EP2417018A1 - Hybridantrieb eines schiffes - Google Patents

Hybridantrieb eines schiffes

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Publication number
EP2417018A1
EP2417018A1 EP09764815A EP09764815A EP2417018A1 EP 2417018 A1 EP2417018 A1 EP 2417018A1 EP 09764815 A EP09764815 A EP 09764815A EP 09764815 A EP09764815 A EP 09764815A EP 2417018 A1 EP2417018 A1 EP 2417018A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
clutch
electric machine
drive
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09764815A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Adriano Zanfei
Michele Zottele
Paolo Stasolla
Andrea Pellegrinetti
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP2417018A1 publication Critical patent/EP2417018A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J3/00—Driving of auxiliaries
    • B63J3/02—Driving of auxiliaries from propulsion power plant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/20—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being powered by combinations of different types of propulsion units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/02—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with mechanical gearing
    • B63H23/10—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with mechanical gearing for transmitting drive from more than one propulsion power unit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/20—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being powered by combinations of different types of propulsion units
    • B63H2021/202—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being powered by combinations of different types of propulsion units of hybrid electric type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system
    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Definitions

  • the invention relates to a hybrid propulsion of a ship, in particular a sailing ship hybrid drive or a hybrid hybrid propulsion engine, and a method for operating this hybrid propulsion.
  • An internal combustion engine for driving a ship or motor vehicle is operated over a wide load and speed range, with the lowest fuel consumption of the internal combustion engine is achieved only in a very narrow speed and torque range.
  • This area of the consumption map will hereinafter be referred to as the minimum consumption area. Outside the range of minimum consumption, the internal combustion engine operates at unfavorable efficiencies and thus a high fuel consumption.
  • hybrid drives have been developed in which an internal combustion engine has been combined with at least one electric machine, wherein in addition to a fuel tank for the internal combustion engine, a battery for storing electrical energy is provided. Under a battery here is any electrical energy storage to understand, for example, a capacitive storage.
  • the internal combustion engine can be decoupled from the output, their operation is possible if necessary in or near the range of minimal consumption in the consumption map of the internal combustion engine.
  • the drive is done by means of the electric machine.
  • energy recovery or recuperation is possible in a hybrid drive, since due to the mechanical connection of the output and electric machine in certain operating conditions, such as braking or downhill of motor vehicles, the electric machine can be driven from the output side. Also with a ship is a regenerative energy production by solar energy or wind energy.
  • an internal combustion engine drives a generator whose generated electrical energy drives an electric motor, which in turn drives a propeller shaft
  • the arrangement of the internal combustion engine is not bound to the propeller shaft and can be arranged virtually freely in the ship's hull.
  • a disadvantage of the diesel-electric drive is, on the one hand, that at low speeds, the internal combustion engine can only be operated at low load and thus no longer in the range of minimum consumption.
  • Another disadvantage is the double energy conversion and the associated conversion losses.
  • the internal combustion engine can be operated in the ideal case constant in their consumption minimum range, however, the conversion of mechanical to electrical energy in the generator and then the conversion of electrical to mechanical energy in the electric motor is affected by efficiency. These losses can be used to reduce or overcompensate the fuel consumption advantage of the stationary combustion engine operated in the region of minimum consumption.
  • serial hybrid drive of a ship whose construction is similar to that of the diesel-electric drive, however, in addition to the generator and the electric motor, the serial hybrid drive has a battery as storage facility for the electrical energy generated by the generator This means that the drive is "diesel-electric" during normal driving or high loads or ship speeds because the internal combustion engine can be operated within its minimum operating range under these operating conditions. The arrangement of the internal combustion engine can also be done freely in the hull.
  • the battery can be charged with the excess torque.
  • the internal combustion engine is turned off and driven the propeller by means of the electric motor powered by the battery.
  • the purely electric drive of the ship also offers advantages in the emission-free maneuvering in the harbor and allows environmentally friendly operation with respect to exhaust and noise emissions. Only when falling below a certain state of charge of the battery, the internal combustion engine is restarted to charge the battery.
  • the hybrid drive described allows a ride under sails charging the battery or power generation by the propeller acts as a turbine and drives the now operated as a generator electric machine. In addition, it is possible to recharge the battery from the mains while lying in the port.
  • the monitoring and control of the hybrid drive is performed by an electronic control unit.
  • hybrid propulsion Another variant of a hybrid propulsion system for a ship is the so-called "parallel hybrid propulsion.”
  • the internal combustion engine is not mechanically decoupled from the propeller.
  • the parallel hybrid propulsion system includes an electrical energy storage, such as a battery and serial Hybrid and the diesel-electric drive only one depending on the control as a motor or generator operated electric machine.
  • the parallel hybrid drive on a mechanical switching device, which consists for example of an arrangement of clutches. The drive can alternatively electrically or by the internal combustion engine or done by a combination of both.
  • the internal combustion engine can directly drive the propeller, which preferably takes place in operating states in which the internal combustion engine moves in or near the minimum consumption range, such as during normal driving or high required drive torques.
  • the serial hybrid no efficiency losses occur as a result of a mechanical-electrical-mechanical energy conversion. If the internal combustion engine is not fully loaded with the drive of the propeller, the internal combustion engine can drive the electric machine in generator mode and charge the battery in a further adjustment of the mechanical switching device and a power electronics. If the ship is moving at low speed or in maneuvering mode, or if the environment requires quiet and emission-free operation, then the mechanical switching device only produces the mechanical connection between the electric motor and the propeller.
  • the combustion machine is now turned off.
  • the propeller acts as a turbine and drives the electric machine as a generator to charge the battery.
  • This so-called recuperation makes it possible to use an environmentally friendly and renewable energy source.
  • the internal combustion engine can be turned off.
  • both the internal combustion engine and the electric motor act on the propeller due to the switching position of the mechanical shifting device, thus summing up their power (“booster" operation) Drive power as in pure internal combustion engine operation, the internal combustion engine are relieved by the additional power of the electric motor or it can be a peak demand for drive power are covered.
  • a parallel hybrid drive for a ship which has an electrical machine with a first clutch, a battery, an electronic control unit and a drive unit with a second clutch and an inverter charging unit.
  • the first clutch between the internal combustion engine and the electric machine and the second clutch between the electric machine and the propeller shaft are arranged.
  • the first clutch is designed as a lamellar or dog clutch
  • the following operating modes can be set by means of this parallel hybrid drive: in one starter mode, the first clutch is closed and the second clutch is open
  • the engine acts as a starter and sets the internal combustion engine in motion.
  • the drive system automatically changes to generator mode by means of the electronic control unit. in which also the first clutch is closed and the second clutch is open.
  • the internal combustion engine drives the electric machine acting as a generator and thus charges the battery.
  • the battery can be charged via a converter charging unit of the power electronics from the power grid.
  • the first clutch is open and the internal combustion engine is stationary.
  • the second clutch is closed, so that the now effective as a motor electric machine drives the propeller.
  • both clutches are closed and electric machine and internal combustion engine work in parallel.
  • the summed drive power from both machines drives the propeller.
  • a reversal of the propeller rotation which is required, for example, to reverse the direction of travel in arrival or Ablegemanövern is achieved in the illustrated rear-wheel drive by switching a double-cone clutch.
  • this switching is only possible if the direction of rotation of the electric machine corresponds to that of the internal combustion engine. If the reversal of the direction of rotation of the propeller in purely electrical operation is carried out by an easily realizable reversal of rotation of the electric machine, so opens because of their structural design, the double-cone clutch as a freewheel and it can be disadvantageously no drive torque transmitted to the propeller. Thus, the second clutch is not switchable at will and is not a clutch in this sense.
  • Hydraulically actuated clutches which are also used in stern drives or marine drives with undeflected drive train, have several disadvantages. For example, from hydraulic lines and machines leak in the event of leakage, an environmentally damaging and operational safety critical operating medium.
  • a hydraulic system requires at least one pump for pressure oil production, which is an additional component and receives part of the drive line generated by the ship propulsion, which consumes energy from the battery in purely electrical operation and thus shortens the possible duration of the electric machine.
  • Becomes the pump is mechanically driven by the electric machine reversing the direction of rotation of the electric machine is not possible because reversing the direction of rotation in most displacement pumps and the direction of flow reverses.
  • Direction of rotation independent pumps such as radial piston pumps are complex and expensive.
