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Die Erfindung bezieht sich auf ein Nutzfahrzeug, wie Baumaschine, Flurförderer oder dergleichen, mit einem wenigstens als Fahrantrieb dienenden Hybridantrieb, umfassend zumindest einen Verbrennungsmotor und wenigstens einen Motorgenerator, welche mechanisch miteinander gekoppelt sind.
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Nutzfahrzeuge bekannter Gattung sind unter anderem Baumaschinen oder Flurförderer, wie Radlader, Bagger bzw. Gabelstapler, welche beispielsweise zum Lösen, Laden und Transportieren von Schüttgütern bzw. zum Transport oder Um- und Verladen Von Stückgütern eingesetzt werden. Derartige Nutzfahrzeuge weisen, um deren Wirtschaftlichkeit während des Betriebes zu erhöhen, häufig schon einen zumindest als Fahrantrieb dienenden Hybridantrieb auf, welcher sich aus mindestens einem herkömmlichen Verbrennungsmotor und beispielsweise wenigstens einem einen Alternativantrieb ausbildenden Motorgenerator zusammensetzt. Verbrennungsmotor und Motorgenerator sind üblicherweise mechanisch miteinander gekoppelt, so daß zu dem stetig laufenden Verbrennungsmotor im Bedarfsfall der Motorgenerator zugeschaltet werden kann und somit ein zusätzliches Drehmoment auf die das Nutzfahrzeug antreibenden Räder abgibt. Neben dem Fahrantrieb des Nutzfahrzeuges wird in der Regel mittels des Hybridantriebes des Weiteren ein Hydraulikantrieb angetrieben, über den unter anderem Arbeitseinrichtungen angesteuert werden bzw. die Lenkung des Nutzfahrzeuges erfolgt.
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Bei dem am Nutzfahrzeug zum Einsatz kommenden Hybridantrieb ist im Fahr- und/oder Arbeitsbetrieb jedoch stets ein ununterbrochener Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehen. Lediglich beim Auftreten von Lastspitzen wird dann der insbesondere dem Radantrieb zugeordnete Motorgenerator, in Form eines Hilfsantriebes, zugeschaltet. An Nutzfahrzeugen mit derartigen Hybridantrieben läßt sich, aufgrund der direkten mechanischen Kopplung von Verbrennungsmotor und Motorgenerator, der Fahrbetrieb bzw. deren Fahrbewegungen allein durch den zumindest einen Motorgenerator aufweisenden Elektroantrieb nicht umsetzen. Das hat den Nachteil, daß bei gelegentlichen Fahrten in Gebäuden, wie z. B. Werks- oder Lagerhallen, die während des Betriebes des Verbrennungsmotors entstehenden Abgase in das Innere des häufig gleichzeitig als Arbeitsstätte für Personen dienenden Gebäudes gelangen und entsprechend die Atemluft belasten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nutzfahrzeug vorbezeichneter Gattung dahingehend zu verbessern, daß dessen Betrieb auch bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor möglich ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Nutzfahrzeug mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Bei einem Nutzfahrzeug, wie Baumaschine, Flurförderer oder dergleichen mit einem wenigstens als Fahrantrieb dienenden Hybridantrieb, umfassend zumindest einen Verbrennungsmotor und wenigstens einen Motorgenerator, welche mechanisch miteinander gekoppelt sind, ist nach der Erfindung vorgesehen, daß dem Verbrennungsmotor und dem Motorgenerator zumindest ein Planetengetriebe zwischengeschaltet ist.
