DE102019214354A1

DE102019214354A1 - Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems, Antriebssystem und Nutzfahrzeug

Info

Publication number: DE102019214354A1
Application number: DE102019214354.7A
Authority: DE
Inventors: Samuel Willems; Raphael Himmelsbach; Jens Achstetter
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems (1), wobei das Antriebssystem (1) ein Antriebsaggregat (2) und ein eine elektromechanische Leistungsverzweigung umfassendes Planetengetriebe (3) umfasst, wobei die Leistungsverzweigung einen Variator (4) umfasst, wobei der Variator (4) eine erste elektrische Maschine (5) und eine zweite elektrische Maschine (6) umfasst, wobei die erste elektrische Maschine (5) und die zweite elektrische Maschine (6) nach Maßgabe einer Steuervorgabe jeweils entweder als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator betrieben werden, wobei vom Antriebsaggregat (1) nach Maßgabe der Steuervorgabe eine Drehzahl und ein Drehmoment bereitgestellt werden und wobei von der ersten elektrischen Maschine (5) nach Maßgabe der Steuervorgabe eine erste Drehzahl und ein erstes Drehmoment bereitgestellt werden und/oder von der zweiten elektrischen Maschine (6) nach Maßgabe der Steuervorgabe eine zweite Drehzahl und ein zweites Drehmoment bereitgestellt werden, wobei die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Antriebsaggregats (2) von der ersten Drehzahl und dem ersten Drehmoment über das Planetengetriebe (3) reduziert werden oder erhöht werden und wobei zumindest die erste Drehzahl kontinuierlich oder regelmäßig erfasst wird (41). Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Drehzahl des Antriebsaggregats (2) erhöht oder reduziert wird (49), wenn die erste Drehzahl länger als eine vorgebbare Zeitschwelle unterhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt (44). Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Antriebssystem (1) sowie ein Nutzfahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8 sowie ein entsprechendes allradgetriebenes Nutzfahrzeug.
Im Stand der Technik sind insbesondere zur Verwendung in land-, forst- und bauwirtschaftlichen Nutzfahrzeugen sog. leistungsverzweigte Getriebe bekannt, mit denen sich ein Übersetzungsverhältnis des Fahrantriebs stufenlos verstellen lässt. In der Vergangenheit waren diese stufenlosen Antriebssysteme in der Regel als hydrostatisch-mechanische Leistungsverzweigung mit einem Planetengetriebe und einem mit diesem eingangs- oder ausgangsseitig gekoppelten, als hydrostatisches Getriebe ausgebildeten Stellgetriebe, das auch als Variator bezeichnet wird, versehen. Dem Planetengetriebe ist in der Regel ein stufenweise in unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse schaltbares Schaltgetriebe in Vorgelegebauweise oder ebenfalls als Planetengetriebe nachgeschaltet. Die vom Verbrennungsmotor übertragene Eingangsleistung wird dabei bei der Leistungsverzweigung in zwei Leistungszweige aufgeteilt, nämlich in einen mechanischen und einen hydrostatischen Leistungszweig. Dabei kann ein günstiger Wirkungsgrad erzielt werden, wenn die von einem Verbrennungsmotor übertragene Leistung zu einem hohen Anteil über den mechanischen Leistungspfad übertragen wird, wohingegen sich der Wirkungsgrad verschlechtert, wenn die Leistung zu einem höheren Anteil über das hydrostatische Stellgetriebe übertragen wird.
Bei einer elektro-mechanischen Leistungsverzweigung hingegen besteht der Variator aus zwei elektrischen Maschinen, die beim Zusammenwirken mit dem Planetengetriebe als Elektrogenerator oder Elektromotor betrieben werden. Die Antriebsleistung des Antriebsmotors wird auf einen elektrischen und einen mechanischen Pfad aufgeteilt. Dabei arbeiten die elektrischen Maschinen je nach Betriebspunkt als Elektromotor oder als Elektrogenerator, wobei generatorisch erzeugte Leistung in einen Zwischenkreis eingespeist werden kann, an den auch das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen sein kann.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 101 28 076 A1 ein Leistungsverzweigungsgetriebe, bei welchem eine Eingangswelle durch das Getriebe hindurchgeführt ist und über ein Stirnradgetriebe einen Variator antreibt und die Eingangswelle mit einem Nebenabtrieb, beispielsweise mit Pumpen für die Arbeitshydraulik, in Wirkverbindung steht. Der Antrieb weist mehrere Planetenstufen und Kupplungen auf, mit welchen Fahrbereiche schaltbar sind sowie eine Kupplung für Vorwärtsfahrt und eine Kupplung für Rückwärtsfahrt, mit welcher sich die Fahrtrichtung auswählen lässt. Diese Art von Getriebe wird auch als primär gekoppeltes leistungsverzweigtes Getriebe bezeichnet.
Aus der DE 10 2015 208 160 A1 ist ein landwirtschaftlich nutzbares Fahrzeug mit einem an dieses ankuppelbare Anbaugerät bekannt. Eine Getriebevorrichtung des Fahrzeugs weist einen elektrischen Variator auf, der aus einer ersten und einer zweiten elektrischen Maschine und einer Steuerung der elektrischen Maschinen besteht. Wenn eine externe Leistungsanforderung besteht, die durch einen außerhalb der Getriebevorrichtung vorgesehenen elektrischen Verbraucher verursacht wird, so soll ein Übersetzungsbereich des Getriebes mit verstellbarer Übersetzung derart eingestellt werden, dass die erste elektrische Maschine generatorisch und die zweite elektrische Maschine derart betrieben werden, dass eine bezogen auf die externe Leistungsanforderung bestehende Leistungsunterdeckung bzw. der Leistungsüberdeckung kompensiert wird.