  • the speed of the electric motor can only be lowered to a minimum speed at which the pump can still promote operating medium, or can generate a pressure.
  • a major advantage of the electric drive during maneuvering, or put on and take off is done, in addition to loss of comfort.
  • the object underlying the invention is to provide a compact, electrically reversible hybrid drive for driving a ship and to provide a method for operating this hybrid drive.
  • a hybrid propulsion of a ship in particular a sailing ship hybrid drive or a hybrid engine hybrid, designed as a parallel hybrid drive and includes an internal combustion engine and an electric machine, which is effective depending on the circuit of an electrical control means as a generator or motor.
  • a battery and at least one clutch and a drive device for transmitting the drive power to at least one propeller to the hybrid drive.
  • the electric machine forms together with a first and a second clutch a drive unit, which between the Internal combustion engine and the drive device can be arranged modular.
  • the first clutch between the electric machine and the internal combustion engine and the second clutch between the electric machine and the drive device is arranged.
  • an output shaft of the internal combustion engine by means of the first clutch with a rotor shaft of the electric machine can be coupled and the rotor shaft of the electric machine by means of the second clutch with an input shaft of the drive device can be coupled.
  • a further embodiment provides that power electronics are arranged on the drive unit as an electrical control means for charging and discharging the electrical storage device and for switching the electric machine between the operation as a generator or motor.
  • the direct arrangement or attachment of the power electronics to the drive unit a compact unit is formed.
  • the failure-prone routing of electrical lines within the ship is eliminated due to the direct short connection.
  • lines for cooling of drive unit and power electronics can be summarized.
  • an electromechanical actuator is provided for actuating the two clutches each.
  • An advantage of an electromechanical actuator is the one-off energy conversion electrically-mechanically from the already existing electrical energy storage.
  • the drive device is designed as a pivoting rudder propeller.
  • Such a hybrid drive is preferably operated in different operating modes, wherein in a first operating mode with a change in the direction of travel of the ship, the direction of rotation of the propeller is reversed by means of a reversal of the direction of rotation of the electric motor operated as a motor.
  • the first clutch is opened and the second clutch is closed, wherein the electric machine is effective as a motor and drives the propeller by means of the energy stored in the battery.
  • the hybrid drive is operated in a second operating mode, in which the first and second clutch are closed and the sailing ship is driven by the internal combustion engine.
  • the electric machine is switched off electrically.
  • the second operating mode offers advantages especially at medium and high speeds or heavier flow conditions, since in this case high torques are required to drive the ship and thus the internal combustion engine is operated in or near its minimum consumption range.
  • the hybrid drive operates in a third operating mode, in which the first clutch is closed and the second clutch is open, wherein the internal combustion engine drives the electric machine acting as a generator and charges the electrical energy storage.
  • a fourth operating mode may be provided, in which the two clutches are closed, wherein the internal combustion engine drives both the propeller and electric machine.
  • the electric machine is operated as a generator. This is particularly advantageous in driving conditions with lower power requirements, in which the internal combustion engine would work at low torque and thus far from the minimum consumption range.
  • the power consumption of the electric machine operating as a generator increases the torque of the internal combustion engine and shifts its operating point to the minimum consumption range.
  • the hybrid drive can be operated in a fifth operating mode, in which in both closed clutches, the electric machine is operated as a motor, so that this drives the propeller together with the internal combustion engine.
  • a peak demand for drive power can be covered, on the other hand, the torque of the internal combustion engine can be reduced by that of the added, working as a motor electric machine at high torque demand.
  • the hybrid drive is operated in a sixth operating mode, in which the first shift clutch is opened and the second shift clutch is closed. Due to the flow energy of the water flowing around the vessel, the propeller acts as a turbine and drives the electric machine, which acts as a generator, for generating electrical energy, in particular for charging the electrical energy store. As an advantageous effect, electrical energy is generated purely regeneratively in this mode of operation.
  • the propeller acting as a turbine is driven by the flow energy of the water passed through.
  • electrical energy can be generated from wind power, which is a renewable and environmentally friendly energy source. With the electrical energy thus obtained can be done without fuel consumption when operating the electric machine as a motor emission-free drive of the sailing ship.
  • the first clutch is opened and the second clutch is closed, the electric machine acting as a motor and generating a torque, thereby preventing rotation of the propeller and thus traction of the drive device; to avoid a running noise of the drive device.
  • the method can be selected between a plurality of control modes, wherein a first control mode automatically adjusts itself after switching on the hybrid system, whereby the hybrid system is switched to the first operating mode.
  • the drive takes place here exclusively by acting as a motor electric machine.
  • the speed of the ship may be limited from a speed limit upwards. This results in the advantage that the consumption of stored energy in the battery is kept small and thus the operating time of the electrical energy storage is maximized.
  • the reversing can be done in the first control mode by reversing the direction of rotation of the electric machine, so that an additional mechanical reversing device is not required.
  • the speed limit may be exceeded for a limited time. This makes it possible to cover a short-term power requirement in emergency situations or in maneuvering.
  • a second control mode is preferably provided, in which the hybrid system automatically changes between the first, second and fourth operating modes as a function of the desired speed or the amount of energy stored in the electrical energy store.
  • a third control mode can be selected for the sailing operation.
  • the hybrid system is switched to the sixth operating mode.
  • the rudder propeller is automatically in its opposite direction, or 180 °, pivoted about its control axis relative to the position it takes in a driven by the internal combustion engine or electric machine straight ahead.
  • a variant of the method shows that when selecting a fourth control mode, the hybrid system switches to the third mode.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a hybrid system according to the invention of a ship
  • FIG. 3 is a perspective view of a drive unit according to the invention viewed from the left in the direction of travel,
  • FIG. 4 is a perspective view of a drive unit according to the invention viewed from the right in the direction of travel and
  • Fig. 5 is a perspective view of the drive unit according to the invention with drive device and propeller.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a hybrid propulsion system of a ship according to the invention.
  • the hybrid drive system according to the invention comprises an internal combustion engine 103 with a fuel tank 102 as an energy store and an electric machine 105 with an electrical energy store 106.
  • the hybrid drive system is designed as a so-called parallel hybrid, ie the internal combustion engine 103 and electric machine 105 can both directly and directly select the output, drive a propeller 108 in this case.
  • the electric machine 105 together with a clutch 115 and a clutch 116, a drive unit 140.
  • the drive unit 140 together with a power electronics 107, the battery 106 and a drive device 109, a hybrid electric unit 101.
  • the drive device
  • the internal combustion engine 103 and the hybrid electric unit 101 are provided by an electronic control unit
  • control unit 110 driven via the electrical connections 111 and 112, wherein the control unit 110 determines different operating modes of the hybrid drive system. From the skipper different control modes can be selected, which are stored for example in the electronic control unit 110. The respective control mode determines the operating modes to be switched.
  • the clutch 115 Between the electric machine 105 and an output shaft 114 of the internal combustion engine 103, the clutch 115 and between the electric machine 105 and an input shaft 104 of the drive device 109, the clutch 116 is arranged.
  • the clutches 115 and 116 By means of the clutches 115 and 116, the electric machine 105, the internal combustion engine 103 and the drive device 109 can be rotatably connected to each other.
  • the electric machine 105 can be operated by the electronic control unit 110 via the power electronics 107 as a generator or as a motor depending on the respective operating mode.
  • the Generator operation is charged by a power electronics 107, the battery 106.
  • the electric machine 105 is operated as a motor by means of the electric energy stored in the battery 106.
  • a purely electric propulsion of the ship can take place in a (first) operating mode with the shifting clutch 115 open and the shifting clutch 116 closed.
  • the electric machine 105 is driven by the electronic control unit 110 or the power electronics 107 of the stored electric energy in the battery 106 and the internal combustion engine 103 is turned off in the corresponding control.
  • An electric drive is particularly advantageous in the case of low ship speeds, since here the operating point of the internal combustion engine 103 in the consumption map is far away from the area of minimum consumption.
  • a quiet and emission-free operation of the ship propulsion is possible in environments where noise regulations prevail or where environmental regulations dictate.
  • Another advantage of the electric drive is the possibility of reversing the direction of rotation of the electric machine 105 for reversing the direction of travel of the ship. This is for example when maneuvering a great advantage.
  • a reversing clutch can be dispensed with.