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Mit Hilfe eines Planetengetriebes, welches insbesondere in dem den Verbrennungsmotor und den Motorgenerator miteinander mechanisch koppelnden Antriebsstrang angeordnet ist, kann ein voneinander unabhängiger, alleiniger Antrieb des Nutzfahrzeuges sowohl durch den Verbrennungsmotor als auch durch den Motorgenerator erfolgen. Eine aufwendig vorzunehmende, mechanische Trennung bzw. Entkopplung des Verbrennungsmotors und des Motorgenerators voneinander, z. B. durch eine Kupplung läßt sich zudem auf vorteilhafte Weise vermeiden. Durch das mit den Abtriebswellen des Verbrennungsmotors und des Motorgenerators verbundene Planetengetriebe ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, das Nutzfahrzeug bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor auch innerhalb geschlossener Gebäude einzusetzen. Die dort arbeitenden Personen werden somit nicht mehr durch ausgestoßene Abgase des Verbrennungsmotors gefährdet. Der Verbrennungsmotor und der Motorgenerator können je nach gewähltem Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes dabei direkt oder unter Zwischenschaltung weiterer Getriebestufen mit entsprechenden An- bzw. Abtriebswellen des Planetengetriebes verbunden sein.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verbrennungsmotor mit dem Planetenträger und der Motorgenerator, mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden ist. Die erfindungsgemäß drehfeste Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Planetenträger und des Motorgenerators mit dem Sonnenrad stellt eine konstruktiv vorteilhafte Möglichkeit für eine Drehmomente übertragende Verbindung zwischen den im Bedarfsfall unabhängig voneinander arbeitenden Antriebseinheiten des Hybridantriebes dar. Gleichzeitig läßt sich der Fahrantrieb des Nutzfahrzeuges auch weiterhin problemlos durch einen parallelen Betrieb des Verbrennungsmotors und des Motorgenerators gewährleisten. Der die Fahrbewegungen des Nutzfahrzeuges ausführende Radantrieb ist dabei bevorzugt ebenfalls mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes gekoppelt. Der dementsprechend direkt mit dem Radantrieb verbundene Motorgenerator kann somit bei auftretenden Lastspitzen problemlos hinzugeschaltet werden bzw. wandelt bei einem vorhandenen Drehmomentüberschuß mechanische Arbeit in elektrische Energie um, welche entsprechend gespeichert wird, oder kann bei Stillstand des Verbrennungsmotors und freilaufendem Hohlrad des Planetengetriebes den alleinigen Fahrantrieb bzw. die Fahrbewegung des Nutzfahrzeuges umsetzen.
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Des weiteren kann mit dem Hohlrad des Planetengetriebes ein weiterer Motorgenerator gekoppelt sein, mit Hilfe dem die Möglichkeit besteht, im Motorbetrieb den Radantrieb des Nutzfahrzeuges zusätzlich anzutreiben oder im Generatorbetrieb ebenfalls überschüssige mechanische Arbeit in elektrischen Strom zu wandeln, der dann für eine spätere Nutzung gespeichert wird. Durch den Einsatz von zwei Motorgeneratoren, von denen einer vorzugsweise am Sonnenrad und der jeweils andere am Hohlrad des Planetengetriebes angreift, kann stets, aufgrund des gegebenen Übersetzungsverhältnisses zwischen Sonnen- und Hohlrad, der am effektivsten arbeitenden Motorgenerator je nach Betriebsart gewählt werden. Bevorzugt wird der mit dem Hohlrad verbundene Motorgenerator zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt und der dem Radantrieb zugeordnete Motorgenerator zum alleinigen oder unterstützenden Antrieb des Nutzfahrzeuges verwendet.
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Das zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Motorgenerator zwischengeschaltete Planetengetriebe ist als kontinuierlich verstellbares Getriebe ausgebildet, wodurch auf vorteilhafte Weise das Verhältnis der Drehzahlen der antreibenden und der abtreibenden Wellen in einem bestimmten Bereich eine beliebige Anzahl von Werten aufweisen kann. Dadurch kann der Verbrennungsmotor stets in einem vorteilhaften Drehzahlbereich bei hohem Drehmoment laufen, wobei eine Änderung in der Geschwindigkeit des Nutzfahrzeuges vornehmlich durch die Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Sonnenrad, Hohlrad und Planetenrädern erfolgt. Somit läßt sich der Verbrennungsmotor im Fahrbetrieb stets in einem optimalen Drehzahlbereich fahren, wobei überschüssige nicht am Fahrantrieb des Nutzfahrzeuges benötigte mechanische Arbeit in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß mit dem Hohlrad oder dem Sonnenrad des Planetengetriebes mindestens eine Druckmittelkreisläufe versorgende Arbeitspumpe Drehmomente übertragend verbunden ist. Die in der Regel ebenfalls über den Hybridantrieb mechanisch angetriebenen Hydrauliksysteme, welche für den Betrieb der hydraulisch betätigbaren Arbeitseinrichtungen, wie z. B. von Radladerschaufeln an Radladern oder Hubgerüsten an Gabelstaplern, benötigt werden und häufig auch Bestandteil der Lenkung für das Nutzfahrzeug sind, können somit auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors durch einen sich im Motorbetrieb befindlichen Motorgenerator und durch die mit diesem über das Planetengetriebe gekoppelten Arbeitspumpe mit Vorteil angetrieben werden. Dabei können an der Arbeitspumpe in Abhängigkeit zur Fahrgeschwindigkeit des Nutzfahrzeuges variierende Drehzahlen entstehen, die sich wiederum über eine variable Getriebestufe verändern lassen.
