DE202012012471U1 - Hybridantrieb für Lastkraftwagen - Google Patents

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Abstract

Hybridantrieb für Lastkraftwagen, ausgerüstet mit einem Verbrennungsmotor (1), der über einen Antriebsstrang (2) die Antriebsräder (3) des Fahrzeuges bewegt, und einem oder mehreren Elektromotoren (4), die ihre Elektroenergie aus einer Antriebsbatterie (5) beziehen und den Antriebsstrang (2) des Verbrennungsmotors (1) nutzend oder über separate Verbindungen die Antriebsräder (3) des Fahrzeuges antreiben, wobei mindestens ein Elektromotor (4) beim Bremsen oder im Schubbetrieb als Generator wirkt und mit der Bremsenergie die Antriebsbatterie (5) auflädt, dadurch gekennzeichnet, dass das hybrid angetriebene Fahrzeug mindesten zwei Batterien aufweist, wobei eine Batterie als Antriebsbatterie (5) für den bzw. die Elektromotoren (4) und als unmittelbarer Speicher für die Bremsenergierückgewinnung die Energieabgabe bzw. Energieaufnahme entsprechend den im Fahrbetrieb auftretenden Fahr- und Bremszyklen ausführt, während die zweite Batterie bzw. weitere Batterien mit insgesamt einem Mehrfachen der Speicherkapazität der für die Bremsenergierückgewinnung zuständigen Antriebsbatterie (5) einen Energiespeicher (6) bilden, der gesteuert durch eine Elektronik (7) seine Energie bei Bedarf an die Antriebsbatterie (5) abgibt und diese auflädt oder zusätzlich zur Antriebsbatterie (5) den oder die Elektromotoren (4) antreibt.

Description

  • Im Bereich der Lastkraftwagen (Lkw) insbesondere der schweren Lkw sind heute rein elektrische Antriebe auf wenige sehr spezielle Anwendungen, in vielen Fällen auf Versuchsfahrzeuge beschränkt. Das große Batteriegewicht, das die Nutzmasse einschränkt, und der hohe Anschaffungspreis für den Akku, werden auch in den nächsten Jahren eine vollständige Umstellung auf Elektroantriebe in dieser Fahrzeugklasse verhindern.
  • Ebenso wie bei Personenkraftwagen sind auch bei Lastkraftwagen Hybridantriebe bekannt. Damit ist die Kombination eines Antriebs durch einen Verbrennungsmotor mit einer zweiten, elektrischen Kraftquelle gemeint. Den kombinierten Fahrantrieb gibt es in verschiedenen Konzeptionen und Variationen.
  • Die MAN Truck & Bus AG präsentierte 2012 auf der Messe IAA Nutzfahrzeuge Hannover ein Abfallentsorgungsfahrzeug /1/ mit einem seriellen Hybridantrieb, bei dem die Fahrten ausschließlich elektrisch erfolgen und ein Dieselmotor nur für das Laden des mit einer hoher Speicherkapazität ausgestatteten Akkus bestimmt ist. Der Vorteil dieser Hybridtechnologie besteht darin, dass das Fahrzeug geräuscharm und abgasfrei über mittlere Strecken elektrisch fahren kann, was insbesondere im innerstädtischen Bereich von Vorteil ist.
  • Die VOLVO Truck Corporation stellt einen Parallelhybridantrieb /2/ für schwere Lkw vor, bei dem der Elektromotor in den Antriebsstrang des Verbrennungsmotors integriert ist, so dass der Verbrennungsmotor und der Elektromotor parallel und auch gemeinsam als Antrieb wirken können. Durch die Leistungsaddition des gemeinsamen Fahrantriebes können bei diesem Hybridkonzept Motoren mit geringer Baugröße verwendet werden.
  • Zusätzliche Abgas- und Kraftstoffreduzierungen erreicht ein Hybridfahrzeug, wenn der Elektromotor während des Bremsens und im Schubbetrieb als Generator arbeitet und mit der aufgenommenen Energie eine Batterie lädt. Die gespeicherte Energie kann für kurze rein elektrische Fahrten meist bei kleinen Geschwindigkeiten oder für den gleichzeitigen, kraftstoffsparenden Betrieb von Verbrennungs- und Elektromotor genutzt werden. Die dafür eingesetzten Batterien, die eine schnelle Energieabgabe bzw. Energieaufnahme entsprechend den im Fahrbetrieb auftretenden Fahr- und Bremszyklen ausführen müssen, besitzen in der Regel nur eine relativ geringe Speicherkapazität, sodass sich mit diesem System nur kleine elektrische Fahrstrecken zurückgelegen lassen.