  • the electric drive allows a sensitive maneuvering, since the speed of the electric machine 105 and thus the propeller speed can be changed to a standstill.
  • the electric machine 105 can also be switched off and then turned off by the internal combustion engine 103 via the electronic control unit 110 or the power electronics 107 so that the drive power of the internal combustion engine 103 acts exclusively on the propeller 108.
  • the clutch 115 is closed and the clutch 116 is opened, so that the internal combustion engine 103, the drive electric machine 105 and can charge it as a generator, the battery 106 without a drive of the ship takes place.
  • This operating mode is possible when the ship is at a standstill or when sailing.
  • the clutches 115 and 116 can be started with the effective as a starter electric machine 105 in engine operation, the internal combustion engine 103.
  • the clutches 115 and 116 are designed to allow an emergency circuit so that they are closed in the currentless state of elastic elements, in the present example disc springs, so that at any time a drive of the propeller 108 by means of the internal combustion engine 103 is possible.
  • both clutches 115 and 116 are closed and the internal combustion engine 103 may propel the propeller 108.
  • the electric machine 105 can be operated in this position of the clutches 115 and 116 as a generator, so that the internal combustion engine 103 drives both the propeller 108 and acting as a generator electric machine 105 and thus the battery 106 charges.
  • a sixth mode of operation is possible in which the clutch 115 is opened and the clutch 116 is closed.
  • the electric machine 105 is connected as a generator, which is driven during a sailing trip due to a relative flow velocity to the ship via the drive device 109 and the closed clutch 116 from the acting as a turbine propeller 108 and the battery 106 charges.
  • This option is particularly advantageous since the electrical energy is ultimately generated by wind power or hydropower without consumption of fuels and the associated negative environmental impact recuperatively.
  • Uncoupled internal combustion engine 103 is either parked or running. Both in a motor ship and a sailing ship, the same effect can be achieved in a flowing water, for example, when the ships are at anchor and the water flows around the hull.
  • the electric machine 105 is controlled such that it builds up a moment. By a corresponding regulation of the electric machine 105 operated as a motor, it is achieved that the propeller 108 stands still.
  • the different operating modes are set depending on the control mode selected by the operator.
  • a control mode A in which the hybrid drive in the first operating mode, where only a purely electric drive can be done, is switched.
  • a drive lever is initially in a position N and the electric motor 105 is effective as a motor.
  • the electric machine 105 drives to a minimum speed and the ship moves slowly. This can be sensitively maneuvered out of a standstill or approached.
  • the ship in the control mode A, the ship can be driven at low speed.
  • the reversing is analogous to this, wherein the drive lever is moved in the opposite direction and the electric machine changes its direction of rotation.
  • the ship can not or only temporarily exceed a defined speed limit with the electric drive in order to keep the consumption of electrical energy small and thus to maximize the battery life. Consumption of electrical energy above the defined speed limit is not permitted, except for a limited duration for emergencies and maneuvering.
  • a control mode B is selected, then the internal combustion engine 103 is started by the electronic control unit 110.
  • the hybrid system automatically switches between the first, second and fourth operating mode or between an electric and an internal combustion engine drive.
  • the hybrid system remains in the second operating mode or the drive takes place by means of the internal combustion engine 103. If the speed is to be below the defined speed Speed limit are lowered, is automatically switched to the first operating mode to purely electric drive.
  • Internal combustion engine 103 can now be switched off or run when the clutch 115 is open. If in the first mode of operation the stored amount of electrical energy falls below a defined minimum value, the electronic control unit 110 automatically switches the hybrid system into the fourth operating mode and the internal combustion engine 103 is started to drive the now acting as a generator electric machine 105 for charging the battery 106. At the same time, in the fourth operating mode, the internal combustion engine 103 drives the propeller 108 and thus the ship. Upon reaching a defined state of charge of the battery 106, the electronic control unit 110 switches the hybrid system to the first or second operating mode depending on the actual or desired speed.
  • the operator can select a control mode C and the electronic control unit 110 switches the hybrid system to the sixth mode of operation, i. the clutch 115 opens and the clutch 116 closes.
  • the control mode C designed as a rudder propeller drive device 109 in a position opposite or rotated by 180 ° to the position for driving straight ahead with drive.
  • the blade profile of the propeller 108 is now so to the flow direction that a higher efficiency in the conversion of flow energy into mechanical energy is achieved.
  • the mechanical energy is converted into electrical energy for charging the battery 106 in the electric machine 105 acting as a generator.
  • the sailing ship loses speed in this operating mode. Therefore, the operator can determine the charging current by means of the driving lever.
  • charging current for example, in a driving lever position N, charging of the battery 106 does not occur.
  • the maximum possible charging current ultimately depends on the supply of wind power.
  • the charging of the battery by wind energy in sailing mode can be done automatically only from a defined minimum speed, including the propeller 108 can run by disconnecting the clutch 116 empty.
  • the operator can select the control mode D.
  • the electronic control unit 110 switches the hybrid system into the third operating mode.
  • FIG. 2 shows an electric drive unit 140 according to the invention, which has an electrical machine 205, a clutch 115 and a clutch
  • the electric machine 205 is designed as a twelve-pole brushless synchronous machine. It comprises a stator 221 and a rotor 222, wherein the rotor 222 is non-rotatably connected to a shaft 223.
  • the stator 221 is non-rotatably arranged in a cylindrical cooling jacket 224, wherein the cooling jacket 224 in turn rotatably connected to in a machine housing 229.
  • cooling channels 239 are formed, which are for cooling of the heating in operation electric machine 205 by a liquid cooling medium, for example, water from the navigated waters, flows through.
  • the shaft 223, and thus also the rotor 222, are rotatably mounted in the machine housing 229.
  • the clutches 215 and 216 are designed as dry-running, frictional disc clutches.
  • the clutch 215 comprises a disk-shaped ges drive element 235 and an output element 236, wherein the drive element 235 with an output shaft of the internal combustion engine and the output member 236 rotatably connected to the shaft 223 of the electric machine 205 rotatably connected.
  • the clutch 216 comprises a disk-shaped drive element 237 and an output element 238, wherein the drive element 237 with the rotor 222 and the shaft 223 of the electric machine 205 is rotatably connected.
  • the output member 238 is rotationally connected to an input shaft of the drive device 209 shown in FIG. 5.
  • the clutch 215 is radially from a tubular clutch housing
  • Covered 227 has the internal combustion engine towards a flange 219 for connection to an internal combustion engine.
  • the clutch 216 is enclosed by a clutch bell 228 having in the center a passage 228a through which the connection of a shaft to a drive device is possible.
  • Fig. 3 shows in a perspective external view of the drive unit 240 from the left in the direction of travel side.
  • a power electronics 207 is arranged in a compact manner.
  • an electrical actuator 225 for actuating the clutch 215
  • an electric actuator 226 for actuating the clutch 226.
  • the electric actuator 225 is connected to the clutch housing 227 and the electric actuator 228 to the clutch bell 228. Both electric actuators are in this case designed as linear actuators.
  • the power electronics include a control unit consisting of two AC-DC converters and two DC-DC converters.
  • the electrical energy is converted from the electrical energy storage in AC to drive the electric motor operated as a motor, or generated by the electric machine in the generator mode AC to DC for charging converted the electrical energy storage.
  • the AC-to-DC converter converts DC power from the battery to AC power for operating on-board electrical equipment.
  • a first DC-DC converter is used to supply on-board devices with low voltage or for charging low-voltage electrical energy storage devices.
  • a second DC-DC converter supplies the electrically driven coolant pump.
  • the drive unit 240 is shown in perspective from the side seen in the direction of travel forth.
  • the power electronics 207 is arranged and firmly connected to the machine housing 229.
  • the internal combustion engine side facing the clutch 215 is radially enclosed by the clutch housing 227 as shown in Fig. 2 in section.
  • a connection surface 241 of the clutch 215 faces the internal combustion engine side, as well as the Anflansch configuration 219.
  • the clutch bell 228 is connected to the machine housing, wherein the electric actuator 226 is arranged on the clutch bell 228.
  • the heat generated during operation in the power electronics 207 and the electrical machine 207 must be dissipated.
  • two coolant ports 233 and 234 are provided in the power electronics 207, wherein the liquid coolant of the power electronics 207 flows through one of the two coolant connections and leaves through the other.
