein vollelektrischer Betrieb der Arbeitsmaschine möglich. Außerdem ist eine Rekuperation von Energie durch Einleiten von Antriebskraft in die zweite elektrische Maschine und deren Funktion als Generator möglich.
  • Ferner kann ein Überlagerungsgetriebe vorgesehen sein, das mit der zweiten elektrischen Maschine, der Arbeitsfluidpumpe und einem Fahrantrieb der Arbeitsmaschine gekoppelt sein kann. Dabei kann das Überlagerungsgetriebe die Antriebskraft der zweiten elektrischen Maschine auf die Arbeitsfluidpumpe und den Fahrantrieb verteilen. Durch diesen Aufbau wird ermöglicht, die Antriebskraft der zweiten elektrischen Maschine geeignet und bedarfsgerecht auf die Arbeitsfluidpumpe und den Fahrantrieb zu übertragen. Hierdurch wird die Flexibilität des Systems weitergehend verbessert.
  • Ferner ist es möglich, ein Überlagerungsgetriebe vorzusehen, das mit der zweiten elektrischen Maschine, einem mechanischen Nebenabtrieb und einem Fahrantrieb der Arbeitsmaschine gekoppelt ist. Dabei kann das Überlagerungsgetriebe die Antriebskraft der zweiten elektrischen Maschine auf den mechanischen Nebenabtrieb und den Fahrantrieb verteilen.
  • Insgesamt kann durch diesen Aufbau die von der zweiten elektrischen Maschine bereitgestellte Antriebskraft geeignet auf den Fahrantrieb und den mechanischen Nebenabtrieb verteilt werden, wodurch sich eine verbesserte Flexibilität ergibt.
  • Bei der vorstehend genannten Anordnung kann die Arbeitsfluidpumpe durch den mechanischen Nebenabtrieb angetrieben werden.
  • Hierdurch wird ermöglicht, die Antriebskraft der ersten elektrischen Maschine auf den Fahrantrieb und gleichzeitig auf den mechanischen Nebenabtrieb wie auch den fluidbetriebenen Nebenabtrieb geeignet zu verteilen, während gleichzeitig die Möglichkeit eines vollelektrischen Betriebs beibehalten wird.
  • An den mechanischen Nebenabtrieb kann eine dritte elektrische Maschine zum Antreiben des Nebenabtriebs und der Arbeitsfluidpumpe gekoppelt sein.
  • Mit dieser Anordnung kann zusätzlich zu der zweiten elektrischen Maschine eine ergänzende Antriebskraft zur Verfügung gestellt werden, die für den fluidbetriebenen Nebenabtrieb und den mechanischen Nebenabtrieb eingesetzt werden kann. Insbesondere trägt dies der Anforderung von Arbeitsmaschinen Rechnung, da der Leistungsbedarf bei Nebenverbrauchern unter gewissen Betriebsbedingungen deutlich höher als der Bedarf des Fahrantriebs sein kann.
  • An der Fluidverbindung zwischen der Arbeitsfluidpumpe und dem mit dieser verbindbaren fluidbetriebenen Nebenabtrieb kann ein Fluiddruckspeicher verbunden sein, der druckbeaufschlagtes Fluid aus der Fluidverbindung aufnehmen und an diese abgeben kann.
  • Der Fluiddruckspeicher bewirkt bei diesem Aufbau, dass von der Arbeitsfluidpumpe bereitgestelltes und druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid gespeichert werden kann und zu einem vorgegebenen Zeitpunkt wieder in die Fluidverbindung zurückgeführt werden kann. Hierdurch kann der fluidbetriebene Nebenabtrieb durch in den Fluiddruckspeicher gespeichertes Arbeitsfluid betrieben werden. Ferner ist es möglich, mit dem druckbeaufschlagten Arbeitsfluid, das in dem Fluiddruckspeicher gespeichert ist, den Arbeitsfluidmotor zu betreiben oder zumindest zu unterstützen.
  • Die Arbeitsfluidpumpe kann als Arbeitsfluidmotor betreibbar sein, um bei Einleitung des druckbeaufschlagten Fluids aus dem Fluiddruckspeicher eine Antriebskraft zu erzeugen.
  • Mit diesem Aufbau kann eine zusätzliche Antriebskraft für das Antriebssystem aufgrund des in dem Fluiddruckspeicher gespeicherten Fluids erzeugt werden.
  • Das Antriebssystem kann ferner ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung und Einleitung elektrischer Energie in das Bordnetz aufweisen.
  • Als Brennstoffzellensystem kann grundsätzlich jedes verfügbare System zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft ist ein Brennstoffzellensystem, das als Brennstoff denselben Brennstoff verwendet wie die in dem Antriebssystem vorgesehene Verbrennungskraftmaschine. Das Brennstoffzellensystem kann mit dem Bordnetz der Arbeitsmaschine verbunden sein und zum Laden des elektrischen Energiespeichers oder zum Betreiben elektrischer Verbraucher, die mit dem Bordnetz in Verbindung stehen, verwendet werden. Durch diese zusätzliche Komponente wird die Flexibilität des Antriebssystems weiter verbessert.
  • Als Arbeitsfluid kann ein Hydraulikfluid zum Einsatz kommen. Alternativ können auch Gase, insbesondere gering kompressible Gase, verwendet werden.
  • Wenn als Arbeitsfluid ein Hydraulikfluid zum Einsatz kommt, können standardisierte Arbeitshydrauliksysteme verwendet werden, die auf Basis eines im Wesentlichen inkompressiblen Hydrauliköls betrieben werden. Es ist jedoch auch denkbar, als Arbeitsfluid ein kompressibles Fluid, wie zum Beispiel ein Gas, insbesondere Luft, zu verwenden, sodass sich ein Pneumatiksystem ergibt. Die Elemente, die im Zusammenhang mit dem Arbeitsfluid stehen, können ohne Weiteres für den Betrieb mit einem Hydrauliköl oder einem Gas, wie zum Beispiel Luft, angepasst werden.