  • Der Erfindung stellt sich die Aufgabe, das Hybridsystem für Lkw so zu gestalten, dass es mit erhöhter Batteriespeicherkapazität längere rein elektrische Fahrten z. B. in Innenstädten ermöglicht, ohne dass die Wirkung der Batterie bei der Bremsenergierückgewinnung eingeschränkt wird.
  • Die Erfindung entsprechend dem Schutzanspruch 1 erreicht diese Zielstellung dadurch, dass das hybrid angetriebene Fahrzeug mindesten zwei Batterien besitzt, wobei eine Batterie als Antriebsbatterie (5) für den Elektromotor bzw. die Elektromotoren (4) und als unmittelbarer Speicher der Bremsenergie dient, indem es die Energieabgabe bzw. Energieaufnahme entsprechend den im Fahrbetrieb auftretenden Fahr- und Bremszyklen ausführt. Die zweite Batterie oder auch weitere Batterien, die insgesamt ein Mehrfaches der Speicherkapazität der für die Bremsenergierückgewinnung zuständigen Antriebsbatterie (5) aufweisen, bilden einen Energiespeicher (6). Dieser gibt, gesteuert über eine Elektronik (7), seine Energie bei Bedarf an die Antriebsbatterie (5) ab, um diese aufzuladen, oder er treibt zusätzlich zur Antriebsbatterie (5) den oder die Elektromotoren (4) an.
  • Auf diese Weise werden längere elektrisch angetriebene Fahrstrecken verwirklicht.
  • Erfindungsgemäß werden die den Energiespeicher (6) bildende Batterie bzw. Batterien über das Stromnetz aufgeladen.
  • Eine besondere und bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass der Energiespeicher (6) bzw. die ihn bildende Batterie oder Batterien lösbar mit dem Fahrgestell (8) bzw. dem Fahrzeugaufbau (9) sowie mit den elektrischen Anschlüssen verbunden sind. Das Hybridfahrzeug kann dadurch sowohl mit als auch ohne Energiespeicher (6) oder auch mit einem anderen wechselbaren Energiespeicher (6) eingesetzt werden.
  • Erfindungsgemäß bestehen die lösbaren Verbindungen bevorzugt aus Schnellkuppelsystemen (10). Das betrifft sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Wechseleinrichtungen sowie eventuelle Kühl- und Heizsysteme.
  • Entsprechend der Erfindung kann der Energiespeicher (6) zusätzlich oder auch hauptsächlich für den Antrieb von Elementen des Fahrzeugaufbaues (9) genutzt werden wie beispielsweise für die Tonnenentleerung und das Presswerk bei einem Müllsammelaufbau oder für den Antrieb eines Ladekranes. In diesen Fällen stellt der Energiespeicher (6) nur einen Teil seiner Energie für den Hybridantrieb zur Verfügung.
  • Darüber hinaus kann erfindungsgemäß der Energiespeicher (6) direkt oder über die Antriebsbatterie (6) bzw. eine Vorpufferbatterie aus der Brems- bzw. Schubenergierückgewinnung aufgeladen werden, wobei die Elektronik (7) die Ladevorgänge steuert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in der 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 den schematischen Aufbau des Hybridantriebes entsprechend der Erfindung,
  • 2 die Ausführung des Energiespeicher (6) als Wechselsystem.
  • In der 1 ist die erfindungsgemäße Ausführung des Hybridsystems am Beispiel eines Müllsammelfahrzeuges dargestellt. Das Fahrzeug besteht aus dem Fahrgestell (8) mit Fahrerhaus, Rahmen und Antrieb sowie dem Abfallsammelaufbau (11).
  • Zum Sammelaufbau (11) gehören neben dem Behälter und der heckseitigen Schütte auch mehrere hydraulische Arbeitszylinder (12), von denen zwei in der 1 eingezeichnet sind. Sie dienen unter anderem der Tonnen- und der Behälterentleerung. Auf die Darstellung vollständiger Hydraulikkreisläufe mit Rückflussleitungen, Hydrauliktank und Filter wurde in der 1 verzichtet. Im Ausführungsbeispiel ist die Hydraulikpumpe (13), die die Arbeitszylinder (12) für die Bewegung der Aufbaukomponenten versorgt, elektrisch angetrieben.
