DE19624252A1

DE19624252A1 - Steuerung für Hybridantrieb

Info

Publication number: DE19624252A1
Application number: DE19624252A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Jackstaedt; Horst Dipl Ing Klein
Original assignee: THUERINGER INST fur AKADEMISC
Current assignee: JACKSTAEDT, PETER, DIPL.-ING., 99096 ERFURT, DE KL
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 1998-01-02

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb, vorzugsweise für schwere Straßenfahrzeuge und Schienen fahrzeuge, bei dem die Zusammenführung der Energieanteile aus den Energiequellen ohne Einsatz von Stellgliedern vorgenommen wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Energiemanagement für einen Fahr zeugantrieb zu schaffen, das einen effizienten Energieverbrauch mit der geringstmöglichen Umweltbe lastung verbindet, ohne den Bedienungskomfort im Fahr- und Bremsbetrieb einzuschränken.

In der für Hybridantriebe bekannten Weise besteht die Anordnung der Antriebskomponenten in der Fol ge Brennkraftmaschine, einem damit verbundenen Generator, einem elektrisch auf- und entladbaren Speicher einschließlich Ladezustandskontrolleinrichtung und mindestens einem elektrischen Radan triebsmotor mit entsprechender Steuerungseinrichtung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Ladezustand des Speichers, der benötigten Fahrleistung und Emissionsbeschränkungen zwischen einem Optimalpunkt und dem Stillstand umschaltet.

Im Gegensatz zu bisher bekannten Lösungen, bei denen meist bei variabler Motordrehzahl und Lei stungsabgabe auf emissions- und kraftstoffarmen Betrieb unter Einbeziehung rechnergestützter Optimie rungsmodelle Bezug genommen wird, besteht die erfindungsmäßige Darlegung auf eine konstant abge gebene Leistung der Brennkraftmaschine bei konstant gehaltener Drehzahl. Erst diese Betriebsart schöpft alle Möglichkeiten der Optimierung hinsichtlich Emissions- und Kraftstoffverbrauch voll aus. Uneffektive Teil- und Vollastphasen und ihre Übergänge werden vollständig ausgeschlossen. Die Brenn kraftmaschine ist abhängig von den Fahranforderungen und vom Ladezustand des Speichers entweder nur ein- oder ausgeschaltet und gibt während ihres Betriebes unter ökonomisch und ökologisch optimier ten Bedingungen stets eine konstante Leistung ab.

Um dieses Betriebsregime einzuhalten, muß die vom Generator abgegebene Spannung der stark schwankenden Klemmenspannung des Speichers angeglichen werden, die von der Ladeleistung, der Belastung und vom Energieinhalt anhängt, wobei gleichzeitig erfindungsgemäß auch eine konstante Leistungsabgabe verwirklicht werden muß. In bekannten Lösungen ist deshalb mindestens ein Stellglied am Ausgang des Generators erforderlich, um die notwendige Spannungs- und Leistungsangleichung herbeizuführen.