  • Die Verbrennungskraftmaschine kann als Freikolbenmaschine mit Auskoppelungsmitteln zum Auskoppeln der erzeugten Leistung ausgebildet sein.
  • Als Freikolbenmaschine kommt jede Maschine infrage, bei der der Kolben in einem Zylinder ohne die Anordnung von Pleuel- und Kurbelwelle beweglich ist. Die Freikolbenmaschine kann dabei als Freikolbenverbrennungskraftmaschine ausgebildet sein, bei der eine Brennkammer vorgesehen ist, die in einem Zyklus ein Kraftstoff-LuftGemisch nach Druckbeaufschlagung zündet und auf diese Weise auf den Kolben der Freikolbenmaschine eine Kraft ausübt. Es hierbei auch möglich, eine Freikolbenverbrennungskraftmaschine mit zwei Kolben einzusetzen.
  • Als Auskopplungsmittel zum Auskoppeln der erzeugten Leistung aus der Freikolbenverbrennungskraftmaschine kommen Mittel zum Auskoppeln elektrischer Leistung und Mittel zum Auskoppeln mechanischer Leistung infrage. Dabei kann der Kolben mechanisch mit einem Lineargenerator gekoppelt werden. Außerdem ist es möglich, die Leistung in Form von elektrischer Leistung über Induktion im Zusammenhang mit dem sich bewegenden Kolben der Freikolbenmaschine auszukoppeln. Hierzu ist es denkbar, ein mit dem Kolben bewegliches Magnetfeld vorzusehen. Zur Auskopplung mechanischer Energie kommt eine mechanische Kopplung mit dem Kolben der Freikolbenmaschine infrage. Außerdem ist es möglich, ein Gaspolster auf der der Brennkammer abgewandten Seite des Kolbens der Freikolbenmaschine miteinzubeziehen und somit den pulsierenden Druck in dieser Kammer zur Auskopplung der Leistung zu verwenden.
  • Gemäß einem dritten Gesichtspunkt ist ein Antriebssystem vorgesehen, das die Konzepte des Antriebssystems gemäß dem ersten Gesichtspunkt und des Antriebssystems gemäß dem zweiten Gesichtspunkt miteinander vereint. Insbesondere kann das Antriebssystem gemäß dem dritten Gesichtspunkt die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem ersten Gesichtspunkt aufweisen, wobei die Verbrennungskraftmaschine dann mit der Arbeitsfluidpumpe verbunden ist. Zusätzlich kann als zweite Verbrennungskraftmaschine die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem zweiten Gesichtspunkt vorgesehen sein, wobei diese zweite Verbrennungskraftmaschine mit der ersten elektrischen Maschine verbunden ist. Gemäß dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird somit über das Überlagerungsgetriebe Antriebskraft auf den Fahrantrieb übertragen. Ferner ist ein fluidbetriebener Nebenabtrieb vorgesehen, der von der Arbeitsfluidpumpe mit Arbeitsfluid versorgt wird.
  • Zusätzlich können einzelne oder mehrere Merkmale des Antriebssystems gemäß dem ersten Gesichtspunkt und des Antriebssystems gemäß dem zweiten Gesichtspunkt geeignet miteinander kombiniert werden. Mit dem Antriebssystem gemäß dem dritten Gesichtspunkt wird eine äußerst hohe Flexibilität und Variabilität zum Antrieb für den Betrieb des Fahrantriebs, des mechanischen Nebenabtriebs und des fluidbetriebenen Nebenabtriebs ermöglicht. Außerdem kann dieses Antriebssystem vollelektrisch, vollständig mit der Antriebskraft der Verbrennungskraftmaschine oder in einer hybriden Betriebsweise betrieben werden.
  • Den oben beschriebenen Antriebssystemen ist gemeinsam, dass eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, die die vorgesehenen Elemente geeignet steuert, sodass die Anforderungen der Arbeitsmaschine, in der das Antriebssystem vorgesehen wird, erfüllt werden.
  • Gemäß einem vierten Gesichtspunkt ist eine Arbeitsmaschine vorgesehen, die einen Fahrantrieb, einen mechanischen Nebenabtrieb sowie einen fluidbetriebenen Nebenabtrieb aufweist. Die Arbeitsmaschine ist mit einem Antriebssystem gemäß den vorstehend erläuterten Gesichtspunkten versehen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein Antriebssystem gemäß einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung;
    • 2 zeigt eine Abwandlung des in 1 gezeigten Antriebssystems gemäß der ersten Ausführungsform;
    • 3 zeigt das Antriebssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung; und
    • 4 zeigt eine Abwandlung in 3 gezeigten Antriebssystems der zweiten Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform des Antriebssystems in einer schematischen Darstellung. Grundsätzlich ist das Antriebssystem zum Einsatz in einer Arbeitsmaschine vorgesehen, wobei die Arbeitsmaschine eine Landmaschine, eine selbstfahrende Maschine, eine Baumaschine, oder jede andere Maschine umfassen kann, die zumindest einen Fahrantrieb und einen Nebenabtrieb aufweist.
  • Wie in 1 gezeigt ist, weist das Antriebssystem eine Verbrennungskraftmaschine 1 auf. Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist hierbei mit einer Arbeitsfluidpumpe 4 gekoppelt, sodass die Verbrennungskraftmaschine 1 die Arbeitsfluidpumpe 4 antreiben kann. Wie in 1 angedeutet ist, ist die Verbrennungskraftmaschine 1 mit der Arbeitsfluidpumpe 4 als Einheit vorgesehen, sodass eine Fluidpumpeneinheit 11 gebildet wird.