Weiterhin ist aus der DE 10 2011 087 946 A1 ein elektrisch stufenlos leistungsverzweigtes Getriebe mit einem Variator, der zwei elektrische Maschinen aufweist, bekannt. Ein Verbrennungsmotor ist antriebsmäßig mit einem Planetengetriebe und mit einer ersten elektrischen Maschine, die als Generator wirkt, verbunden. Für den elektrischen Leistungspfad ist die erste elektrische Maschine über einen elektrischen Zwischenkreis mit einer zweiten, als Motor dienenden elektrischen Maschine verbunden. Außerdem soll dem Zwischenkreis ein Steuer- und Regelkreis bzw. Ansteuerkreis zugeordnet sein, der regelungstechnisch die Umrichter der beiden elektrischen Maschinen miteinander verbindet. Der Steuer- und Regelkreis weist zumindest einen Übersetzungsregler zum Einstellen der gewünschten bzw. vorgegebenen Sollübersetzung des Getriebes und zumindest einen Spannungsregler zum Einstellen einer vorgegebenen Sollspannung des Zwischenkreises auf.
Die bekannten Antriebssysteme für land-, forst- und bauwirtschaftliche Nutzfahrzeuge bzw. die bekannten Verfahren zum Betreiben dieser Antriebssysteme sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass sie in bestimmten Betriebssituationen einem Elektromotor das Aufbringen eines Drehmoments im Stillstand abverlangen. Dies führt zu einer schlechten Regelbarkeit des Elektromotors sowie zu einer übermäßigen insbesondere thermischen Belastung einzelner Komponenten, wie einzelnen Wicklungen des Stators und einzelnen Halbleiterbauteilen des Umrichters, welche dauerhaft mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems, wobei das Antriebssystem ein Antriebsaggregat und ein eine elektromechanische Leistungsverzweigung umfassendes Planetengetriebe umfasst, wobei die Leistungsverzweigung einen Variator umfasst, wobei der Variator eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine umfasst, wobei die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine nach Maßgabe einer Steuervorgabe jeweils entweder als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator betrieben werden, wobei vom Antriebsaggregat nach Maßgabe der Steuervorgabe eine Drehzahl und ein Drehmoment bereitgestellt werden und wobei von der ersten elektrischen Maschine nach Maßgabe der Steuervorgabe eine erste Drehzahl und ein erstes Drehmoment bereitgestellt werden und/oder von der zweiten elektrischen Maschine nach Maßgabe der Steuervorgabe eine zweite Drehzahl und ein zweites Drehmoment bereitgestellt werden, wobei die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Antriebsaggregats von der ersten Drehzahl und dem ersten Drehmoment über das Planetengetriebe reduziert werden oder erhöht werden und wobei zumindest die erste Drehzahl kontinuierlich oder regelmäßig erfasst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Drehzahl des Antriebsaggregats erhöht oder reduziert wird, wenn die erste Drehzahl länger als eine vorgebbare Zeitschwelle unterhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt.
Die Erfindung beschreibt also ein Antriebssystem mit einer elektromechanischen Leistungsverzweigung, wobei es sich um eine sog. eingangsgekoppelte oder auch eine sog. Ausgangsgekoppelte Leistungsverzweigung handeln kann. Die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine sind Bestandteile des Variators und können nach Maßgabe der Steuervorgabe jeweils einzeln oder gemeinsam als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator betrieben werden. Bei der ersten und zweiten elektrischen Maschine handelt es sich bevorzugt um sog. permanenterregte Synchronmaschinen, jedoch sind auch andere Ausbildungsformen von elektrischen Maschinen denkbar. Ebenso bevorzugt sind die erste und die zweite elektrische Maschine baugleich ausgebildet, also gegeneinander austauschbar, d.h., sie weisen eine identische Leistung, einen identische Drehmoment-Drehzahl-Verlauf und identische Abmessungen bzw. Geometrien bei identischem Gewicht auf. Die Steuervorgabe wird dabei beispielsweise von einer Steuervorrichtung erzeugt, welche eine Leistungsanforderung z.B. von einem Bediener des Antriebssystems automatisiert - z.B. nach Maßgabe eines Algorithmus bzw. einer Software - in einzelne Ansteuerbefehle für die erste elektrische Maschine, die zweite elektrische Maschine und das Antriebsaggregat umsetzt, so dass diese je nach Steuervorgabe eine bestimmte Drehzahl und ein bestimmtes Drehmoment bereitstellen. Die einzelnen Ansteuerbefehle stellen zusammen die Steuervorgabe dar. Die erste Drehzahl und das erste Drehmoment der ersten elektrischen Maschine sowie die zweite Drehzahl und das zweite Drehmoment der zweiten elektrischen Maschine können dabei sowohl positiv wie auch negativ sein, also ihre Drehrichtung ändern. Es ist dabei auch möglich, dass die erste elektrische Maschine oder die zweite elektrische Maschine ein Drehmoment bereitstellt, ohne jedoch eine Drehzahl bereitzustellen. Ein derartiges Drehmoment bei einer Drehzahl von Null dient beispielsweise als Stützmoment für eine Drehmoment bzw. eine Drehzahl des Antriebsaggregats. Die einzelnen Ansteuerbefehle sind dabei bevorzugt derart aufeinander abgestimmt, dass der Antriebsstrang im angeforderten Betriebspunkt jeweils mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben wird. Bei dem Antriebsaggregat handelt es sich bevorzugt um einen Verbrennungsmotor, beispielsweise einen sog. Dieselmotor. Das Antriebsaggregat stellt dabei den wesentlichen Anteil der Antriebsleistung bereit. Der Variator bzw. die erste und die zweite elektrische Maschine dienen vornehmlich der stufenlosen Verstellbarkeit eines Übersetzungsverhältnisses des Planetengetriebes. Die erste Drehzahl der ersten elektrischen Maschine wird kontinuierlich oder regelmäßig erfasst, beispielsweise über geeignete Sensorik oder rechnerisch. Bevorzugt wird weiterhin auch die Drehzahl des Antriebsaggregats kontinuierlich oder regelmäßig erfasst. Besonders bevorzugt wird auch die zweite Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine kontinuierlich oder regelmäßig erfasst. Gleichzeitig wird die erste Drehzahl der ersten elektrischen Maschine gegen eine vorgebbare Drehzahlschwelle verglichen. Bei der Drehzahlschwelle handelt es sich um einen Betrag der Drehzahl, also um eine von Vorzeichen bereinigte Drehzahl. Sofern die erste Drehzahl der ersten elektrischen Maschine unterhalb der vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt, wird die Zeit erfasst, für die sie unterhalb der vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt. Dazu sind geeignete Zeiterfassungsmittel vorgesehen. Die solcherart erfasste Zeit wird dann gegen eine ebenfalls vorgebbare Zeitschwelle verglichen. Bei der vorgebbaren Zeitschwelle handelt es sich um eine vorgebbare Zeitspanne. Sowohl die Zeitschwelle als auch die Drehzahlschwelle können z.B. in der Steuervorrichtung elektronisch abgelegt sein. Wenn die erste Drehzahl länger als die vorgebbare Zeitschwelle unterhalb der vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt, so wird die Drehzahl des Antriebsaggregats erhöht oder reduziert, bevorzugt durch eine entsprechende Steuervorgabe.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine erste Drehzahl der ersten elektrischen Maschine unterhalb der Drehzahlschwelle für einen Zeitraum länger als die Dauer der-Zeitschwelle vermieden wird, da durch die Änderung der Drehzahl des Antriebsaggregats, also die Erhöhung oder Reduzierung der Drehzahl des Antriebsaggregats, auch eine Änderung der ersten Drehzahl erforderlich wird, da andernfalls das Antriebssystem den gewünschten Betriebspunkt verlassen würde. Somit kann durch eine entsprechende Änderung der Drehzahl des Antriebsaggregats auch eine Änderung, insbesondere eine Erhöhung des Betrags, der ersten Drehzahl bewirkt werden. Dabei wird zwar in Kauf genommen, dass das Antriebssystem nicht mehr mit der bestmöglichen Effizienz betrieben wird, allerdings kann eine Beschädigung der ersten elektrischen Maschine sowie der der ersten elektrischen Maschine zugeordneten Leistungselektronik vorteilhaft vermieden werden. Gerade bei sehr geringen Drehzahlen oder gar bei Stillstand der ersten elektrischen Maschine erfolgt nämlich eine anhaltende Bestromung stets derselben internen Komponenten der ersten elektrischen Maschine, insbesondere derselben Wicklungen des Stators, sowie derselben Halbleiterbauteile der zugeordneten Leistungselektronik. Diese anhaltende Bestromung wiederum kann zu einer nicht vorgesehenen Wärmeerzeugung führen, welche schließlich zu Beschädigungen der ersten elektrischen Maschine bzw. der ihr zugeordneten Leistungselektronik führen kann. Bereits eine vergleichsweise geringe Drehzahl der ersten elektrischen Maschine ist jedoch ausreichend, um nicht dauerhaft dieselben Wicklungen bzw. Halbleiterbauteile zu belasten. Somit ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ein verringerter Verschleiß der ersten elektrischen Maschine bzw. der ihr zugeordneten Leistungselektronik und eine verbesserte Lebensdauer.
Darüber hinaus ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren auch eine verbesserte Regelbarkeit der ersten elektrischen Maschine, da elektrische Maschinen, insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen, im Stillstand oder bei vergleichsweise sehr geringen Drehzahlen bekanntermaßen schwer zu regeln sind.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren in identischer Weise auch für die zweite elektrische Maschine ausgeführt wird. Die vorgebbare Zeitschwelle und die vorgebbaren Drehzahlschwelle müssen dabei für die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine nicht identisch sein sondern können angepasst an die jeweilige Ausbildungsform der jeweiligen elektrischen Maschine bzw. die Betriebsweise der jeweiligen elektrischen Maschine sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Zeitschwelle und die Drehzahlschwelle abhängig von einer Bestromung der ersten elektrischen Maschine vorgegeben werden. Da die durch die Bestromung entstehende Wärme an einzelnen Komponenten wie etwa den Wickelköpfen oder bestimmte Halbleiterbauteilen nicht ausschließlich von der zeitlichen Dauer ihrer Strombeaufschlagung abhängt sondern auch maßgeblich von der Höhe ihrer Strombeaufschlagung, kann somit vorteilhaft ein unnötig frühes Ändern der Drehzahl des Antriebsaggregats und damit ein unnötig frühes Verlassen der bestmöglichen Effizienz für den jeweils gewählten Betriebspunkt vermieden werden.