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Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass eine die Druckmittelkreisläufe für die Hydrauliksysteme versorgende Arbeitspumpe Drehmomente übertragend mit dem Verbrennungsmotor über einen mit einem Entkoppler versehenen Antriebsstrang verbunden ist, an dessen zwischen dem bevorzugt als Ausrückkupplung ausgebildeten Entkoppler und der Arbeitspumpe ausgebildeten Strangabschnitt bei betätigtem Entkoppler zumindest ein Motorgenerator angreift. Im Elektrobetrieb des Nutzfahrzeuges erfolgt somit eine mechanische Trennung des Antriebsstranges zwischen Verbrennungsmotor und Arbeitspumpe in zwei antriebsmäßig voneinander unabhängige Strangabschnitte. Der mit der Arbeitspumpe gekoppelte Strangabschnitt des Antriebstranges kann dann separat von einem Motorgenerator angetrieben werden. Darüber lässt sich mit Vorteil stets eine individuell angepasste Versorgung des Hydrauliksystems gewährleisten.
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Jeder Motorgenerator ist zumindest über einen Stromwandler mit einem Energiespeicher elektrisch leitend verbunden, wobei der Stromwandler den insbesondere mittels des Motorgenerators erzeugten Wechselstrom in einen Gleichstrom vorbestimmter Stärke wandelt. Der gewandelte Gleichstrom wird letztlich in mindestens einen Hochvoltenergiespeicher eingespeist. Reicht die durch den Verbrennungsmotor des Nutzfahrzeuges erzeugte mechanische Arbeit nicht mehr für einen sicheren Vortrieb des Nutzfahrzeuges aus, so wird eine elektrisch leitende Verbindung vom Energiespeicher ausgehend zum Motorgenerator hergestellt. Der in diesem Fall als Hilfsantrieb dienende Motorgenerator unterstützt dann durch den direkten Antrieb der Antriebsräder den Verbrennungsmotor. Anstatt als Hilfsantrieb arbeitend kann der Motorgenerator das Nutzfahrzeug bei Arbeiten in geschlossenen Gebäuden, insbesondere bei einer Hallenfahrt, allein antreiben, wobei dieser Betriebs- oder Fahrmodus beispielsweise über ein vom Fahrer des Nutzfahrzeuges durch Knopfdruck ausgehendes Signal eingeschaltet werden kann. Der gleichzeitig auch zur Rückwandlung von Gleich- in Wechselstrom zum Einsatz kommende Stromwandler ermöglicht mit Vorteil eine verlustarme Stromwandlung, um stets eine relativ hohe Effizienz des Elektroantriebes sicherzustellen.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, daß der Hybridantrieb mit einer die Betriebszustände des Verbrennungsmotors und der Motorgeneratoren regelnden Steuerelektronik ausgerüstet ist. Mit Hilfe einer sämtliche auftretenden Betriebszustände regelnden Steuerelektronik läßt sich eine optimale Betriebscharakteristik des Hybridantriebes durch dessen stets individuell ansteuerbare Funktionsgruppen gewährleisten. Mit der Steuerelektronik kann der Verbrennungsmotor stets in einem optimalen Drehzahlbereich gehalten werden, wobei gegebenenfalls ein Teil der erzeugten mechanischen Energie auf die Antriebsräder übertragen und der andere Teil mittels eines sich im Generatorbetrieb befindlichen Motorgenerators in elektrische Energie umgewandelt wird. Ebenso kann im Bedarfsfall durch die Steuerelektronik der Motorgenerator zum Verbrennungsmotor zugeschaltet werden, welcher dann durch eine vorteilhafte Übersetzung des Planetengetriebes ein optimales Drehmoment aufbringen kann. Des Weiteren läßt sich auch der Abbremsvorgang des Nutzfahrzeuges über den direkt mit den Antriebsrädern verbundenen, als Elektromotor ausgebildeten Motorgenerator vornehmen, so daß eine unmittelbare Energierückgewinnung erzielt werden kann. Mit Hilfe der Steuerelektronik lassen sich weiterhin verschiedene Fahrzyklen steuern, so daß zum Beispiel unterhalb einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit, sofern der Energiespeicher ein entsprechendes Energieniveau aufweist, der Fahrbetrieb vollständig elektrisch erfolgen kann. Erst nach Überschreiten dieser Fahrgeschwindigkeit wird automatisch der Verbrennungsmotor eingeschaltet. Zudem kann mittels der Steuerelektronik auch ein automatischer Abschaltmodus initiiert werden, welcher bei Nichtbetätigen etwaiger Fahrpedale oder Stellhebel das Abschalten des Verbrennungsmotors nach einer voreingestellten Zeitdauer beinhaltet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1: ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles für einen erfindungsgemäßen Hybridantrieb, und
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2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles für einen Hybridantrieb als Blockschaltbild.