  • Ferner ist in dem Antriebssystem von 1 ein Arbeitsfluidmotor 5 vorgesehen, der über das Fluid von der Arbeitsfluidpumpe 4 betreibbar ist. Der Arbeitsfluidmotor 5 ist ausgangsseitig mit einem Überlagerungsgetriebe 3 gekoppelt. Wie in 1 angedeutet ist, sind der Arbeitsfluidmotor 5 und das Überlagerungsgetriebe 3 als eine Einheit zu einer Fluidmotoreinheit 12 zusammengefasst.
  • Das Antriebssystem von 1 weist ferner eine elektrische Maschine 2 auf. Die elektrische Maschine 2 ist mit dem Überlagerungsgetriebe 3 gekoppelt, sodass zwischen der elektrischen Maschine 2 und dem Überlagerungsgetriebe 3 eine Kraftübertragung erfolgen kann.
  • Das Antriebssystem ist ferner mit einem Fahrantrieb 10 versehen. Von dem Überlagerungsgetriebe 3 wird eine Antriebskraft an den Fahrantrieb 10 übertragen, sodass hierdurch der Fahrantrieb 10 betrieben werden kann. Der Fahrantrieb 10 ist hierbei zum Antrieb von Rädern, Gleisketten, Schreitantrieben oder Ähnlichem vorgesehen, die an der Arbeitsmaschine, auf die das Antriebssystem angewendet wird, vorgesehen sind.
  • Das Überlagerungsgetriebe ist in der vorliegenden Ausführungsform als Getriebe mit drei Wellen aufgebaut, sodass die Rotation von zwei der drei Wellen überlagert werden kann und diese Rotation auf die dritte Welle übertragen werden kann. Somit kann in der vorliegenden Konfiguration die Antriebskraft des Arbeitsfluidmotors 5 und die Antriebskraft der elektrischen Maschine 2 in das Überlagerungsgetriebe 3 eingeleitet werden und diese Antriebskräfte kombiniert und auf den Fahrantrieb 10 abgegeben werden. Hierdurch kann bei entsprechender Regelung der Antriebskräfte ein weitestgehend stufenloser Betrieb herbeigeführt werden.
  • Ferner kann die Antriebskraft des Fahrantriebs 10 in einem rekuperativen Betrieb in das Überlagerungsgetriebe 3 eingeleitet werden und auf den Arbeitsfluidmotor 5 beziehungsweise die elektrische Maschine 2 übertragen werden. Überlagerungsgetriebe mit der vorstehend genannten Funktion sind bekannt und weisen typischerweise einen Planetengetriebesatz auf.
  • Das Antriebssystem von 1 weist ferner einen elektrischen Energiespeicher 7 auf, der in der vorliegenden Ausführungsform als Batterie ausgebildet ist. Der elektrische Energiespeicher 7 ist mit einem Bordnetz des Antriebssystems verbunden. Die elektrische Maschine 2 ist ebenfalls mit dem Bordnetz des Antriebssystems verbunden, sodass mit einer vorbestimmten Steuerung die elektrische Maschine 2 mit der elektrischen Energie des elektrischen Energiespeichers 7 angetrieben werden kann. Zusätzlich kann die elektrische Maschine 2 in einem rekuperativen Betrieb über die entsprechende Steuerung dazu verwendet werden, den elektrischen Energiespeicher 7 aufzuladen.
  • In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ferner ein Brennstoffzellensystem 13 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 13 ist mit dem Bordnetz des Antriebssystems verbunden und kann zur Erzeugung und Einspeisung elektrischer Energie in das Bordnetz verwendet werden. Hierdurch kann einerseits der elektrische Energiespeicher 7 geladen werden und andererseits die elektrische Maschine 2 mit Energie versorgt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Brennstoffzelle mit Brennstoff betreibbar, der aus einem Brennstofftank 14 entnommen wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist der in dem Brennstofftank 14 vorgesehene Brennstoff derselbe Brennstoff, der zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 verwendet wird.