Die erfindungsmäßige Auslegung des Energiemischvorganges verzichtet auf dieses Stellglied und er dicht über eine Spannungsregelung des Generators von vornherein diesen Angleichungsvorgang. Da bei wird auf die bekannte Möglichkeit der Spannungsregelung von fremderregten Generatoren zurück gegriffen. Abweichend von der üblichen Betriebsweise, bei der normalerweise die Ausgangsspannung aber eine Regelungseinrichtung konstant gehalten wird (z. B. KFZ-Lichtmaschine), ist erfindungsgemäß die Regelung so ausgelegt, daß die Ausgangsspannung nachgeführt wird und dabei stets den Wert annimmt, bei dem die definierte (konstante) Leistung in das System eingespeist wird. Dazu ist, anders als beispielsweise beim Kraftfahrzeug, nicht nur die Ausgangsspannung zu erfassen, sondern auch der Ausgangsstrom. Ein Mikrorechner bestimmt analog oder digital aus beiden Meßgrößen die aktuelle Lei stung und regelt den Erregerstrom des Generators derart, daß die Ausgangsleistung unabhängig vom Betriebszustand des Speichers und der Belastung im aktuellen Fahrbetrieb immer einen konstanten Wert behält.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Energiemischung läßt auch die Einspeisung von Bremsenergie in den Speicher zu. Dabei arbeitet der Fahrmotor einschließlich seiner Steuerungseinrichtung im inversen Betrieb (Generatorbetrieb). In diesem Falle ist keine Energieabgabe der Brennkraftmaschine mehr erfor derlich, sie wird deshalb automatisch abgeschaltet. Sofort mit dem Einsetzen des Bremsvorganges, noch ehe die Brennkraftmaschine zum Stillstand gekommen ist, wird die Erregerleistung des Generators so weit reduziert, daß der Generator voraussetzungsgemäß keine Leistung mehr erzeugt.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsmäßigen Anwendung der internen Regelung der Ausgangsleistung des Generators besteht im Fortfall eines Stellgliedes zwischen Generator und Verknüpfungspunkt. Damit entfallen unvermeidliche Verlustleistungen einer sonst notwendigen leistungselektronischen Schaltung, die überdies wegen der digitalen Betriebsweise auch ein unerwünschtes Spektrum von Störimpulsen hoher Flankensteilheit erzeugt. Im weiteren entfallen deshalb zusätzlich die sonst erforderlichen auf wendigen Entstörschaltungen, die bei der Verwendung von nachfolgenden Mikrorechnerschaltungen und zur Einhaltung der Bestimmungen hinsichtlich der Elektromagnetischen Verträglichkeit unumgänglich sind. Insgesamt entstehen wegen der einfacheren und keine teueren leistungselektronischen Bauteile umfassenden erfindungsgemäßen Regelung deutliche Kostenvorteile gegenüber bekannten Lösungen.

Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften:
DE 40 00 678 A1
DE 41 09 379 A1
DE 43 22 676 A1
DE 43 31 569 A1.

Ausführungsbeispiel

In Fig. 1 ist in einem Ausführungsbeispiel die Einbindung der erfindungsgemäßen Energiesteuerung in ein lastentransportierendes autarkes Schienenfahrzeug beschrieben.

Mit 1 wird der Dieselmotor bezeichnet, der eine Nennleistung von 150 kW aufweist. Dieser Brenn kraftmotor besitzt eine interne Drehzahlregelung, die weitgehend lastunabhängig eine konstante Drehzahl von 1500 U/min garantiert. Die Abtriebswelle ist direkt mit einem fremderregten Drehstrom generator 2 gekoppelt, der mit einer internen Brückengleichrichterschaltung ausgestattet ist. Aus gangsseitig werden sowohl Spannung als auch Strom erfaßt und auf der Informationsleitung 5 der Regelungseinrichtung mit Mikrorechner 3 zugeführt, die im Ausführungsbeispiel als Analogrechner ausgelegt ist. Aus beiden Größen wird die Generatorleistung bestimmt, die im folgenden als Füh rungsgröße für die rechnergestützte Erzeugung der Erregerleistung für den Drehstromgenerator dient und auf der Erregerleitung 4 der Erregerwicklung des Drehstromgenerators zugeführt wird. Das ge schieht im Sinne der Nachführung der Ausgangsspannung zur Aufrechterhaltung der definitionsge mäßen konstanten Ausgangsleistung von 90 kW, die unabhängig von den Belastungsverhältnissen im Traktionsstrang ist.

Die entsprechenden technischen Daten der Brennkraftmaschine weisen in diesem Arbeitspunkt, der etwa bei 60% der Nennleistung liegt, den geringsten Brennstoffverbrauch bei gleichzeitig minimalem Schadstoffausstoß aus, d. h., in diesem Arbeitspunkt wird die Energie zu den ökonomisch und öko logisch günstigsten Bedingungen erzeugt.

Der Generator ist erfindungsgemäß ohne Zwischenschaltung irgendwelcher Stellglieder galvanisch mit dem Speicher 6, der als elektrochemischer Sammler in Form eines Hochtemperatur-Na-Ni-Cl- Akkumulators ausgeführt ist, und dem Eingang des Wechselrichters 10 verbunden. Dem Wechsel richter schließt sich der Drehstromfahrmotor 12 an, der seinerseits über ein integriertes Unterset zungsgetriebe in Tatzlagerausführung die Achse mit den Rädern 13 antreibt. Am elektrischen Ver knüpfungspunkt (7) findet eine Zusammenführung der Energien im Sinne eines Mischvorganges statt, wobei die einzelnen Anteile von den Fahrbedingungen, vom Ladezustand des Akkumulators und auch davon abhängen, ob die Brennkraftmaschine in Funktion ist oder nicht.