  • the cooling of the electrical machine 205 takes place in the same way through the coolant connections 231 and 232.
  • a preferred coolant in an application as a marine propulsion offers water, which is removed by means of a pump the navigated waters and fed to the components to be cooled. After exiting the respective coolant connections, the coolant is heated back into the water.
  • Fig. 5 shows the drive unit 240 with the power electronics 207.
  • a drive device 209 On the drive unit 240, a drive device 209 is arranged, on which a propeller 208 is rotatably arranged.
  • the drive device 209 is in this case designed as a swiveling ship drive, which is also referred to as a so-called pod drive or rudder propeller.
  • the thrust direction of the propeller 208 can be changed in this case in an approximately horizontal pivot plane, which in addition to the positive effect of a good propulsion efficiency, a good maneuverability, in particular when docking and dropping.

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Abstract

Ein Hybridantrieb eines Schiffes ist als Parallel-Hybridantrieb ausgebildet und umfasst eine Verbrennungskraftmaschine (103), eine elektrische Maschine (105), welche je nach Schaltung eines elektrischen Steuermittels (107) als Generator oder Motor wirksam ist, eine Batterie (106), mindestens eine Schaltkupplung (115, 116) sowie eine Antriebsvorrichtung (109) zur Übertragung der Antriebsleistung an mindestens einen Propeller (108). Hierdurch bildet die elektrische Maschine (105) zusammen mit einer ersten (115) und einer zweiten Schaltkupplung (116) eine Antriebseinheit (140), welche zwischen der Verbrennungskraftmaschine (103) und der Antriebsvorrichtung (109) modular anordenbar ist, wobei die erste Schaltkupplung (115) zwischen der elektrischen Maschine (105) und der Verbrennungskraftmaschine (103) und die zweite Schaltkupplung (116) zwischen der elektrischen Maschine (105) und der Antriebsvorrichtung (109) angeordnet ist.

Description

Hybridantrieb eines Schiffes
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb eines Schiffes, insbesondere einen Segelschiffshybridantrieb oder einen Motorschiffshybridantrieb, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Hybridantriebs.
Eine Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb eines Schiffes oder Kraftfahrzeugs wird über einen weiten Last- und Drehzahlbereich betrieben, wobei der geringste Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine nur in einem sehr engen Drehzahl- und Drehmomentbereich erreicht wird. Diese Fläche des Verbrauchskennfeldes wird nachstehend als Bereich minimalen Verbrauchs bezeichnet. Außerhalb des Bereichs minimalen Verbrauchs arbeitet die Verbrennungskraftmaschine bei ungünstigen Wirkungsgraden und damit einem hohen Kraftstoffverbrauch. Mit dem Ziel der Kraftstoffeinsparung wurden so genannte Hybridantriebe entwickelt, bei welchen eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einer elektrischen Maschine kombiniert wurde, wobei neben einem Kraftstofftank für die Verbrennungskraftmaschine eine Batterie zum Speichern elektrischer Energie vorgesehen ist. Unter einer Batterie ist hierbei ein jeglicher elektrischer Energiespeicher zu verstehen, beispielsweise auch ein kapazitiver Speicher. Da bei einem Hybridantrieb die Verbrennungskraftmaschine vom Abtrieb entkoppelt werden kann, ist deren Betrieb bei Bedarf in oder nahe dem Bereich minimalen Verbrauchs im Verbrauchskennfeld der Verbrennungskraftmaschine möglich. Für andere Fahrzustände erfolgt der Antrieb mittels der elektrischen Maschine. Darüber hinaus ist bei einem Hybridantrieb eine Energierückgewinnung oder Rekuperation möglich, da aufgrund der mechanischen Verbindung von Abtrieb und elektrischer Maschine in bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise beim Bremsen oder Bergabfahrt von Kraftfahrzeugen die elektrische Maschine von der Abtriebsseite her angetrieben werden kann. Auch bei einem Schiff ist eine regenerative Energiegewinnung durch Solarenergie oder Windenergie. Ist bei einem Motorschiff eine Ausnutzung der Windenergie nur durch ein Windrad möglich, so kann in einer Anwendung als Antrieb eines Segelschiffs eine solche Rekuperation durch den Antrieb der als Generator wirksamen elektrischen Maschine im Segelbetrieb mittels des nun als Turbine wirkenden Propellers erfolgen. Die Nutzung der Strömungsenergie des das Schiff umströmenden Wassers ist außerdem sowohl bei einem Motorschiff als auch einem Segelschiff in einem fließenden Gewässer möglich. Die erzeugte elektrische Energie kann direkt verbraucht oder in einem elektrischen Energiespeicher gespeichert werden. Auch Segelschiffe sind in bestimmten Situationen auf einen Antrieb angewiesen, wie beispielsweise bei Flaute oder bei An- und Ablegemanövern. Der Antrieb kann dann mit einem Hybridantrieb alternativ elektrisch oder mittels einer Verbrennungskraftmaschine oder mit beiden kombiniert erfolgen.
Es ist ein Schiffsantrieb bekannt, welcher als so genannter „dieselelektrischer" Antrieb ausgebildet ist. Hierbei treibt eine Verbrennungskraftmaschine einen Generator an, von dessen erzeugter elektrischen Energie ein Elektromotor angetrieben wird. Der Elektromotor wiederum treibt eine Propellerwelle an. Die Verbrennungskraftmaschine ist somit mechanisch von der Propellerwelle entkoppelt und kann vorteilhafterweise bei dem Antrieb eines Generators im normalen Betrieb in oder nahe dem Verbrauchsminimalbereich betrieben werden. Außerdem ist die Anordnung der Verbrennungskraftmaschine nicht an die Propellerwelle gebunden und kann praktisch frei im Schiffsrumpf angeordnet werden.
Ein Nachteil des diesel-elektrischen Antriebs ist zum einen, dass bei geringen Geschwindigkeiten die Verbrennungskraftmaschine nur bei geringer Last und damit nicht mehr im Bereich minimalen Verbrauchs betrieben werden kann. Ein weiterer Nachteil ist die zweifache Energiewandlung und die damit verbundenen Wandlungsverluste. Die Verbrennungskraftmaschine kann zwar im idealen Falle konstant in ihrem Verbrauchsminimalbereich betrieben werden, allerdings ist die Wandlung von mechanischer in elektrische Energie im Generator und anschließend die Wandlung von elektrischer in mechanische Energie im Elektromotor wirkungsgradbehaftet. Durch diese Verluste kann der Verbrauchsvorteil der stationär im Bereich minimalen Verbrauchs betriebenen Verbrennungskraftmaschine verringert oder überkompensiert werden.
Streng nach der Definition handelt es sich hierbei nicht um einen echten Hybridantrieb, da eine Speichermöglichkeit für die vom Generator erzeugte elektrische Energie fehlt. Hierdurch ist ein ständiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb des Propellers erforderlich, mit allen negativen Wirkungen wie beispielsweise Abgas- und Geräuschemission. In einer Anwendung in einem Segelboot kann keine Aufladung des elektrischen Energiespeichers im Segelbetrieb oder durch Strömungen erfolgen.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik ist ein so genannter „serieller Hybridantrieb" eines Schiffes bekannt, dessen Aufbau ähnlich dem des dieselelektrischen Antriebs ist. Allerdings verfügt der serielle Hybridantrieb zusätzlich zu Generator und Elektromotor über eine Batterie als Speichermöglichkeit für die vom Generator erzeugte elektrische Energie. Hierdurch sind mehrere Antriebsvarianten möglich. So erfolgt bei normaler Fahrt bzw. hohen Lasten oder Schiffsgeschwindigkeiten der Antrieb „diesel-elektrisch", da die Verbrennungskraftmaschine unter diesen Betriebsbedingungen in ihrem Verbrauchsminimalbereich betrieben werden kann. Die Anordnung der Verbrennungskraftmaschine kann auch hier frei im Schiffsrumpf erfolgen.
Ein Nachteil des seriellen Hybrids bei normaler Fahrt ist ebenso wie beim diesel-elektrischen Antrieb die zweifache Energiewandlung und die damit verbundenen Wandlungsverluste. Durch diese Verluste kann der Verbrauchsvorteil der stationär im Verbrauchsminimalbereich betriebenen Verbrennungskraftmaschine verringert oder überkompensiert werden.