  • In dem in 1 gezeigten Antriebssystem ist zusätzlich ein fluidbetriebener Nebenabtrieb 8 vorgesehen. Dieser fluidbetriebene Nebenabtrieb 8 dient dazu, eine Arbeitshydraulik zu betreiben, die optional an die Arbeitsmaschine montiert werden kann. Hierzu sind geeignete Verbindungsmittel vorgesehen, um die Arbeitsfluidleitungen der Arbeitsmaschine mit den Arbeitsfluidleitungen der anschließbaren Arbeitshydraulik zu verbinden. Der fluidbetriebene Nebenabtrieb 8 ist in der vorliegenden Ausführungsform mit der Arbeitsfluidpumpe 4 bzw. dem Arbeitsfluidmotor (5) verbunden. Somit kann die Arbeitsfluidpumpe 4 bzw. der Arbeitsfluidmotor (5) druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid, in dieser Ausführungsform Hydrauliköl, über die Hydraulikleitung zu dem fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8 zuführen. Zusätzlich ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Fluiddruckspeicher 6 vorgesehen, der an der Hydraulikleitung zwischen der Arbeitsfluidpumpe 4 und dem fluidbetriebenen Nebenabtrieb vorgesehen ist. Der Fluidddruckspeicher 6 ist vorgesehen, um druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid aufzunehmen und unter Druck zu speichern. Hierzu ist in der vorliegenden Ausführungsform ein mit einer Membran abgetrennter und mit Luft gefüllter Abschnitt vorgesehen, der durch das druckbeaufschlagte Arbeitsfluid komprimiert werden kann. Für den Fluiddruckspeicher 6 ist eine Ventilanordnung vorgesehen werden, um das Füllen des Fluiddruckspeichers 6 und dessen Entleerung entsprechend zu steuern. In der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, die Arbeitsfluidpumpe 4 bzw. den Arbeitsfluidmotor und/oder den fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8 temporär mit dem im Fluiddruckspeicher 6 gespeicherten Arbeitsfluid zu betreiben.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist ferner ein mechanischer Nebenabtrieb 9 vorgesehen, der mit dem Überlagerungsgetriebe 3 gekoppelt ist. Hierdurch kann der mechanisch betriebene Nebenabtrieb 9 sowohl durch die elektrische Maschine 2 als auch durch den Arbeitsfluidmotor 5 betrieben werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform sind Schaltkupplungen zwischen einigen Elementen vorgesehen. Insbesondere ist eine Schaltkupplung zwischen der Verbrennungskraftmaschine 1 und der Arbeitsfluidpumpe 4 vorgesehen. Außerdem ist eine Schaltkupplung zwischen dem Arbeitsfluidmotor 5 und dem Überlagerungsgetriebe 3 vorgesehen. Zusätzlich kann der Antrieb des Arbeitsfluidmotors 5 durch eine Bremseinrichtung festgestellt werden, sodass ein Kraftfluss ausschließlich zwischen der elektrischen Maschine 2 und dem Fahrantrieb 10 stattfindet. In ähnlicher Weise kann die elektrische Maschine 2 durch eine Bremseinrichtung festgelegt werden, sodass eine Kraftübertragung ausschließlich zwischen dem Arbeitsfluidmotor 5 und dem Fahrantrieb 10 ermöglicht wird.
  • Das Antriebssystem der vorliegenden Ausführungsform kann in einer vollelektrischen Betriebsweise und in verschiedenen weiteren Betriebsweisen betrieben werden. Insbesondere kann durch Festlegen des Arbeitsfluidmotors 5 und entsprechende Steuerung ein vollelektrischer Betrieb des Fahrantriebs 10 durch die elektrische Maschine 2 herbeigeführt werden. Zusätzlich kann über den Fahrantrieb 10 eine Rekuperation durch die elektrische Maschine 2 bewirkt werden. Die Verbrennungskraftmaschine 1 kann durch den Antrieb der Arbeitsfluidpumpe 4 den fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8 mit druckbeaufschlagtem Fluid versorgen. Zusätzlich oder alternativ kann der Arbeitsfluidmotor 5 durch die Arbeitsfluidpumpe 4 mit Fluid versorgt werden, sodass der Fahrantrieb über den Arbeitsfluidmotor 5 durch die Verbrennungskraftmaschine 1 betreibbar ist.
  • In einer hybriden Betriebsweise kann der Fahrantrieb durch die Verbrennungskraftmaschine 1 und zusätzlich durch die elektrische Maschine 2 betrieben werden. Dabei steht weiterhin ausreichend druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid für den fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8 zur Verfügung. Außerdem ist die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 variabel im Verhältnis zu Drehzahl des Fahrantriebs 10 einstellbar.
  • Als Ergänzung kann das in dem Fluiddruckspeicher 6 gespeicherte druckbeaufschlagte Arbeitsfluid in die Hydraulikleitung zwischen der Arbeitsfluidpumpe 4 und der über die Arbeitsfluidpumpe 4 für den Arbeitsfluidmotor 5 zur Verfügung gestellt werden, sodass dieser zumindest kurzzeitig mit erhöhter Leistung betreibbar ist.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist ebenso der mechanisch betriebene Nebenabtrieb 9 sowohl rein elektrisch über die elektrische Maschine 2 als auch über die Verbrennungskraftmaschine 1 betreibbar. Insbesondere ist auch eine hybride Betriebsweise für den mechanisch betriebenen Nebenabtrieb 9 möglich, bei dem sowohl die Verbrennungskraftmaschine 1 als auch die elektrische Maschine 2 ihre Antriebskraft über das Überlagerungsgetriebe 3 an den mechanisch betriebenen Nebenabtrieb abgeben.
  • Insgesamt bietet das Antriebssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Verwendung der Antriebsquellen, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass sowohl der fluidbetriebene Nebenabtrieb 8 als auch der mechanische Nebenabtrieb 9 und der Fahrantrieb 10 ausreichend mit Antriebskraft versorgt werden. Insbesondere bietet das System aufgrund der modularen Bauform der Fluidpumpeneinheit 11 und der Fluidmotoreinheit 12 besondere Vorteile bei der Verwendung in Arbeitsmaschinen, in denen regelmäßig Beschränkungen hinsichtlich des Bauraums vorliegen.
  • In 2 ist eine bezüglich der in 1 gezeigten Ausführungsform abgewandelte Ausführungsform gezeigt. Im Folgenden werden die Unterschiede zwischen der Ausführungsform von 2 bezüglich der Ausführungsform von 1 erläutert.
  • Zusätzlich zu dem Aufbau des Antriebssystems von 1 ist in der Ausführungsform von 2 ein elektrischer Generator 15 vorgesehen. Der elektrische Generator 15 ist mit der Verbrennungskraftmaschine 1 gekoppelt. Somit kann die Antriebskraft der Verbrennungskraftmaschine 1 in den Generator 15 eingeleitet werden. Der Generator ist mit dem Bordnetz verbunden und kann die erzeugte elektrische Energie in das Bordnetz einspeisen. Die in das Bordnetz eingespeiste elektrische Energie wird zum Laden des elektrischen Energiespeichers 7 und zum Betrieb der elektrischen Maschine 2 verwendet. Hierzu ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die die von dem Generator 15 erzeugte elektrische Energie entsprechend verteilt.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist der elektrische Generator 15 in der Fluidmotoreinheit 12 integriert. Somit weist die Fluidmotoreinheit 12 der Ausführungsform von 2 die Verbrennungskraftmaschine 1, den elektrischen Generator 15 und die Arbeitsfluidpumpe 4 auf. Mit dieser Ausgestaltung kann ein modularer Aufbau geschaffen werden, der insbesondere die Bauraumerfordernisse bei Arbeitsmaschinen erfüllt.