  • Zu dem Hybridsystem des Fahrgestells (8) im Ausführungsbeispiel gehören der Dieselmotor (1) und der zwischen Kupplung und Getriebe angeordnete Elektromotor (4), der beim Bremsen und im Schubbetrieb als Generator arbeitet, des Weiteren die Antriebsbatterie (5), die entsprechend der Fahrzyklen „Fahrt” und „Bremsen” den Motor (4) antreibt bzw. durch den als Generator wirkenden Motor (4) geladen wird, sowie ein Steuergerät (14), das die gewünschte Drehzahl und das Drehmoment einstellt und den Gleichstrom der Batterie in den für hohe Elektromotorleistungen benötigten Dreiphasen-Wechselstrom wandelt.
  • Der Antriebsstrang (2) überträgt die Antriebsleistung auf die Antriebsräder (3).
  • Die elektrisch angetriebene Hydraulik des Aufbaues (9, 11) wird durch den Energiespeicher (6) versorgt. Dieser kann sich erfindungsgemäß aus einer oder mehreren Batterien zusammensetzen. Die Speicherkapazität des Energiespeichers (6) beträgt ein Mehrfaches der Kapazität der Antriebsbatterie (5).
  • Gesteuert durch die Elektronik (7), wird die Kapazität des Energiespeichers (6) neben der Versorgung des elektrischen Müllsammelaufbaues (11) auch für das Hybrid-Antriebssystem des Fahrgestells (8) genutzt, indem der Energiespeicher (6) erfindungsgemäß die Antriebsbatterie (5) auflädt oder zusätzlich zur Antriebsbatterie (5) den Motor (4) antreibt. Im Ausführungsbeispiel sind beide Möglichkeiten schematisch dargestellt: zum einen der Antrieb des Motor (4) durch den Energiespeicher (6) über die Elektronik (7) und das Steuerteil (14) mit dem Gleichstrom/Wechselstromwandler und zum anderen das Aufladen der Antriebsbatterie (5) durch den Energiespeicher (6) über die Elektronik (7).
  • Das Schema im unteren Teil der 1 zeigt die zweckmäßige Zusammenfassung der für die Einbeziehung des Energiespeichers (6) in den Hybridfahrantrieb notwendigen Elektronik (7) mit dem Steuergerät (14) einschließlich des Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers der Hybridsteuerung zu einer Baueinheit.
  • Der Energiespeicher (6) besitzt einen Ladestecker (15), mit dem er entsprechend der Erfindung über das Stromnetz aufgeladen werden kann.
  • Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass der Energiespeicher (6) auch durch die Brems- bzw. Schubenergierückgewinnung geladen wird. In Abhängigkeit von der Größe und der Strukturierung des Energiespeichers (6) kann es zum Aufladen notwendig sein, dass eine kleinere Batterie zwischengeschaltet wird, sodass der Energiespeicher (6) durch den als Generator wirkenden Elektromotor (4) über die Antriebsbatterie (5) oder über eine Zwischenpufferbatterie während der Fahrt geladen wird. Alle Prozesse der Energieaufnahme und Abgabe des Energiespeichers (6) werden durch die Elektronik (7) gesteuert.
  • Mit der Einbindung des Energiespeichers (6) über die Elektronik (7) in das Hybridsystem des Lkw kann das Entsorgungsfahrzeug der 1 neben der elektrischen und damit geräuscharmen und abgasfreien Tonnenentleerung auch längere, über die Möglichkeiten der Antriebsbatterie (5) hinaus gehende Fahrstrecken elektrisch zurücklegen, was besonders vorteilhaft beim Einsatz in Kureinrichtungen oder Innenstädten ist.
  • Bei anderen Anwendungen, insbesondere bei denen der Energiespeicher (6) zumindest zeitweise nicht für den Aufbau (9) benötigt wird, kann ein zusätzlicher Nutzen dadurch entstehen, dass der Energiespeicher (6) auf schnelle Art lösbar mit dem Fahrgestell (8) verbunden ist und auf diese Weise nur dorthin mittransportiert werden muss, wo der Vorteil des rein elektrischen Fahrens benötigt wird.
  • Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Energiespeichers (6) als Wechselsystem.
  • Das Fahrzeug ist ein Lastkraftwagen, bestehend aus dem Fahrgestell (8) und einem schematisch dargestellten kastenförmigen Aufbau (9). Der Aufbau (9) könnte z. B. ein Koffer- oder Pritschenaufbau für die Belieferung von Geschäften oder die Materialbereitstellung auf Baustellen sein. Des Weiteren könnte das Fahrgestell (8) ausgerüstet mit einer Sattelkupplung Sattelanhänger ziehen.
  • Das Fahrgestell besitzt einen Hybridantrieb, bei dem der Elektromotor (4) hinter dem Dieselmotor (1) zwischen der Kupplung und dem Getriebe angeordnet ist. Wie im Ausführungsbeispiel der 1 ist erfindungsgemäß neben der Antriebsbatterie (5), die zur schnellen Aufnahme und Abgabe der Energie aus den Brems- und Schubvorgängen befähigt ist, ein Energiespeicher (6) in Form einer Batterie vorhanden, die ein Mehrfaches der Kapazität der Antriebsbatterie (5) besitzt und über das Stromnetz aufgeladen werden kann. Der Energiespeicher (6) liefert bei Bedarf zusätzlich zur Antriebsbatterie (5) die elektrische Energie für verlängerte elektrische Fahrten.
  • Für die Steuerung der Energieflüsse des Energiespeichers (6) und der Antriebsbatterie (5) zum Antrieb des Elektromotors (4) sorgt die Elektronik (7), die im Ausführungsbeispiel der 2 mit dem Steuergerät (14) der Drehzahl/Drehmomentsteuerung und dem Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler zu einer Einheit zusammengefasst ist. Alternativ wäre auch eine separat angeordnete Elektronik (7) für den Energiespeicher (6), die am Fahrgestell (8) oder auch am wechselbaren Energieträger (6) befestigt sein kann, denkbar.
  • Die Antriebsbatterie (5) und die Steuereinheit (7, 14), bestehend aus der Elektronik (7) und dem Steuergerät (14) mit dem Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler, sind im Bild 2 nur schematisch dargestellt. Sie könnten am Fahrgestellrahmen z. B. vor dem Energiespeicher (6) oder auf der gegenüberliegenden Fahrzeugseite montiert sein.
  • Im unteren Teil der 2 ist das Beispiel eines Wechselsystems für den Energiespeicher (6) vergrößert dargestellt. Der Energiespeicher (6) ist mit dem Fahrgestell (8) lösbar durch Schnellkuppelsysteme (10) verbunden. Dazu gehören die schnell lösbaren mechanischen Befestigungen und die elektrischen Anschlüsse. Die schnell lösbaren mechanischen Befestigungen des Energiespeichers (6) am Fahrgestell bestehen im Ausführungsbeispiel aus der Lagerung auf bzw. in Führungsschienen (16) und der Sicherung durch Verriegelungen (17), die im Ausführungsbeispiel der 2 durch pneumatische Verriegelungszylinder (18) betätigt werden. Mittels der beiden Staplertaschen (19) im unteren Bereich des Energiespeichers (6) lässt sich dieser mit einem Hubwagen oder einem Gabelstaplers vom Fahrgestell (8) nehmen bzw. wieder auf die Führungsschienen (16) heben und schieben. Für die lösbare elektrische Verbindung wird im Beispiel der 2 eine der Hochvolt-Technik angepasste Steckeinrichtungen (20) verwendet.
  • Neben den in der 2 gezeigten konstruktiven Lösungen, sind entsprechend der Erfindung auch andere Ausführungen des Wechselsystems möglich. Zum Beispiel können die mechanischen Befestigungselemente am Fahrgestell nach unten absenkbar und die Unterkonstruktion des wechselbaren Energiespeichers (6) für den Transport zu einer Ladestation bzw. zum Fahrgestell mit Rollen versehen sein. Die seitliche Sicherung am Fahrgestell (8) kann auch durch klappbare Bügel verwirklicht werden. Ebenso ließe sich der Energiespeicher (6) erfindungsgemäß auch am Fahrzeugaufbau (9) wechselbar befestigen.