Wird die Verbrennungskraftmaschine nicht ganz durch den Propellerantrieb ausgelastet, kann mit dem überschüssigen Moment die Batterie geladen werden. Bei niedrigen Lasten bzw. geringen Schiffsgeschwindigkeiten wird die Verbrennungskraftmaschine abgestellt und der Propeller mittels des aus der Batterie gespeisten Elektromotors angetrieben. Der rein elektrische Antrieb des Schiffs bietet zudem Vorteile beim emissionsfreien Manövrieren im Hafen und ermöglicht einen bezüglich Abgas- und Lärmemission umweltschonenden Betrieb. Erst bei der Unterschreitung eines bestimmten Ladezustands der Batterie wird die Verbrennungskraftmaschine wieder angelassen, um die Batterie zu laden. Bei einem Segelschiff ermöglicht der beschriebene Hybridantrieb bei einer Fahrt unter Segeln ein Aufladen der Batterie bzw. eine Stromerzeugung, indem der Propeller als Turbine wirkt und die nun als Generator betriebene elektrische Maschine antreibt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Batterie aus dem Stromnetz während der Liegezeit im Hafen aufzuladen. Die Überwachung und Steuerung des Hybridantriebs erfolgt durch eine elektronische Steuerungseinheit.
Eine weitere Variante eines Hybridantriebs für ein Schiff ist der so genannte „Parallel-Hybridantrieb". Hierbei ist im Gegensatz zum seriellen Hybrid die Verbrennungskraftmaschine nicht mechanisch vom Propeller entkoppelt. Der Parallel-Hybridantrieb umfasst einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie und im Vergleich zum seriellen Hybrid und zum diesel-elektrischen Antrieb nur eine je nach Ansteuerung als Motor oder Generator betriebene elektrische Maschine. Außerdem weist der Parallel-Hybridantrieb eine mechanische Schaltvorrichtung auf, welche beispielsweise aus einer Anordnung von Kupplungen besteht. Der Antrieb kann alternativ elektrisch oder durch die Verbrennungskraftmaschine oder durch eine Kombination von beiden erfolgen.
Mittels der mechanischen Schaltvorrichtung und deren Ansteuerung durch eine elektronische Steuerungseinheit sind unterschiedliche Betriebsarten einstellbar. So kann die Verbrennungskraftmaschine direkt den Propeller antreiben, was bevorzugt in Betriebszuständen erfolgt, in welchen sich die Verbrennungskraftmaschine im oder nahe dem Verbrauchsminimalbereich bewegt, wie beispielsweise bei normaler Fahrt oder hohen erforderlichen Antriebsmomenten. Im Vergleich zum seriellen Hybrid entstehen hierbei keine Wirkungsgradverluste infolge einer mechanisch-elektrisch-mechanischen Energiewandlung. Ist die Verbrennungskraftmaschine nicht ganz mit dem Antrieb des Propellers ausgelastet, kann bei einer weiteren Einstellung der mechanischen Schaltvorrichtung und einer Leistungselektronik die Verbrennungskraftmaschine die elektrische Maschine im Generatorbetrieb antreiben und die Batterie aufladen. Bewegt sich das Schiff bei geringer Geschwindigkeit oder im Manövrierbetrieb, bzw. gebietet die Umgebung einen leisen und abgasfreien Betrieb, so stellt die mechanische Schaltvorrichtung nur die mechanische Verbindung zwischen Elektromotor und Propeller her. Die Verbrennungskraft- maschine ist nun abgestellt. In dieser Schaltstellung der mechanischen Schaltvorrichtung ist es bei entsprechender Ansteuerung durch die elektronische Steuerungseinheit außerdem möglich, dass im Segelbetrieb der Propeller als Turbine wirksam und die elektrische Maschine als Generator antreibt um die Batterie zu laden. Durch diese so genannte Rekuperation ist eine Nutzung einer umweltfreundlichen und erneuerbaren Energiequelle möglich. Die Verbrennungskraftmaschine kann dabei abgestellt werden. In einer weiteren Betriebsart, in welcher kurzfristig eine hohe Antriebsleistung angefordert wird, wirken aufgrund der Schaltstellung der mechanischen Schaltvorrichtung sowohl die Verbrennungskraftmaschine als auch der Elektromotor auf den Propeller und summieren so ihre Leistungen („Booster"- Betrieb). Hierdurch kann beispielsweise bei gleicher maximaler Antriebsleistung wie im rein verbrennungsmotorischen Betrieb die Verbrennungskraftmaschine durch die zusätzliche Leistung des Elektromotors entlastet werden oder es kann ein Spitzenbedarf an Antriebsleistung abgedeckt werden.
Aus der Sl 22377 A ist ein Parallel-Hybridantrieb für ein Schiff bekannt, welcher eine elektrische Maschine mit einer ersten Kupplung, eine Batterie, eine elektronische Steuerungseinheit und eine Antriebseinheit mit einer zweiten Kupplung sowie eine Umrichter-Ladeeinheit aufweist. Hierbei sind die erste Kupplung zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der elektrischen Maschine und die zweite Kupplung zwischen der elektrischen Maschine und der Propellerwelle angeordnet.
Der Katalog „Integrated Starter Motor Generators" der Firma Iskra Avtoelektri- ka, welche Inhaberin der Sl 22377 A ist, zeigt ein Schiffsantriebssystem, welches einen Parallel-Hybridantrieb wie unter Sl 22377 A aufweist und einen Heckantrieb als Antriebsvorrichtung umfasst. In dem Heckantrieb findet mittels zwei Winkeltrieben eine zweifache Umlenkung des Antriebsstrangs zum Propeller statt. Die erste Kupplung ist als Lamellen- oder Klauenkupplung ausgebildet. Mittels dieses Parallel- Hybridanträobs sind folgende Betriebsarten einstellbar: in einer Starter-Betriebsart ist die erste Kupplung geschlossen und die zweite Kupplung geöffnet. Die elektrische Maschine wirkt hierbei als Anlasser und setzt die Verbrennungskraftmaschine in Gang. Sobald die Verbrennungskraftmaschine läuft, wechselt das Antriebssystem mittels der elektronische Steuerungseinheit automatisch in die Generator-Betriebsart, in welcher ebenfalls die erste Kupplung geschlossen und die zweite Kupplung geöffnet ist. Die Verbrennungskraftmaschine treibt die als Generator wirksame elektrische Maschine an und lädt damit die Batterie auf. Optional kann während der Liegezeit des Schiffes im Hafen ein Aufladen der Batterie über eine Umrichter- Ladeeinheit der Leistungselektronik aus dem Stromnetz erfolgen. In der elektrischen Antriebsart ist die erste Kupplung geöffnet und die Verbrennungskraftmaschine steht. Die zweite Kupplung ist geschlossen, so dass die nun als Motor wirksame elektrische Maschine den Propeller antreibt. In einer so genannten Booster-Betriebsart sind beide Kupplungen geschlossen und elektrische Maschine und Verbrennungskraftmaschine arbeiten parallel. Die summierte Antriebsleistung aus beiden Maschinen treibt den Propeller an.
Eine Umkehrung der Propellerdrehung, die beispielsweise zur Umkehr der Fahrtrichtung bei An- oder Ablegemanövern erforderlich ist, wird bei dem gezeigten Heckantrieb mittels der Umschaltung einer Doppelkonus-Kupplung erreicht. Diese Umschaltung ist jedoch nur möglich, wenn die Drehrichtung der elektrischen Maschine jener der Verbrennungskraftmaschine entspricht. Soll die Drehrichtungsumkehr des Propellers im rein elektrischen Betrieb durch eine leicht zu verwirklichende Drehrichtungsumkehr der elektrischen Maschine erfolgen, so öffnet aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus die Doppelkonus-Kupplung wie ein Freilauf und es kann nachteiligerweise kein Antriebsmoment zum Propeller übertragen werden. Somit ist die zweite Kupplung nicht nach Belieben schaltbar und ist in diesem Sinne keine Schaltkupplung.