  • Die Kraftübertragung zwischen der Verbrennungskraftmaschine 1 erfolgt in der Ausführungsform von 2 direkt in den elektrischen Generator 15. Insofern ist in der vorliegenden Ausführungsform der elektrische Generator 15 im Kraftfluss zwischen der Verbrennungskraftmaschine 1 und der Arbeitsfluidpumpe 4 angeordnet.
  • Im Vergleich mit der Ausführungsform von 1 wird mit der Ausführungsform von 2 eine erweiterte Betriebsweise zur Verfügung gestellt. Insbesondere wird die Verbrennungskraftmaschine 1 zusätzlich zur Erzeugung elektrischer Energie durch den elektrischen Generator 15 verwendet, sodass sich die Flexibilität des Systems weiter verbessert. Insbesondere ist bei der Ausführungsform von 2 vorgesehen, dass eine Steuereinrichtung den Betrieb der Elemente des Antriebssystems optimiert steuert, sodass der Fahrantrieb 10, der mechanisch betriebene Nebenabtrieb 9 und der fluidbetriebene Nebenabtrieb 8 geeignet angetrieben werden können.
  • Zweite Ausführungsform
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Antriebssystems in einer schematischen Darstellung.
  • Das in 3 gezeigte Antriebssystem weist eine Verbrennungskraftmaschine 1' auf, die mit einer ersten elektrischen Maschine 21 gekoppelt ist. Die Verbrennungskraftmaschine 1' kann somit die elektrische Maschine 21 antreiben, sodass diese elektrische Energie erzeugt. Die erste elektrische Maschine 21 ist mit dem Bordnetz gekoppelt und kann die elektrische Energie in das Bordnetz einspeisen.
  • Das in 3 gezeigte Antriebssystem weist ferner eine zweite elektrische Maschine 22 auf, die ebenfalls mit dem Bordnetz gekoppelt ist. Ferner ist ein elektrischer Energiespeicher 7' vorgesehen, der mit dem Bordnetz gekoppelt ist und der durch die elektrische Energie, die von der ersten elektrischen Maschine 21 erzeugt wird, geladen werden kann. Die zweite elektrische Maschine 22 kann dabei durch die elektrische Energie in dem elektrischen Energiespeicher 7' betrieben werden. Alternativ oder ergänzend kann die zweite elektrische Maschine 22 durch die von der ersten elektrischen Maschine 21 erzeugten Energie betrieben werden.
  • Das Antriebssystem von 3 weist ein Überlagerungsgetriebe 3' auf, das dem Überlagerungsgetriebe 3 des Ausführungsbeispiels von 1 entspricht. Insofern weist auch das Überlagerungsgetriebe 3' ein System mit drei Wellen auf, bei dem zwei in das Überlagerungsgetriebe 3' eingeleitete Rotationen auf ein Element übertragen und somit kombiniert werden.
  • Mit dem Überlagerungsgetriebe 3' ist einerseits die zweite elektrische Maschine 22 gekoppelt, sodass die zweite elektrische Maschine 22 Antriebskraft auf das Überlagerungsgetriebe 3' übertragen kann. Ferner ist ein Arbeitsfluidmotor 5' vorgesehen, der ebenfalls mit dem Überlagerungsgetriebe 3' gekoppelt ist. Ausgangsseitig ist das Überlagerungsgetriebe 3' mit einem Fahrantrieb 10' gekoppelt. Somit können in das Überlagerungsgetriebe 3' Antriebskräfte der zweiten elektrischen Maschine 22 und des Arbeitsfluidmotors 5' eingeleitet werden. Diese Antriebskräfte werden kombiniert und auf den Fahrantrieb 10' übertragen.
  • In dem Antriebssystem von 3 ist ferner ein mechanisch betriebener Nebenabtrieb 9' vorgesehen. Der mechanisch betriebene Nebenabtrieb 9 ist mit dem Arbeitsfluidmotor 5' gekoppelt, sodass der mechanisch betriebene Nebenabtrieb 9' durch den Arbeitsfluidmotor 5' angetrieben werden kann.
  • In dem Antriebssystem ist ein fluidbetriebener Nebenabtrieb 8' vorgesehen, der von einer Arbeitsfluidpumpe 4' mit druckbeaufschlagtem Arbeitsfluid versorgt wird. In der Verbindungsleitung zwischen der Arbeitsfluidpumpe 4' und dem fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8' ist ein Fluiddruckspeicher 6' vorgesehen. Der Fluiddruckspeicher 6' ist dazu vorgesehen, druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid aufzunehmen und zu speichern. Im Bedarfsfall kann das in dem Fluiddruckspeicher 6' gespeicherte druckbeaufschlagte Arbeitsfluid abgegeben werden und in die Verbindungsleitung zwischen der Arbeitsfluidpumpe 4' und dem fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8' abgegeben werden.