Besonders bevorzugt werden die Zeitschwelle und die Drehzahlschwelle nach Maßgabe eines entsprechenden Algorithmus bzw. einer entsprechenden Software vorgegeben. Dabei gilt allgemein, dass eine hohe Strombeaufschlagung zu einer geringeren Zeitschwelle bzw. einer größeren Drehzahlschwelle führt und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass zusätzlich kontinuierlich oder regelmäßig eine Temperatur der ersten elektrischen Maschine erfasst wird und dass die Drehzahl des Antriebsaggregats erhöht oder reduziert wird, wenn die Temperatur der ersten elektrischen Maschine oberhalb einer vorgebbaren Temperaturschwelle liegt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass über die erfasste Temperatur und deren Abgleich mit der vorgebbaren Temperaturschwelle eine direkte Bemessung der tatsächlichen thermischen Belastung möglich ist.
Bevorzugt wird zusätzlich kontinuierlich oder regelmäßig auch eine Temperatur der zweiten elektrischen Maschine erfasst und die Drehzahl des Antriebsaggregats wird erhöht oder reduziert, wenn die Temperatur der zweiten elektrischen Maschine oberhalb der vorgebbaren Temperaturschwelle liegt.
Die vorgebbare Temperaturschwelle muss dabei für die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine nicht identisch sein sondern kann angepasst an die jeweilige Ausbildungsform der jeweiligen elektrischen Maschine bzw. die Betriebsweise der jeweiligen elektrischen Maschine sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass, wenn die Drehzahl des Antriebsaggregats erhöht oder reduziert wird, weil die erste Drehzahl länger als eine vorgebbare Zeitschwelle unterhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt, eine Abtriebsdrehzahl des Planetengetriebes konstant gehalten wird. Das bedeutet also, dass das Antriebssystem den gewünschten Betriebspunkt, beispielsweise eine von einem Fahrer eines Fahrzeugs, welches das Antriebssystem für den Fahrantrieb aufweist, gewünschte Geschwindigkeit unverändert beibehält. Lediglich innerhalb des Antriebssystems findet durch die Änderungen der Drehzahl des Antriebsaggregats und der ersten elektrischen Maschine eine für den Fahrer nicht wahrnehmbare Veränderung statt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Abtriebsdrehzahl des Planetengetriebes konstant gehalten wird, indem die erste Drehzahl erhöht oder erniedrigt wird. Somit kann eine Auswirkung der Änderung der Drehzahl des Antriebsaggregats durch eine entsprechende Änderung der ersten Drehzahl vollständig kompensiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Drehzahl rechnerisch erfasst wird aus einer die erste elektrische Maschine beaufschlagenden Umrichterfrequenz und einer Anzahl von Polpaaren der ersten elektrischen Maschine. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die erste Drehzahl ohne zusätzliche Sensorik zuverlässig erfasst werden kann. Durch den Verzicht auf die zusätzliche Sensorik wiederum ergibt sich ein Kostenvorteil.
Bevorzugt wird die erste Drehzahl rechnerisch anhand der Gleichung $n = \frac{f \cdot 60}{p}$
bestimmt, wobei n für die Drehzahl pro Minute steht, p für die Anzahl der Poolpaare der elektrischen Maschine und f für die Frequenz am Umrichter.
Vorteilhafterweise wird die zweite Drehzahl in identischer Weise rechnerisch erfasst.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass von der ersten elektrischen Maschine und/oder von der zweiten elektrischen Maschine im Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie zum Betrieb der ersten elektrischen Maschine oder der zweiten elektrischen Maschine herangezogen wird und/oder einem elektrischen Zwischenkreis zur Verfügung gestellt wird. Somit kann bedarfsweise und zur Einstellung des jeweils bestmöglichen Wirkungsgrads von einer elektrischen Maschine erzeugte Energie zum Betrieb der anderen elektrischen Maschine herangezogen werden. Ebenso kann aber auch elektrische Energie in den Zwischenkreis eingespeist werden, wobei der Zwischenkreis bevorzugt externe Schnittstellen zur Übertragung von elektrischer Energie aufweist, beispielsweise Steckdosen, um auch externe elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen zu können. Beispielsweise kann es sich bei den externen elektrischen Verbrauchern um Anbaugeräte für eine land-, forst- oder kommunalwirtschaftliche Arbeitsmaschine handeln. Weiterhin kann der Zwischenkreis auch eine wiederaufladbare Batterie umfassen, welche von der ersten bzw. von der zweiten elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie aufnehmen, speichern und später bedarfsweise wieder abgeben kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Antriebssystem, umfassend ein Antriebsaggregat und ein eine elektromechanische Leistungsverzweigung umfassendes Planetengetriebe, wobei die Leistungsverzweigung einen Variator umfasst, wobei der Variator eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine umfasst, wobei