Hydraulisch betätigte Kupplungen, welche ebenfalls in Heckantrieben oder Schiffsantrieben mit nicht umgelenktem Antriebsstrang eingesetzt werden, weisen mehrere Nachteile auf. So kann beispielsweise aus hydraulischen Leitungen und Maschinen im Falle einer Undichtigkeit ein umweltschädigendes und betriebssicherheitskritisches Betriebsmedium austreten. Zudem erfordert ein hydraulisches System mindestens eine Pumpe zur Druckölerzeugung, welche ein zusätzliches Bauteil ist und einen Teil der vom Schiffsantrieb erzeugten Antriebsleitung aufnimmt, was im rein elektrischen Betrieb Energie aus der Batterie verbraucht und damit die mögliche Laufzeit der elektrischen Maschine verkürzt. Wird die Pumpe mechanisch von der elektrischen Maschine angetrieben ist eine Drehrichtungsumkehr der elektrischen Maschine nicht möglich, da sich bei den meisten Verdrängerpumpen bei Umkehr der Drehrichtung auch die Förderrichtung umkehrt. Drehrichtungsunabhängige Pumpen wie beispielsweise Radialkolbenpumpen sind aufwändig und teuer. Aus diesem Grund ist auch im elektrischen Betrieb die Drehrichtung des die Pumpe antreibenden Elektromotors nicht veränderbar, so dass eine mechanische Umschaltung der Drehrichtung des Propellers erforderlich ist. Eine mittels eines eigenen Elektromotors angetriebene Pumpe (E-Pumpe) kann zwar unabhängig von der Drehrichtung der elektrischen Maschine arbeiten, allerdings ist eine E-Pumpe aufwändig und arbeitet aufgrund der zweimaligen Energieumwandlung bei schlechten Wirkungsgraden.
Als weiterer Nachteil kann die Drehzahl des Elektromotors nur bis auf eine Mindestdrehzahl abgesenkt werden, bei welcher die Pumpe noch Betriebsmedium fördern, bzw. einen Druck erzeugen kann. Hierdurch wird ein großer Vorteil des elektrischen Antriebs beim Manövrieren, bzw. An- und Ablegen zunichte gemacht, hinzu kommen Komforteinbußen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, einen kompakten, elektrisch reversierbaren Hybridantrieb zum Antrieb eines Schiffs zu schaffen sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Hybridantriebs anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demnach ist ein Hybridantrieb eines Schiffs, insbesondere ein Segelschiffshybridantrieb oder ein Motorschiffshybridantrieb, als Parallel- Hybridantrieb ausgebildet und umfasst eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine, welche je nach Schaltung eines elektrischen Steuermittels als Generator oder Motor wirksam ist. Außerdem gehören eine Batterie und mindestens eine Schaltkupplung sowie eine Antriebsvorrichtung zur Übertragung der Antriebsleistung an mindestens einen Propeller zu dem Hybridantrieb. Hierbei bildet die elektrische Maschine zusammen mit einer ersten und einer zweiten Schaltkupplung eine Antriebseinheit, welche zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der Antriebsvorrichtung modular anordenbar ist. Innerhalb der Antriebseinheit ist die erste Schaltkupplung zwischen der elektrischen Maschine und der Verbrennungs-kraftmaschine und die zweite Schaltkupplung zwischen der elektrischen Maschine und der Antriebsvorrichtung angeordnet.
Hierdurch wird vorteilhafterweise eine kompakte Bauweise des Hybridantriebs sowie eine gute Montierbarkeit und eine große Wartungsfreundlichkeit erreicht. Darüber hinaus sind durch die die zentrale Anordnung der beiden Schaltkupplungen alle Betriebsfunktionen des Hybridantriebs realisierbar. Eine zusätzliche Schaltkupplung außerhalb der Antriebseinheit in einer anderen Komponente wie beispielsweise der Antriebsvorrichtung ist nicht erforderlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Ausgangswelle der Verbrennungskraftmaschine mittels der ersten Schaltkupplung mit einer Rotorwelle der elektrischen Maschine kuppelbar und die Rotorwelle der elektrischen Maschine mittels der zweiten Schaltkupplung mit einer Eingangswelle der Antriebsvorrichtung kuppelbar.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass an der Antriebseinheit eine Leistungselektronik als elektrisches Steuermittel zum Laden und Entladen der elektrischen Speichereinrichtung sowie zum Schalten der elektrischen Maschine zwischen dem Betrieb als Generator oder Motor angeordnet ist. Durch die direkte Anordnung bzw. Befestigung der Leistungselektronik an der Antriebseinheit wird eine kompakte Einheit gebildet. Die störanfällige Verlegung elektrischer Leitungen innerhalb des Schiffes entfällt augrund der direkten kurzen Verbindung. Außerdem können Leitungen zur Kühlung von Antriebseinheit und Leistungselektronik zusammengefasst werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zur Betätigung der beiden Schaltkupplungen jeweils ein elektromechanischer Aktuator vorgesehen. Ein Vorteil eines elektromechanischen Aktuators ist die einmalige Energieumwandlung elektrisch-mechanisch aus dem ohnehin vorhandenen elektrischen Energiespeicher.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebsvorrichtung als schwenkbarer Ruderpropeller ausgebildet. Durch die Schwenkbarkeit des Propellers in einer waagerechten Schwenkebene um eine im Wesentlichen senkrechte Steuerachse wird die Manövrierbarkeit des Segelschiffs verbessert und der Vortriebswirkungsgrad erhöht.
Ein solcher Hybridantrieb wird bevorzugt in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben, wobei in einem ersten Betriebsmodus bei einer Änderung der Fahrtrichtung des Schiffs die Drehrichtung des Propellers mittels einer Umkehrung der Drehrichtung der als Motor betriebenen elektrischen Maschine umgekehrt wird.
Außerdem ist in dem ersten Betriebsmodus die erste Schaltkupplung geöffnet und die zweite Schaltkupplung geschlossen, wobei die elektrische Maschine als Motor wirksam ist und mittels der in der Batterie gespeicherten Energie den Propeller antreibt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Hybridantrieb in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, in welchem die erste und zweite Schaltkupplung geschlossen sind und das Segelschiff von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Hierbei wird die elektrische Maschine elektrisch abgeschaltet. Der zweite Betriebsmodus bietet vor allem bei mittleren und hohen Geschwindigkeiten oder schwereren Strömungsverhältnisse Vorteile, da hierbei zum Antreiben des Schiffs hohe Momente erforderlich sind und so die Verbrennungskraftmaschine in oder nahe dessen Verbrauchsminimalbereichs betrieben wird.
Weiterhin ist es möglich dass der Hybridantrieb in einem dritten Betriebsmodus arbeitet, in welchem die erste Schaltkupplung geschlossen und die zweite Schaltkupplung geöffnet ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine die als Generator wirksame elektrische Maschine antreibt und den elektrischen Energiespeicher auflädt. Außerdem kann ein vierter Betriebsmodus vorgesehen sein, in welchem die beiden Schaltkupplungen geschlossen sind, wobei die Verbrennungskraftmaschine sowohl den Propeller als auch elektrische Maschine antreibt. Hierbei wird die elektrische Maschine als Generator betrieben. Dies ist vor allem bei Fahrzuständen mit geringerem Leistungsbedarf vorteilhaft, in welchem die Verbrennungskraftmaschine bei geringen Momenten und damit weit entfernt vom Verbrauchsminimalbereich arbeiten würde. Durch die Leistungsaufnahme der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine wird das Moment der Verbrennungskraftmaschine erhöht und deren Arbeitspunkt zum Verbrauchsminimalbereich hin verschoben.
Alternativ hierzu kann der Hybridantrieb in einem fünften Betriebsmodus betrieben werden, in welchem bei beiden geschlossenen Schaltkupplungen die elektrische Maschine als Motor betrieben wird, so dass diese gemeinsam mit der mit der Verbrennungskraftmaschine den Propeller antreibt. Hierdurch kann zum einen ein Spitzenbedarf an Antriebsleistung gedeckt werden, zum anderen kann bei hohem Momentenbedarf das Moment der Verbrennungskraftmaschine um das der hinzu geschalteten, als Motor arbeitenden elektrischen Maschine reduziert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Hybridantrieb in einem sechsten Betriebsmodus betrieben, in welchem die erste Schaltkupplung geöffnet und die zweite Schaltkupplung geschlossen ist. Aufgrund der Strömungsenergie des das Schiff umströmenden Wassers wirkt der Propeller als Turbine und treibt die als Generator wirksame elektrische Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere zum Laden des elektrischen Energiespeichers an. Als vorteilhafte Wirkung wird in diesem Betriebsmodus elektrische Energie rein regenerativ erzeugt.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird in dem sechsten Betriebsmodus bei einem Antrieb des Schiffs durch Windenergie bei einer Segelfahrt der als Turbine wirkende Propeller von der Strömungsenergie des durchfahrenen Wassers angetrieben. Hierdurch kann vorteilhafterweise elektrische Energie aus Windkraft erzeugt werden, welche eine erneuerbare und umweltfreundliche Energiequelle ist. Mit der so gewonnenen elektrischen Energie kann bei Betrieb der elektrischen Maschine als Motor ein emissionsfreier Antrieb des Segelschiffs ohne Kraftstoffverbrauch erfolgen.