  • Die in 3 gezeigte Ausführungsform weist außerdem ein Brennstoffzellensystem 13' auf. Das Brennstoffzellensystem ist mit dem Bordnetz verbunden und kann elektrische Energie erzeugen und in das Bordnetz einleiten. Insofern kann das Brennstoffzellensystem 13' zum Laden des elektrischen Energiespeichers 7' eingesetzt werden. Zusätzlich kann die von dem Brennstoffzellensystem 13' erzeugte elektrische Energie zum Betrieb der zweiten elektrischen Maschine 22 eingesetzt werden.
  • Das Brennstoffzellensystem 13' wird in der vorliegenden Ausführungsform mit Brennstoff betrieben, der in einem Brennstofftank 14' aufgenommen ist. Der in dem Brennstofftank 14' gespeicherte Brennstoff ist derselbe wie der für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1' verwendete Brennstoff.
  • Das in 3 gezeigte Antriebssystem bietet verschiedenartige Betriebsweisen. Einerseits wird elektrische Energie durch den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 unter Verwendung des elektrischen Generators 21 erzeugt. Diese elektrische Energie kann direkt oder über Zwischenspeicherung in dem elektrischen Energiespeicher 7' zum Betrieb der zweiten elektrischen Maschine 22 verwendet werden. Durch den Antrieb der zweiten elektrischen Maschine 22 und den Betrieb des Arbeitsfluidmotors 5' durch den Betrieb der zweiten elektrischen Maschine 22 kann andererseits über das Überlagerungsgetriebe 3' die Antriebskraft auf den Fahrantrieb 10' und auf die Arbeitsfluidpumpe 4' übertragen werden. Insofern kann über die zweite elektrische Maschine 22 der Fahrantrieb 10', der fluidbetriebene Nebenabtrieb 8' und der mechanisch betriebene Nebenabtrieb 9' betrieben werden. Durch Feststellen des Fahrantriebs 10' kann die zweite elektrische Maschine 22 als Antrieb für den fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8' und den mechanisch betriebenen Nebenabtrieb 9' verwendet werden.
  • An der Verbindung des Fluiddruckspeichers 6' ist eine Ventileinrichtung zu der Verbindungsleitung zwischen der Arbeitsfluidpumpe 4' und dem fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8' vorgesehen. Im Bedarfsfall kann in dem Fluiddruckspeicher 6' gespeichertes druckbeaufschlagtes Arbeitsfluid abgegeben werden, sodass dieses für den fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8' oder den Arbeitsfluidmotor 5' zur Verfügung gestellt werden kann. Damit kann eine temporäre Leistungserhöhung zur Verfügung gestellt werden. Auch ist es mit diesem Aufbau möglich, eine hydraulische Rekuperation durch den Arbeitsfluidmotor 5' zu erhalten. Hierzu kann der Arbeitsfluidmotor 5' mit Arbeitsfluid aus dem Hydrauliksystem betrieben werden und seine Antriebskraft in das Überlagerungsgetriebe 3' einleiten.
  • Insofern stellt das in 3 gezeigte Antriebssystem ein System zur Verfügung, das durch die zweite elektrische Maschine 22 vollelektrisch betreibbar ist. Zusätzlich ist mit der Kombination aus Verbrennungskraftmaschine 1' und der ersten elektrischen Maschine 21 eine Art Range-Extender vorgesehen. Das in der Ausführungsform von 3 vorgesehene Brennstoffzellensystem 13' erweitert die Flexibilität des Systems weitergehend.
  • Zusätzlich kann ein rekuperativer Betrieb vorgesehen werden, bei dem Antriebskraft von dem Fahrantrieb 10' über das Überlagerungsgetriebe 3' in die zweite elektrische Maschine 22 eingeleitet wird. Dann erzeugt die zweite elektrische Maschine 22 elektrische Energie, die zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 7' verwendet werden kann.
  • 4 zeigt ein Antriebssystem, das bezüglich der in 3 gezeigten Ausführungsform abgewandelt ist. Zusätzlich zu dem in 3 gezeigten Antriebssystem ist eine dritte elektrische Maschine 23 vorgesehen. Die dritte elektrische Maschine ist mit dem Bordnetz verbunden und kann durch die elektrische Energie des elektrischen Energiespeichers 7' und die von der ersten elektrischen Maschine 21 erzeugte elektrische Energie betrieben werden.
  • Die dritte elektrische Maschine 23 ist mit dem mechanisch betriebenen Nebenabtrieb 9" gekoppelt. Der mechanisch betriebene Nebenabtrieb 9" in dieser Ausführungsform ist so angepasst, dass eine Kraftübertragung zur dritten elektrischen Maschine 23 und zur Arbeitsfluidpumpe 4' erfolgen kann. Somit kann die dritte elektrische Maschine 23 den mechanischen Nebenabtrieb 9" direkt antreiben. Mit dem mechanischen Nebenabtrieb 9" ist die Arbeitsfluidpumpe 4' verbunden. Die dritte elektrische Maschine 23 in der Ausführungsform von 4 kann somit die Arbeitsfluidpumpe 4' antreiben, sodass diese das benötigte druckbeaufschlagte Arbeitsfluid zur Verfügung stellen kann. Dieses druckbeaufschlagte Arbeitsfluid wird für den fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8' verwendet.
  • In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist der mechanisch betriebene Nebenabtrieb 9" zusätzlich mit dem Überlagerungsgetriebe 3' verbunden. Somit ist es in dieser Ausführungsform möglich, die Antriebskraft für den Fahrantrieb 10' durch die zweite elektrische Maschine 22 und die dritte elektrische Maschine 23 zur Verfügung zu stellen.
  • Ebenso ist wie in der Ausführungsform von 3 ein rekuperativer Betrieb möglich, bei welchem der Fahrantrieb 10' Antriebskraft in das Überlagerungsgetriebe einleitet und diese von der zweiten elektrischen Maschine 22 oder von der dritten elektrischen Maschine 23 zur Erzeugung elektrischer Energie aufgenommen wird.