die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine nach Maßgabe einer Steuervorgabe jeweils entweder als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator betreibbar sind, wobei vom Antriebsaggregat nach Maßgabe der Steuervorgabe eine Drehzahl und ein Drehmoment bereitstellbar sind und wobei von der ersten elektrischen Maschine nach Maßgabe der Steuervorgabe eine erste Drehzahl und ein erstes Drehmoment bereitstellbar sind und/oder von der zweiten elektrischen Maschine nach Maßgabe der Steuervorgabe eine zweite Drehzahl und ein zweites Drehmoment bereitstellbar sind, wobei die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Antriebsaggregats durch die erste Drehzahl und das erste Drehmoment über das Planetengetriebe reduzierbar oder erhöhbar sind und wobei das Antriebsystem dazu ausgebildet ist, zumindest die erste Drehzahl kontinuierlich oder regelmäßig zu erfassen. Das erfindungsgemäße Antriebssystem zeichnet sich dadurch aus, dass das Antriebsystem dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Damit ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auch für das erfindungsgemäße Antriebssystem.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Planetengetriebe als mehrstufiges Planetengetriebe ausgebildet ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein vergleichsweise breiteres Drehzahlspektrum von Ausgangsdrehzahlen des Planetengetriebes bereitgestellt werden kann als dies bei einem einstufigen Planetengetriebe der Fall wäre. Sofern das Antriebssystem für den Fahrantrieb eines Fahrzeugs verwendet wird, kann somit also ein vergleichsweise größerer Geschwindigkeitsbereich abgedeckt werden. Die elektromechanische Leistungsverzweigung erlaubt dabei bevorzugt für jede Stufe des Planetengetriebes eine kontinuierliche Verstellbarkeit der Ausgangsdrehzahl des Planetengetriebes. Insbesondere wird die elektromechanische Leistungsverzweigung auch dazu herangezogen, ein möglichst ruckfreies Schalten von einer Stufe in eine benachbarte Stufe zu ermöglich, z.B. indem durch eine Verstellung des Variators die Ausgangsdrehzahl des Planetengetriebes trotz des Stufenwechsels konstant gehalten wird.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Planetengetriebe vierstufig ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Antriebssystem eine Reversiereinheit umfasst. Somit wird ein Drehrichtungswechsel der Abtriebsdrehzahl sowie des Abtriebsdrehmoments des Planetengetriebes ermöglicht, wobei die reversierte Abtriebsdrehzahl über das gleiche Drehzahlspektrum verstellbar ist wie die nicht reversierte Abtriebsdrehzahl. Dies stellt insbesondere gegenüber einem einzelnen Rückwärtsgang einen Vorteil dar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Antriebsaggregat als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Dadurch kann eine vergleichsweise große Antriebsleistung über vergleichsweise lange Zeitträume zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus weist ein Dieselmotor vergleichsweise geringe Betriebskosten auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Antriebssystem mindestens einen ersten Abtrieb für einen Fahrantrieb aufweist und mindestens einen zweiten Abtrieb für einen Arbeitsantrieb aufweist. Damit wird eine flexible Verwendung insbesondere in Nutzfahrzeugen ermöglicht, die neben dem eigentlichen Fahrantrieb in der Regel einen Nebenantrieb zum Betreiben von fest installierten oder abnehmbaren bzw. wechselbaren Anbaugeräten benötigen.
Sofern mehr als nur ein einzelner erster Abtrieb vorgesehen ist, kann beispielsweise ein mehrachsiger Fahrantrieb bereitgestellt werden, da z.B. jeder erste Abtrieb eine Fahrzeugachse anreiben kann.
Sofern mehr als nur ein einzelner zweiter Abtrieb vorgesehen ist, können beispielsweise mehrere Anbaugeräte gleichzeitig bettrieben werden.
Das Antriebssystem umfasst bevorzugt auch den Arbeitsantrieb, welcher insbesondere als Arbeitshydraulik ausgebildet ist. D.h., dass der zweite Abtrieb eine oder mehrere hydraulische Pumpen der Arbeitshydraulik antreibt, welche ihrerseits einen hydraulischen Druck zur Verfügung stellen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Nutzfahrzeug, umfassend ein erfindungsgemäßes Antriebssystem. Bei dem Nutzfahrzeug kann es sich beispielsweise um eine landwirtschaftliche Arbeitsmaschine wie einen Traktor handeln, um eine Baumaschine wie einen Radlader oder um ein kommunales Nutzfahrzeug wie eine Kehrmaschine.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:

1 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
2 beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Antriebssystems in Form eines Flussdiagramms und
3 beispielhaft einen Verlauf einer ersten Drehzahl der ersten elektrischen Maschine und einen Verlauf einer zweiten Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine für ein vierstufiges Planetengetriebe mit einer Reversiereinheit.

Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
1 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 1. Das Antriebssystem 1 umfasst beispielsgemäß ein als Dieselmotor 2 ausgebildetes Antriebsaggregat 2 und ein eine elektromechanische Leistungsverzweigung umfassendes Planetengetriebe 3, wobei das Planetengetriebe 3 beispielsgemäß vier schaltbare Übersetzungsstufen 20, 21, 22, 23 aufweist, welche über die Kupplungen 16, 17, 18, 19 schaltbar sind. Die Leistungsverzweigung umfasst einen Variator 4, wobei der Variator 4 seinerseits eine erste elektrische Maschine 5 und eine zweite elektrische Maschine 6 umfasst. Die erste elektrische Maschine 5 und die zweite elektrische Maschine 6 sind nach Maßgabe einer Steuervorgabe einer in 1 nicht dargestellten Steuereinheit jeweils entweder als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator betreibbar. Vom Antriebsaggregat 2 sind nach Maßgabe der Steuervorgabe eine Drehzahl und ein Drehmoment bereitstellbar. Ebenso sind von der ersten elektrischen Maschine 5 bzw. von der zweiten elektrischen Maschine 6 nach Maßgabe der Steuervorgabe eine erste Drehzahl und ein erstes Drehmoment bereitstellbar. Wie zu sehen ist, ist das Antriebsaggregat 2 über einen Drehschwingungsdämpfer 7 mit einer Getriebeeingangswelle 8 des Planetengetriebes 3 drehfest verbunden. Die Getriebeeingangswelle 8 stellt über das Festrad 9, das Doppelrad 10 und die Welle 11 eine Triebverbindung zwischen dem Antriebsaggregat 2 und der zweiten elektrischen Maschine 6 her. Weiterhin stellt die Getriebeeingangswelle 8 über jeder der schaltbaren Übersetzungsstufen 20, 21, 22 und 23 sowie das Doppelrad 14 und das Festrad 15 eine Triebverbindung zwischen dem Antriebsaggregat 2 und der ersten Elektrischen Maschine 5 her. Eine Bremse 12 ermöglicht zudem ein Blockieren des Umlaufs von Getriebegliedern der Planetenstufen 20, 21, 22 und 23. Über eine Reversiereinheit 13 ist weiterhin auch eine Drehrichtungsumkehr möglich. Zudem umfasst das Antriebssystem 1 der 1 einen ersten Abtrieb 24 für einen Fahrantrieb und einen zweiten Abtrieb 25 für einen Arbeitsantrieb 26, wobei der Arbeitsantrieb 26 beispielsgemäß vier hydraulische Pumpen 27, 28, 29 und 30 umfasst. Über die vier Übersetzungsstufen 20, 21, 22 und 23 ist eine Drehzahl bzw. ein Drehmoment des Antriebsaggregats 2 durch die erste Drehzahl und das erste Drehmoment der ersten elektrischen Maschine 5 reduzierbar oder erhöhbar. Zudem ist das Antriebsystem 1 dazu ausgebildet, zumindest die erste Drehzahl der ersten elektrischen Maschine 5 und die Drehzahl des Antriebsaggregats 2 kontinuierlich zu erfassen. Wenn dabei festgestellt wird, dass die erste Drehzahl länger als eine vorgebbare Zeitschwelle unterhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt, so wird die Drehzahl des Antriebsaggregats 2 erhöht oder reduziert. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass durch eine entsprechende Änderung der Drehzahl des Antriebsaggregats 2 auch eine Änderung, insbesondere eine Erhöhung des Betrags, der ersten Drehzahl bewirkt wird. Dadurch kann eine Beschädigung der ersten elektrischen Maschine 5 sowie der der ersten elektrischen Maschine 5 zugeordneten Leistungselektronik vorteilhaft vermieden werden. Gerade bei sehr geringen Drehzahlen der ersten elektrischen Maschine 5 erfolgt nämlich eine anhaltende Bestromung stets derselben internen Komponenten der ersten elektrischen Maschine 5, insbesondere derselben Wicklungen des Stators sowie derselben Halbleiterbauteile der zugeordneten Leistungselektronik. Diese anhaltende Bestromung wiederum kann zu einer nicht vorgesehenen Wärmeerzeugung führen, welche schließlich zu Beschädigungen der ersten elektrischen Maschine 5 bzw. der ihr zugeordneten Leistungselektronik führen kann. Bereits eine geringe Drehzahl der ersten elektrischen Maschine 5 ist jedoch ausreichend, um nicht dauerhaft dieselben Wicklungen bzw. Halbleiterbauteile zu belasten. Somit ergibt sich ein verringerter Verschleiß der ersten elektrischen Maschine 5 bzw. der ihr zugeordneten Leistungselektronik und eine verbesserte Lebensdauer. Darüber hinaus ergibt sich auch eine verbesserte Regelbarkeit der ersten elektrischen Maschine 5, da elektrische Maschinen, insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen, im Stillstand oder bei vergleichsweise sehr geringen Drehzahlen, bekanntermaßen schwer zu regeln sind.
2 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Antriebssystems 1 in Form eines Flussdiagramms.