Mit Hilfe des Fahrstellers (nicht in der Figur dargestellt), der als Potentiometer üblicherweise auf den Wechselrichter einwirkt, läßt sich in bekannter Weise der Fahrvorgang steuern. In ähnlicher Form werden auch Bremsvorgänge gesteuert, wobei in diesem Falle sowohl Fahrmotor als auch Wechsel richter invers arbeiten (Generatorbetrieb). Bremswiderstände sind vorgesehen, wenn die zu erwar tende Bremsleistung das Speichervermögen des Akkumulators übersteigt.

Folgende Möglichkeiten im Fahrbetrieb können eintreten:

Hohe Fahranforderungen

Der Wechselrichter entnimmt aus dem Generator und dem Akkumulator Energie.

Geringe Fahranforderungen

Der Wechselrichter entnimmt dem Generator Energie, aus dem Überschuß wird zusätzlich der Akkumulator geladen.

Emissionsfreier Betrieb

Der Wechselrichter entnimmt nur dem Akkumulator Energie. Das gilt auch für geringe Fahranforderungen bei ausreichendem Ladezustand des Akkumulators.

Bremsen

Der Akkumulator wird mit der Rekuperationsenergie geladen. Wechselrichter und Drehstromfahrmotor arbeiten im inversen Betrieb.

Mit dem Sammler 6, der im Ausführungsbeispiel als Akkumulator mit einem Energieinhalt von 51 kWh repräsentiert wird, ist eine Ladekontrolleinrichtung 8 verbunden, die ständig den Ladezustand über wacht und innerhalb eines definierten Ladebereiches auswertet. Bei einem Ladezustand von mehr als 70% wird der Dieselmotor über die Informationsleitung 9 stillgesetzt, bei Unterschreiten einer Min destladung von 50% wieder gestartet. Eine ähnliche Start-Stop-Funktion löst das Signal auf der In formationsleitung 11 aus, wobei das Kriterium für diese Funktion durch die aktuelle Leistungsanforde rung des Drehstromfahrmotors bestimmt wird. Bei einem Leistungsbedarf, der 90 kW übersteigt, startet die Brennkraftmaschine in jedem Falle.

Claims

1. Steuerung für Hybridantrieb, vorzugsweise in Kraftfahrzeugen für Straßen- und/oder Schienenver kehr, die eine Brennkraftmaschine (1) mit Drehzahlkonstanthalter, einen damit gekoppelten Genera tor (2) zur Stromerzeugung, einen elektrisch auf- und entladbaren Speicher (6) mit Ladekontrollein richtung (8) und mindestens einen Elektromotor (12) zum Rad- bzw. Achsantrieb aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß Generatorausgang, Speicher und Eingang der Steuerungseinrichtung für den Elektromotor elek trisch ohne Zwischenschaltung von Stellgliedern am Verknüpfungspunkt (7) miteinander verbunden sind.

2. Steuerung für Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftma schine mit konstanter Drehzahl und Leistung nur in einem einzigen Arbeitspunkt hinsichtlich optima len Brennstoffverbrauchs und geringster Abgasemission betrieben wird.

3. Steuerung für Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftma schine abhängig vom Ladezustand des Speichers, von den Fahrleistungsanforderungen und den Erfordernissen des Null-Emissions-Betriebs zwischen einem einzigen optimalen Arbeitspunkt und Stillstand geschaltet wird, wobei Vollast- wie auch Teillastbetrieb ausgeschlossen bleiben.

4. Steuerung für Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator als fremderregter Drehstromgenerator ausgeführt ist, dessen Ausgangsspannung durch Veränderung der Erregerleistung mit Hilfe einer Regelungseinrichtung mit Mikrorechner (3) so nachgeführt wird, daß in den Verknüpfungspunkt (7) eine stets konstante Leistung eingespeist wird.

5. Steuerung für Hybridantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsetzen eines Bremsvorganges sofort die Erregerleistung für den Drehstromgenerator und somit auch dessen Aus gangsleistung abgeschaltet wird, mit dem Ziel, im Sinne einer optimalen Rückgewinnung von Brem senergie das Ladeleistungsvermögen des Speichers voll auszuschöpfen.