  • Bei dem Antriebssystem der Ausführungsform von 4 wird ebenfalls ein vollelektrischer Betrieb ermöglicht, wobei das Vorsehen der zweiten elektrischen Maschine 22 und der dritten elektrischen Maschine 23 eine erweiterte Flexibilität ermöglichen. Auch in der Ausführungsform von 4 bildet das System aus Verbrennungskraftmaschine 1' und erster elektrischer Maschine 21 einen Range-Extender, sodass die Flexibilität des Systems weitergehend verbessert wird.
  • Insbesondere ist auch bei dem Antriebssystem der Ausführungsform von 4 eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die die Elemente des Antriebssystems geeignet steuert, sodass der Fahrantrieb 10', der fluidbetriebene Nebenabtrieb 8' und der mechanisch betriebene Nebenabtrieb 9" bedarfsgerecht angetrieben werden können.
  • Abgewandelte Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden Abwandlungen der vorstehend diskutierten Ausführungsformen erläutert. Während in den vorstehend genannten Ausführungsformen eine Verbrennungskraftmaschine in der Form eines Otto-Verbrennungsmotors oder eines Diesel-Verbrennungsmotors eingesetzt werden, kann in abgewandelten Ausführungsformen ein Freikolbenmotor verwendet werden. Dabei ist der Freikolbenmotor als Verbrennungskraftmaschine mit einer Brennkammer auf einer Seite des Kolbens ausgestaltet. Bei dem Freikolbenmotor wird die erzeugte Leistung durch die linear oszillierende Bewegung des Kolbens auf verschiedene Weisen ausgekoppelt. Insbesondere wird zur Auskopplung elektrischer Energie ein induktionsbasiertes System verwendet, bei dem der oszillierende Kolben in einer vorgesehen Spule über Induktion elektrische Leistung erzeugt. Dabei wird ein Magnetfeld mit dem Kolben bewegt und so Induktion in der Spule bewirkt. Auf der von der Brennkammer abgewandten Seite des Kolbens ist bei dem Freikolbenmotor typischerweise ein Gaspolster vorgesehen. Der sich im Betrieb ergebende pulsierende Druck des Gaspolsters wird zum Auskoppeln von mechanischer Energie verwendet. In einer abgewandelten Ausführungsform kann die Leistung über eine mechanische Kopplung des Kolbens nach außen erfolgen.
  • Durch die Verwendung des Freikolbenmotors wird jedes der vorstehend erläuterten Antriebssysteme kompakter gestaltet. Insbesondere bei der Kombination der Verbrennungskraftmaschine mit der Arbeitsfluidpumpe 4, 4' und dem elektrischen Generator 15, wie in 2 gezeigt ist, ergeben sich wesentliche bauliche Vorteile gegenüber der bisher verwendeten Struktur unter Verwendung von separat angeordneter Verbrennungskraftmaschine 1, elektrischen Generator 15 und Arbeitsfluidpumpe 4.
  • In den vorstehend diskutierten Ausführungsformen wird als Arbeitsfluid Hydrauliköl verwendet. In einer abgewandelten Ausführungsform kann als Arbeitsfluid ein kompressibles Gas, insbesondere Luft, verwendet werden. Hierzu werden die entsprechenden Elemente einschließlich Arbeitsfluidmotor 5, 5', Fluiddruckspeicher 6, 6', Arbeitsfluidpumpe 4, 4' sowie die weiteren relevanten Elemente des Antriebssystems entsprechend auf den Betrieb mit dem kompressiblen Fluid angepasst. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, als fluidbetriebenen Nebenabtrieb 8, 8' ein Pneumatiksystem einzusetzen.
  • Das Antriebsystem der oben dargestellten Ausführungsformen wird auf eine Arbeitsmaschine angewendet, die einen Fahrantrieb aufweist und bei der ein mechanischer Nebenabtrieb und ein fluidbetriebener Nebenabtrieb eingesetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'
    Verbrennungskraftmaschine
    2, 2'
    Elektrische Maschine
    21
    Erste elektrische Maschine
    22
    Zweite elektrische Maschine
    23
    Dritte elektrische Maschine
    3, 3'
    Überlagerungsgetriebe
    4, 4'
    Arbeitsfluidpumpe
    5, 5'
    Arbeitsfluidmotor
    6, 6'
    Fluiddruckspeicher
    7, 7'
    Elektrischer Energiespeicher
    8, 8'
    Fluidbetriebener Nebenabtrieb
    9, 9', 9"
    Mechanisch betriebener Nebenabtrieb
    10, 10'
    Fahrantrieb
    11
    Fluidpumpeneinheit
    12
    Fluidmotoreinheit
    13, 13'
    Brennstoffzellensystem
    14, 14'
    Brennstofftank
    15
    Elektrischer Generator

Claims (20)

  1. Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine mit mindestens einer Verbrennungskraftmaschine (1) und mindestens einer elektrischen Maschine (2), wobei das Antriebssystem ferner ein Überlagerungsgetriebe (3) zum Kombinieren der Antriebskraft der Verbrennungskraftmaschine (1) und der Antriebskraft der elektrischen Maschine (2) und zur Abgabe einer Antriebskraft zumindest für den Fahrantrieb (10) der Arbeitsmaschine aufweist, wobei im Kraftübertragungspfad zwischen der Verbrennungskraftmaschine (1) und dem Überlagerungsgetriebe (3) eine Arbeitsfluidpumpe (4) und ein Arbeitsfluidmotor (5) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1) mit der Arbeitsfluidpumpe (4) zu einer integrierten Fluidpumpeneinheit (11) zusammengefasst sind und das Überlagerungsgetriebe (3) und der Arbeitsfluidmotor (5) zu einer integrierten Fluidmotoreinheit (12) zusammengefasst sind.