In einem ersten Verfahrensschritt 40 wird beispielsgemäß überprüft, ob das Antriebssystem 1 in Betrieb ist. Sofern das Antriebssystem 1 nicht in Betrieb ist, geschieht nichts und es wird weiterhin überwacht, ob das Antriebssystem 1 in Betrieb genommen wird. Sofern jedoch erkannt wird, dass das Antriebssystem 1 in Betrieb ist, so wird das Verfahren in Schritt 41 fortgesetzt. In Schritt 41 wird kontinuierlich eine erste Drehzahl der ersten elektrischen Maschine 5 erfasst. In Schritt 42 wird von der erfassten ersten Drehzahl der Betrag gebildet und der solcherart gebildete Betrag wird gegen eine vorgebbare Drehzahlschwelle verglichen. Sofern in Schritt 43 festgestellt wird, dass die erfasste Drehzahl größer ist als die vorgebbare Drehzahlschwelle, so wird das Verfahren in Schritt 41 fortgesetzt. Sofern jedoch in Schritt 44 festgestellt wird, dass die erfasste Drehzahl kleiner ist als die vorgebbare Drehzahlschwelle, so wird in Schritt 45 eine Zeiterfassung gestartet, wobei die Zeiterfassung erfasst, für welche zeitliche Dauer die erste Drehzahl kleiner ist als die vorgebbare Drehzahlschwelle. In Schritt 46 wird die zeitliche Dauer, für welche die erste Drehzahl kleiner ist als die vorgebbare Drehzahlschwelle, gegen eine vorgebbare Zeitschwelle verglichen. Sofern in Schritt 47 erkannt wird, dass die zeitliche Dauer, für welche die erste Drehzahl kleiner ist als die vorgebbare Drehzahlschwelle, kleiner ist als die vorgebbare Zeitschwelle, so wird das Verfahren in Schritt 41 fortgesetzt. Sofern jedoch in Schritt 48 erkannt wird, dass die zeitliche Dauer, für welche die erste Drehzahl kleiner ist als die vorgebbare Drehzahlschwelle, größer ist als die vorgebbare Zeitschwelle, so wird das Verfahren in Schritt 49 fortgesetzt. In Schritt 49 wird nun beispielsgemäß die Drehzahl des Antriebsaggregats 2 erhöht. Um jedoch eine Auswirkung dieser Drehzahlerhöhung des Antriebsaggregats 2 auf eine Drehzahl des Abtriebs 24 bzw. eine Abtriebsdrehzahl des Planetengetriebes 3 zu vermeiden, wird in Schritt 50 die erste Drehzahl der ersten elektrischen Maschine 5 ebenfalls und im gleichen Maße erhöht, so dass die Drehzahl des Abtriebs 24 bzw. die Abtriebsdrehzahl des Planetengetriebes 3 unverändert bleibt.
3a zeigt beispielhaft einen Verlauf 60 einer ersten Drehzahl der ersten elektrischen Maschine 5 und einen Verlauf 61 einer zweiten Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine 6 für ein vierstufiges Planetengetriebe 3 mit einer Reversiereinheit 13. Die x-Achse der 3 stellt die Drehzahl am ersten Abtrieb 24 dar, die y-Achse hingegen stellt die erste Drehzahl bzw. die zweite Drehzahl dar. Beispielsgemäß wird über die x-Achse das vollständige mögliche Spektrum von Drehzahlen am ersten Abtrieb 24 dargestellt, d.h. es werden alle vier Übersetzungsstufen des Planetengetriebes 3 der Reihe nach zunächst in Rückwärtsrichtung und dann in Vorwärtsrichtung durchfahren. Durch gepunktete Linien 62 sind diejenigen Betriebspunkte markiert, in denen die erste Drehzahl beispielsgemäß unterhalb der vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt und nahe Null ist. Hier kommt es durch die dauerhafte Bestromung einzelner Wicklungen und Halbleiterbauteile zu einer hohen thermischen Belastung dieser Bauteile. Um diese Belastung zu reduzieren und insbesondere eine Zerstörung der Wicklungen bzw. der Halbleiterbauteile zu vermeiden, wird nun das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt, d.h. die Drehzahl des Antriebsaggregats 2 wird leicht geändert und entsprechend auch die zweite Drehzahl der zweiten elektrischen Maschine 6 (siehe 3b). Um die Drehzahl am ersten Abtrieb 24 unverändert zu lassen, muss im gleichen Maße auch die erste Drehzahl der ersten elektrischen Maschine 5 geändert werden. Dadurch verschiebt sich der Verlauf 60 der ersten Drehzahl derart, dass die Drehzahl im aktuellen Betriebspunkt nicht mehr unterhalb der vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt. Somit liegt auch keine einseitige Belastung einzelner Wicklungen und Halbleiterbauteile mehr vor.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Antriebsaggregat, Verbrennungsmotor, Dieselmotor
3: Planetengetriebe
4: Variator
5: erste elektrische Maschine
6: zweite elektrische Maschine
7: Drehschwingungsdämpfer
8: Getriebeeingangswelle
9: Festrad
10: Doppelrad
11: Welle
12: Bremse
13: Reversiereinheit
14: Doppelrad
15: Festrad
16: Kupplung
17: Kupplung
18: Kupplung
19: Kupplung
20: Übersetzungsstufe
21: Übersetzungsstufe
22: Übersetzungsstufe
23: Übersetzungsstufe
24: ersten Abtrieb
25: zweiter Abttrieb
26: Arbeitsantrieb
27: hydraulische Pumpe
28: hydraulische Pumpe
29: hydraulische Pumpe
30: hydraulische Pumpe
40: Überprüfen, ob Antriebssystem in Betrieb
41: Erfassung der ersten Drehzahl
42: Vergleich der ersten Drehzahl gegen vorgebbare Drehzahlschwelle
43: Feststellung, dass erste Drehzahl größer als die vorgebbare Drehzahlschwelle ist
44: Feststellung, dass erste Drehzahl kleiner als die vorgebbare Drehzahlschwelle ist
45: Start der Zeiterfassung
46: Vergleich der zeitlichen Dauer gegen die vorgebbare Zeitschwelle
47: Erkennung, dass die zeitliche Dauer kleiner als die vorgebbare Zeitschwelle ist
48: Erkennung, dass die zeitliche Dauer größer als die vorgebbare Zeitschwelle ist
49: Erhöhung der Drehzahl des Antriebsaggregats
50: Erhöhung der ersten Drehzahl