Alternativ hierzu wird bei einem Antrieb des Schiffs von Windkraft in einem siebenten Betriebsmodus die erste Schaltkupplung geöffnet und die zweite Schaltkupplung geschlossen, wobei die elektrische Maschine als Motor wirkt und ein Drehmoment erzeugt, wodurch die Rotation des Propellers und damit ein Mitlaufen der Antriebsvorrichtung verhindert wird, um ein Laufgeräusch der Antriebsvorrichtung zu vermeiden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann zwischen mehreren Steuermodi gewählt werden, wobei sich ein erster Steuermodus direkt nach Einschalten des Hybridsystems selbsttätig einstellt, wodurch das Hybridsystem in den ersten Betriebsmodus geschaltet wird. Der Antrieb erfolgt hierbei ausschließlich von der als Motor wirkenden elektrischen Maschine.
In diesem ersten Steuermodus kann die Geschwindigkeit des Schiffs von einem Geschwindigkeitsgrenzwert nach oben begrenzt werden. Hieraus ergibt sich der Vorteil dass der Verbrauch der in der Batterie gespeicherten Energie klein gehalten wird und die damit die Betriebsdauer des elektrischen Energiespeichers maximiert wird. Das Reversieren kann im ersten Steuermodus durch eine Drehrichtungsumkehr der elektrischen Maschine erfolgen, so dass eine zusätzliche mechanische Reversiereinrichtung nicht erforderlich ist.
In einer Variante des Verfahrens ist es möglich, dass im ersten Steuermodus der Geschwindigkeitsgrenzwert zeitlich begrenzt überschritten werden darf. Hierdurch ist es möglich eine kurzzeitige Leistungsanforderung in Notfallsituationen oder im Manövrierbetrieb abzudecken.
Bevorzugt ist in dem Verfahren ein zweiter Steuermodus vorgesehen, in welchem das Hybridsystem selbsttätig in Abhängigkeit der gewünschten Geschwindigkeit oder der im elektrischen Energiespeicher gespeicherten Energiemenge zwischen dem ersten, zweiten und vierten Betriebsmodus wechselt. Hierdurch ist es unter anderem vorteilhafterweise möglich, Verbrennungskraftmaschine und elektrische Maschine in ihrem jeweils effektivsten Betriebsbereich zu betreiben.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, dass ein dritter Steuermodus für den Segelbetrieb gewählt werden kann. Hierbei wird bei der Anwahl des dritten Steuermodus das Hybridsystem in den sechsten Betriebsmodus geschaltet. Außerdem wird der Ruderpropeller selbsttätig gegenüber der Stellung, die er bei einer von der Verbrennungskraftmaschine oder elektrischen Maschine angetriebenen Geradeausfahrt einnimmt, in die entgegen gesetzte Richtung, bzw. um 180°, um seine Steuerachse geschwenkt.
Darüber hinaus zeigt eine Variante des Verfahrens, dass bei Anwahl eines vierten Steuermodus das Hybridsystem zur dritten Betriebsart wechselt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hybridsystems eines Schiffs,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit von der in Fahrtrichtung links gesehenen Seite,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit von der in Fahrtrichtung rechts gesehenen Seite und
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit Antriebsvorrichtung und Propeller. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hybridantriebssystems eines Schiffs. Definitionsgemäß sind in einem Hybridantriebssystem mindestens zwei Energieumwandler mit jeweils einem Energiespeichersystem vorhanden. Das erfindungsgemäße Hybridantriebssystem umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 103 mit einem Kraftstofftank 102 als Energiespeicher und eine elektrische Maschine 105 mit einem elektrischen Energiespeicher 106. Das Hybridantriebssystem ist als so genannter Parallel-Hybrid ausgestaltet, d. h. die Verbrennungskraftmaschine 103 und elektrische Maschine 105 können beide wahlweise direkt den Abtrieb, in diesem Falle einen Propeller 108 antreiben.
Die elektrische Maschine 105 bildet zusammen mit einer Schaltkupplung 115 und einer Schaltkupplung 116 eine Antriebseinheit 140. Die Antriebseinheit 140 bildet zusammen mit einer Leistungselektronik 107, der Batterie 106 und einer Antriebsvorrichtung 109 eine elektrische Hybrideinheit 101. Die Antriebsvorrichtung
109 treibt einen Propeller 108 an. Die Verbrennungskraftmaschine 103 und die elektrische Hybrideinheit 101 werden von einer elektronischen Steuerungseinheit
110 über die elektrischen Verbindungen 111 und 112 angesteuert, wobei die Steuerungseinheit 110 unterschiedliche Betriebsmodi des Hybridantriebssystems bestimmt. Von dem Schiffsführer können unterschiedliche Steuermodi gewählt werden, die beispielsweise in der elektronische Steuerungseinheit 110 abgelegt sind. Der jeweilige Steuermodus bestimmt über die zu schaltenden Betriebsmodi.
Zwischen der elektrischen Maschine 105 und einer Ausgangswelle 114 der Verbrennungskraftmaschine 103 ist die Schaltkupplung 115 und zwischen der elektrischen Maschine 105 und einer Eingangswelle 104 der Antriebsvorrichtung 109 die Schaltkupplung 116 angeordnet. Mittels der Schaltkupplungen 115 und 116 können die elektrische Maschine 105, die Verbrennungskraftmaschine 103 und die Antriebsvorrichtung 109 drehfest miteinander verbunden werden.
Die elektrische Maschine 105 kann je nach Ansteuerung von der elektronischen Steuerungseinheit 110 über die Leistungselektronik 107 abhängig vom jeweiligen Betriebsmodus als Generator oder als Motor betrieben werden. Im Generatorbetrieb wird durch eine Leistungselektronik 107 die Batterie 106 geladen. Bei einer Umkehr der Laderichtung 113 wird die elektrische Maschine 105 mittels der in der Batterie 106 gespeicherten elektrischen Energie als Motor betrieben.
Ein rein elektrischer Antrieb des Schiffs kann in einem (ersten) Betriebsmodus bei geöffneter Schaltkupplung 115 und geschlossener Schaltkupplung 116 erfolgen. Die elektrische Maschine 105 wird bei der entsprechenden Ansteuerung durch die elektronische Steuerungseinheit 110 bzw. die Leistungselektronik 107 von der in der Batterie 106 gespeicherten elektrischen Energie angetrieben und die Verbrennungskraftmaschine 103 ist hierbei abgestellt. Insbesondere bei geringen Schiffsgeschwindigkeiten ist ein elektrischer Antrieb von Vorteil, da hier der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 103 im Verbrauchskennfeld weit vom Bereich minimalen Verbrauchs entfernt liegt. Zudem ist so ein geräuscharmer und abgasfreier Betrieb des Schiffsantriebs in Umgebungen möglich, wo Geräuschbestimmungen herrschen oder wo Umweltbestimmungen dies gebieten.
Ein weiterer Vorteil des elektrischen Antriebs ist die Möglichkeit der Umkehrung der Drehrichtung der elektrischen Maschine 105 zur Reversierung der Fahrtrichtung des Schiffs. Dies ist beispielsweise beim Manövrieren von großem Vorteil. Zum einen kann in der Antriebsvorrichtung 109 im Unterschied zum Stand der Technik auf eine Reversierkupplung verzichtet werden. Außerdem erlaubt der elektrische Antrieb ein feinfühliges Manövrieren, da die Drehzahl der elektrischen Maschine 105 und damit die Propellerdrehzahl bis zum Stillstand verändert werden kann.
Über die elektronische Steuerungseinheit 110 bzw. die Leistungselektronik 107 kann in einem zweiten Betriebsmodus die elektrische Maschine 105 auch ausgeschaltet und dann leer von der Verbrennungskraftmaschine 103 mitgedreht werden, so dass die Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 103 ausschließlich auf den Propeller 108 wirkt.