  2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem ferner einen mit einem Bordnetz verbundenen elektrischen Energiespeicher (7) aufweist, wobei die elektrische Maschine (2) mit dem Bordnetz verbunden ist und als Generator zum Laden des elektrischen Energiespeichers (7) oder als Motor zur Erzeugung einer Antriebskraft durch Zufuhr von elektrischer Energie aus dem Bordnetz betreibbar ist.
  3. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidpumpeneinheit (11) zusätzlich ein elektrischer Generator (15) vorgesehen ist, der mit dem Bordnetz verbunden ist und der von der Verbrennungskraftmaschine (1) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (7) antreibbar ist.
  4. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Überlagerungsgetriebe (3) ein mechanisch betriebener Nebenabtrieb (9) antreibbar ist.
  5. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfluidpumpe (4) der Fluidpumpeneinheit (11) über eine Fluidverbindung mit einem fluidbetriebenen Nebenabtrieb (8) verbindbar ist.
  6. Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Fluidverbindung zwischen der Arbeitsfluidpumpe (4) und dem mit dieser verbindbaren fluidbetriebenen Nebenabtrieb (8) ein Fluiddruckspeicher (6) verbunden ist, der druckbeaufschlagtes Fluid aus der Fluidverbindung aufnehmen und an diese abgeben kann.
  7. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem ferner ein Brennstoffzellensystem (13) zur Erzeugung und Einleitung elektrischer Energie in das Bordnetz aufweist.
  8. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1) als Freikolbenmaschine mit Auskoppelungsmitteln zum Auskoppeln der erzeugten Leistung ausgebildet ist.
  9. Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine mit mindestens einer Verbrennungskraftmaschine (1') und mindestens einer ersten elektrischen Maschine (21) und einer zweiten elektrischen Maschine (22), wobei das Antriebssystem eine Arbeitsfluidpumpe (4') aufweist, die über eine Fluidverbindung mit einem fluidbetriebenen Nebenabtrieb (8') verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Maschine (21) mit der Verbrennungskraftmaschine (1') zur Erzeugung und Einspeisung elektrischer Energie in ein Bordnetz der Arbeitsmaschine verbunden ist und die zweite elektrische Maschine (22) mit der Arbeitsfluidpumpe (4') verbunden ist, um durch Zufuhr von elektrischer Energie aus dem Bordnetz die Arbeitsfluidpumpe (4') anzutreiben.
  10. Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem ferner einen mit dem Bordnetz verbundenen elektrischen Energiespeicher (7') aufweist, wobei die erste elektrische Maschine (21) mit dem Bordnetz verbunden ist und als Generator zum Laden des elektrischen Energiespeichers (7') dient und wobei die zweite elektrische Maschine (22) als Motor zur Erzeugung einer Antriebskraft durch Zufuhr von elektrischer Energie aus dem Bordnetz oder als Generator zum Laden des elektrischen Energiespeichers (7') betreibbar ist.
  11. Antriebssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Überlagerungsgetriebe (3') vorgesehen ist, das mit der zweiten elektrischen Maschine (22), der Arbeitsfluidpumpe (4') und einem Fahrantrieb (10') der Arbeitsmaschine gekoppelt ist, wobei das Überlagerungsgetriebe (3') die Antriebskraft der zweiten elektrischen Maschine (22') auf die Arbeitsfluidpumpe (4') und den Fahrantrieb (10') verteilt.
  12. Antriebssystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Überlagerungsgetriebe (3') vorgesehen ist, das mit der zweiten elektrischen Maschine (22), einem mechanischen Nebenabtrieb (9') und einem Fahrantrieb (10') der Arbeitsmaschine gekoppelt ist, wobei das Überlagerungsgetriebe (3') die Antriebskraft der zweiten elektrischen Maschine (22) auf den mechanischen Nebenabtrieb (9') und den Fahrantrieb (10') verteilt.
  13. Antriebssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfluidpumpe (4') durch den mechanischen Nebenabtrieb (9') antreibbar ist.
  14. Antriebssystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem mechanischen Nebenabtrieb (9') eine dritte elektrische Maschine (23) zum Antreiben des Nebenabtriebs (9') und der Arbeitsfluidpumpe (4') gekoppelt ist.
  15. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, dass an der Fluidverbindung zwischen der Arbeitsfluidpumpe (4') und dem mit dieser verbindbaren fluidbetriebenen Nebenabtrieb (8') ein Fluiddruckspeicher (6') verbunden ist, der druckbeaufschlagtes Fluid aus der Fluidverbindung aufnehmen und an diese abgeben kann.
  16. Antriebssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfluidpumpe (4') als Arbeitsfluidmotor betreibbar ist, um bei Einleitung eines druckbeaufschlagten Fluids aus dem Fluiddruckspeicher (6) eine Antriebskraft zu erzeugen.
  17. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 9-16, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem ferner ein Brennstoffzellensystem (13') zur Erzeugung und Einleitung elektrischer Energie in das Bordnetz aufweist.
  18. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 9-17, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsfluid ein Hydraulikfluid zum Einsatz kommt.
  19. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 9-18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (1') als Freikolbenmaschine mit Auskoppelungsmitteln zum Auskoppeln der erzeugten Leistung ausgebildet ist.
  20. Arbeitsmaschine mit einem Fahrantrieb (10), einem fluidbetriebenen Nebenabtrieb (8) und einem mechanischen Nebenabtrieb (9, 9', 9"), wobei die Arbeitsmaschine mit einem Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestattet ist.
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