  • Mit der beschriebenen, erfindungsgemäßen Verwendung des Energiespeichers (6) als zusätzlicher Energielieferant in einem mit einer Antriebsbatterie (5) ausgerüsteten Hybridsystem können auch schwere Lastkraftwagen in Gebieten, in denen abgasfreie und geräuscharme Belieferungen gewünscht werden, in vorteilhafter Weise reinelektrisch fahren. Auf Autobahnen oder Landstraßen können diese Lastkraftwagen dank der erfindungsgemäßen schnellen Demontagemöglichkeit des Energiespeichers (6) ohne dessen Mehrgewicht energieeffizient und abgasreduziert durch die Brems- bzw. Schubenergierückgewinnung in Verbindung mit der im Verhältnis zum Energiespeicher (6) kleinen Antriebsbatterie (5) gefahren werden.
  • Es ist für die in Frage kommenden Fahrzeuge denkbar, am Rande von abgasfreien Zonen Lade- und Wechselstationen für die Energiespeicher (6) als zusätzliche Elektroenergiequellen einzurichten. Auf diese Weise könnten schwere Lastkraftwagen auch bei strengsten Abgasnormen z. B. Innenstädte beliefern.
  • Literatur:
    • /1/ MAN Truck & Bus AG: „MAN Metropolis führt flüsterleise und emissionsfrei-progressives Konzept eines schweren Hybrid-Lkw", Presseinformation vom 19.07.2012, München
    • /2/ VOLVO Truck Corporation: „Der neue Volvo FE Hybrid" Prospekt RSP 2011-gle 001

Claims (6)

  1. Hybridantrieb für Lastkraftwagen, ausgerüstet mit einem Verbrennungsmotor (1), der über einen Antriebsstrang (2) die Antriebsräder (3) des Fahrzeuges bewegt, und einem oder mehreren Elektromotoren (4), die ihre Elektroenergie aus einer Antriebsbatterie (5) beziehen und den Antriebsstrang (2) des Verbrennungsmotors (1) nutzend oder über separate Verbindungen die Antriebsräder (3) des Fahrzeuges antreiben, wobei mindestens ein Elektromotor (4) beim Bremsen oder im Schubbetrieb als Generator wirkt und mit der Bremsenergie die Antriebsbatterie (5) auflädt, dadurch gekennzeichnet, dass das hybrid angetriebene Fahrzeug mindesten zwei Batterien aufweist, wobei eine Batterie als Antriebsbatterie (5) für den bzw. die Elektromotoren (4) und als unmittelbarer Speicher für die Bremsenergierückgewinnung die Energieabgabe bzw. Energieaufnahme entsprechend den im Fahrbetrieb auftretenden Fahr- und Bremszyklen ausführt, während die zweite Batterie bzw. weitere Batterien mit insgesamt einem Mehrfachen der Speicherkapazität der für die Bremsenergierückgewinnung zuständigen Antriebsbatterie (5) einen Energiespeicher (6) bilden, der gesteuert durch eine Elektronik (7) seine Energie bei Bedarf an die Antriebsbatterie (5) abgibt und diese auflädt oder zusätzlich zur Antriebsbatterie (5) den oder die Elektromotoren (4) antreibt.
  2. Hybridantrieb für Lastkraftwagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die den Energiespeicher (6) bildende Batterie bzw. Batterien über das Stromnetz aufgeladen werden.
  3. Hybridantrieb für Lastkraftwagen nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (6) bzw. die ihn bildende Batterie oder Batterien lösbar mit dem Fahrgestell (8) bzw. dem Fahrzeugaufbau (9) sowie mit den elektrischen Anschlüssen verbunden sind, so dass das Hybridfahrzeug, sowohl mit als auch ohne Energiespeicher (6) oder auch mit einem anderen wechselbaren Energiespeicher (6) eingesetzt werden kann.
  4. Hybridantrieb für Lastkraftwagen nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die lösbaren Verbindungen als Schnellkuppelsysteme (10) ausgebildet sind.
  5. Hybridantrieb für Lastkraftwagen nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (6) zusätzlich oder hauptsächlich für den Antrieb von Elementen des Fahrzeugaufbaues (9) genutzt wird.
  6. Hybridantrieb für Lastkraftwagen nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (6), über die Elektronik (7) gesteuert, direkt oder über die Antriebsbatterie (6) oder über eine Vorpufferbatterie aus der Brems- bzw. Schubenergierückgewinnung aufgeladen wird.
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