60: Verlauf der ersten Drehzahl
61: Verlauf der zweiten Drehzahl
62: Linien, bei denen die erste Drehzahl ohne das erfindungsgemäße Verfahren unterhalb der vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10128076 A1 [0004]
DE 102015208160 A1 [0005]
DE 102011087946 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems (1), wobei das Antriebssystem (1) ein Antriebsaggregat (2) und ein eine elektromechanische Leistungsverzweigung umfassendes Planetengetriebe (3) umfasst, wobei die Leistungsverzweigung einen Variator (4) umfasst, wobei der Variator (4) eine erste elektrische Maschine (5) und eine zweite elektrische Maschine (6) umfasst, wobei die erste elektrische Maschine (5) und die zweite elektrische Maschine (6) nach Maßgabe einer Steuervorgabe jeweils entweder als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator betrieben werden, wobei vom Antriebsaggregat (1) nach Maßgabe der Steuervorgabe eine Drehzahl und ein Drehmoment bereitgestellt werden und wobei von der ersten elektrischen Maschine (5) nach Maßgabe der Steuervorgabe eine erste Drehzahl und ein erstes Drehmoment bereitgestellt werden und/oder von der zweiten elektrischen Maschine (6) nach Maßgabe der Steuervorgabe eine zweite Drehzahl und ein zweites Drehmoment bereitgestellt werden, wobei die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Antriebsaggregats (2) von der ersten Drehzahl und dem ersten Drehmoment über das Planetengetriebe (3) reduziert werden oder erhöht werden und wobei zumindest die erste Drehzahl kontinuierlich oder regelmäßig erfasst wird (41), dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Antriebsaggregats (2) erhöht oder reduziert wird (49), wenn die erste Drehzahl länger als eine vorgebbare Zeitschwelle unterhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt (44).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitschwelle und die Drehzahlschwelle abhängig von einer Bestromung der ersten elektrischen Maschine (5) vorgegeben werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich kontinuierlich oder regelmäßig eine Temperatur der ersten elektrischen Maschine (5) erfasst wird und dass die Drehzahl des Antriebsaggregats (2) erhöht oder reduziert wird, wenn die Temperatur der ersten elektrischen Maschine (5) oberhalb einer vorgebbaren Temperaturschwelle liegt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Drehzahl des Antriebsaggregats (2) erhöht oder reduziert wird (49), weil die erste Drehzahl länger als eine vorgebbare Zeitschwelle unterhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle liegt (44), eine Abtriebsdrehzahl des Planetengetriebes (3) konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebsdrehzahl des Planetengetriebes (3) konstant gehalten wird, indem die erste Drehzahl erhöht oder erniedrigt wird (50).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehzahl rechnerisch erfasst wird (41)aus einer die erste elektrische Maschine beaufschlagenden Umrichterfrequenz und einer Anzahl von Polpaaren der ersten elektrischen Maschine (5).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der ersten elektrischen Maschine (5) und/oder von der zweiten elektrischen Maschine (6) im Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie zum Betrieb der ersten elektrischen Maschine (5) oder der zweiten elektrischen Maschine (6) herangezogen wird und/oder einem elektrischen Zwischenkreis zur Verfügung gestellt wird.
Antriebssystem (1), umfassend ein Antriebsaggregat (2) und ein eine elektromechanische Leistungsverzweigung umfassendes Planetengetriebe (3), wobei die Leistungsverzweigung einen Variator (4) umfasst, wobei der Variator (4) eine erste elektrische Maschine (5) und eine zweite elektrische Maschine (6) umfasst, wobei die erste elektrische Maschine (5) und die zweite elektrische Maschine (6) nach Maßgabe einer Steuervorgabe jeweils entweder als elektrischer Motor oder als elektrischer Generator betreibbar sind, wobei vom Antriebsaggregat (1) nach Maßgabe der Steuervorgabe eine Drehzahl und ein Drehmoment bereitstellbar sind und wobei von der ersten elektrischen Maschine (5) nach Maßgabe der Steuervorgabe eine erste Drehzahl und ein erstes Drehmoment bereitstellbar sind und/oder von der zweiten elektrischen Maschine (6) nach Maßgabe der Steuervorgabe eine zweite Drehzahl und ein zweites Drehmoment bereitstellbar sind, wobei die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Antriebsaggregats durch die erste Drehzahl und das erste Drehmoment über das Planetengetriebe (3) reduzierbar oder erhöhbar sind und wobei das Antriebsystem (1) dazu ausgebildet ist, zumindest die erste Drehzahl kontinuierlich oder regelmäßig zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsystem (1) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (3) als mehrstufiges Planetengetriebe (3) ausgebildet ist.
Antriebssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eine Reversiereinheit (13) umfasst.
Antriebssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsaggregat (2) als Verbrennungsmotor (2) ausgebildet ist.
Antriebssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) mindestens einen ersten Abtrieb 24) für einen Fahrantrieb aufweist und mindestens einen zweiten Abtrieb (25) für einen Arbeitsantrieb (26) aufweist.
Nutzfahrzeug, umfassend ein Antriebssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12.