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Mit 1 ist ein Hybridantrieb für ein Nutzfahrzeug bezeichnet, welcher einen Verbrennungsmotor 2 und zwei Motorgeneratoren 3, 4 aufweist, welche zumindest für den Antrieb des Fahrantriebes 5 mechanisch miteinander gekoppelt sind. Dabei ist zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und den Motorgeneratoren 3, 4 ein Planetengetriebe 6 zwischengeschaltet, was einen unabhängigen Betrieb des Verbrennungsmotors und der Motorgeneratoren voneinander ermöglicht, ohne dass diese im Falle ihres Stillstandes mechanisch entkoppelt werden müssen. Der Verbrennungsmotor 2 ist dabei vorzugsweise mit dem Planetenträger des Planetengetriebes 6 und der Motorgenerator 3 mit dessen Sonnenrad gekoppelt. Der Motorgenerator 4 ist hingegen insbesondere Drehmomente übertragend mit dem Hohlrad des Planetengetriebes 6 verbunden. Zur Stromversorgung der Motorgeneratoren 3, 4 wird zumindest ein Hochvolt-Energiespeicher 7 eingesetzt, der über jeweils einen Stromwandler 8, 9 mit einem jeweiligen Motorgenerator 3, 4 stromleitend verbunden ist. Gleichzeitig wird neben einem Hochvolt-Energiespeicher 7 ebenfalls ein herkömmlicher Akkumulator 10 für zum Beispiel die Versorgung des Bordnetzes des Nutzfahrzeuges verwendet. Neben dem Fahrantrieb 5 ist mit Hilfe des Hybridantriebes 1 die Versorgung eines die Lenkung bzw. ein Hubwerk des Nutzfahrzeuges betätigendes Hydrauliksystem 11 zu gewährleisten. Dafür ist insbesondere eine Arbeitspumpe 12 vorgesehen, welche in diesem Ausführungsbeispiel über einen drehfesten Antriebsstrang 13 direkt mit dem Verbrennungsmotor 2 verbunden ist.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybridantriebes 14 als Blockschaltbild abgebildet, welcher eine Weiterentwicklung des in 1 gezeigten Hybridantriebes darstellt und einen den Verbrennungsmotor 2 mit der Arbeitspumpe 8 modifizierten Antriebsstrang 15 aufweist. Der Antriebsstrang 15 weist einen diesen in zwei Strangabschnitte 15' und 15'' unterteilenden Entkoppler 16 auf, so dass beide Strangabschnitte bei einer Betätigung des Entkopplers 16 mechanisch voneinander getrennt sind. Am Strangabschnitt 15'' greift ein weiterer Motorgenerator 17 an, der dann im Elektrobetrieb des Nutzfahrzeuges und somit bei einer automatischen Entkopplung der Antriebsstränge 15', 15'' den Antrieb der Arbeitspumpe 12 und die Versorgung des Hydrauliksystems 11 übernimmt. Auch der Motorgenerator 17 ist wiederum über einen Stromwandler 18 mit dem Hochvolt-Energiespeicher 7 verbunden.