In einem dritten Betriebsmodus ist die Schaltkupplung 115 geschlossen und die Schaltkupplung 116 geöffnet, so dass die Verbrennungskraftmaschine 103 die elektrische Maschine 105 antreiben und mit dieser als Generator die Batterie 106 aufladen kann, ohne dass ein Antrieb des Schiffs erfolgt. Dieser Betriebsmodus ist bei Stillstand des Schiffs oder bei Segelfahrt möglich. In der gleichen Stellung der Schaltkupplungen 115 und 116 kann mit der als Starter wirksamen elektrischen Maschine 105 im Motorbetrieb die Verbrennungskraftmaschine 103 angeworfen werden.
Für den Fall eines Fehlers in der Elektronik oder der Batterie 106 kann zum Starten der Verbrennungskraftmaschine 103 eine - nicht dargestellte - separate Hilfsbatterie vorgesehen sein. Die Schaltkupplungen 115 und 116 sind zur Ermöglichung einer Notfallschaltung so gestaltet, dass diese im stromlosen Zustand von elastischen Elementen, im vorliegenden Beispiel Tellerfedern, geschlossen werden, so dass jederzeit ein Antrieb des Propellers 108 mittels der Verbrennungskraftmaschine 103 möglich ist.
In einem Fahrbereich mit mittlerer bis hoher Geschwindigkeit des Schiffs sind in einem vierten Betriebsmodus beide Schaltkupplungen 115 und 116 geschlossen und die Verbrennungskraftmaschine 103 kann den Propeller 108 antreiben. Die elektrische Maschine 105 kann in dieser Stellung der Schaltkupplungen 115 und 116 als Generator betrieben werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine 103 sowohl den Propeller 108 als auch die als Generator wirkende elektrische Maschine 105 antreibt und damit die Batterie 106 auflädt.
Ebenso ist bei ausreichend geladener Batterie 106 in einem weiteren (fünften) Betriebsmodus ein Motorbetrieb der elektrischen Maschine 105 zusätzlich zur Verbrennungskraftmaschine 103 denkbar, wobei sich die Antriebsleistungen der Verbrennungskraftmaschine 103 und der elektrischen Maschine 106 addieren und so kurzzeitige Spitzenanforderungen an Antriebsleistung abdecken können. Dieser Betriebsmodus wird auch als „Booster-Betrieb" bezeichnet. In der gleichen Konstellation kann auch durch die zusätzliche Leistung der elektrischen Maschine 105 die Verbrennungskraftmaschine 103 entlastet werden. Da bei mittlerer bis hoher Geschwindigkeit des Schiffs die Verbrennungskraftmaschine 103 bei relativ hohen Lasten betrieben wird, iegt der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 103 im Verbrauchskennfeld in dem oder nahe dem Bereich minimalen Verbrauches.
Darüber hinaus ist ein sechster Betriebsmodus möglich, in welchem die Schaltkupplung 115 geöffnet und die Schaltkupplung 116 geschlossen ist. Hierbei ist die elektrische Maschine 105 als Generator geschaltet, welcher bei einer Segelfahrt aufgrund einer relativen Strömungsgeschwindigkeit zum Schiff über die Antriebsvorrichtung 109 und die geschlossene Schaltkupplung 116 von dem als Turbine wirkenden Propeller 108 angetrieben wird und die Batterie 106 auflädt. Diese Option ist besonders vorteilhaft, da die elektrische Energie letzten Endes von Windkraft bzw. Wasserkraft ohne Verbrauch von Brennstoffen und den damit verbundenen negativen Umweltbeeinflussungen rekuperativ erzeugt wird. Die abgekoppelte Verbrennungskraftmaschine 103 ist entweder abgestellt oder läuft. Sowohl bei einem Motorschiff als auch bei einem Segelschiff kann die gleiche Wirkung in einem fließenden Gewässer erzielt werden, wenn beispielsweise die Schiffe vor Anker liegen und das Wasser den Schiffsrumpf umströmt.
Ist die Batterie 106 im Segelbetrieb vollständig geladen und die Schaltkupplung 116 wird geöffnet, um den Propeller 108 leer mitlaufen zu lassen, entsteht bei dem leeren Durchdrehen der Antriebsvorrichtung 109 ein nachteiliges Laufgeräusch. Um dies zu vermeiden wird in einem siebenten Betriebsmodus die elektrische Maschine 105 so angesteuert, dass diese ein Moment aufbaut. Durch eine entsprechende Regelung der als Motor betriebenen elektrischen Maschine 105 wird erreicht, dass der Propeller 108 still steht.
Die unterschiedlichen Betriebsmodi werden abhängig von dem jeweils vom Bootsführer gewählten Steuermodus eingestellt.
So stellt sich nach dem Einschalten und Initialisieren des Hybridsystems selbsttätig als Grundeinstellung ein Steuermodus A ein, in welchem der Hybridantrieb in den ersten Betriebsmodus, wo ein nur ein rein elektrischer Antrieb erfolgen kann, geschaltet wird. Ein Fahrthebel befindet sich anfangs in einer Stellung N und die als Motor wirksame elektrische Maschine 105 steht. Durch Bewegen des Fahrhebels fährt die elektrische Maschine 105 auf eine Minimaldrehzahl und das Schiff bewegt sich langsam. Hierdurch kann feinfühlig aus dem Stillstand heraus manövriert oder angefahren werden. Außerdem kann in dem Steuermodus A ein Antrieb des Schiffs mit geringer Geschwindigkeit erfolgen. Das Reversieren erfolgt analog hierzu, wobei der Fahrthebel in die entgegen gesetzte Richtung bewegt wird und die elektrische Maschine ihre Drehrichtung ändert. Hierdurch ist vorteilhafter Weise keine mechanische Reversiereinrichtung erforderlich. Das Schiff kann mit dem elektrischen Antrieb einen definierten Geschwindigkeitsgrenzwert nicht oder nur zeitlich begrenzt überschreiten, um den Verbrauch an elektrischer Energie klein zu halten und somit die Batteriebetriebsdauer zu maximieren. Ein Verbrauch elektrischer Energie oberhalb des definierten Geschwindigkeitsgrenzwertes ist nicht zulässig, außer bei einer zeitlich begrenzten Dauer für Notfälle und im Manövrierbetrieb.
Wird ein Steuermodus B gewählt, so wird von der elektronischen Steuerungseinheit 110 die Verbrennungskraftmaschine 103 gestartet. In Abhängigkeit von der nun im Steuermodus B beispielsweise mittel des Fahrthebels gewählten Geschwindigkeitsanforderung oder dem in der elektronischen Steuerungseinheit 110 erfassten Ladezustand der Batterie 106 wechselt das Hybridsystem selbsttätig zwischen dem ersten, zweiten und vierten Betriebsmodus bzw. zwischen einem elektrischen und einem verbrennungsmotorischen Antrieb.
Nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine 103 läuft diese eine bestimmte Zeit bei Leerlaufdrehzahl. Das Schließen der Schaltkupplung 115 vollzieht sich erst, nach dem sich die Drehzahlen von gestarteter Verbrennungskraftmaschine 103 und der noch laufenden elektrischen Maschine 105 angeglichen haben, beispielsweise durch ein Beschleunigen der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 103 auf die Drehzahl der elektrischen Maschine 105. Hierdurch wird ein hoher Schaltkomfort beim Schließen der Schaltkupplung 115 erreicht.
Soll nun die Geschwindigkeit des Schiffs erhöht werden, bleibt das Hybridsystem im zweiten Betriebsmodus bzw. erfolgt der Antrieb mittels der Verbrennungskraftmaschine 103. Soll die Geschwindigkeit unter den definierten Geschwindigkeitsgrenzwert abgesenkt werden, wird selbsttätig in den ersten Betriebsmodus zu rein elektrischem Antrieb geschaltet. Die
Verbrennungskraftmaschine 103 kann hierbei nun bei geöffneter Schaltkupplung 115 abgeschaltet sein oder laufen. Sinkt im ersten Betriebsmodus die gespeicherte elektrische Energiemenge unter einen definierten Mindestwert, schaltet die elektronische Steuerungseinheit 110 das Hybridsystem selbsttätig in den vierten Betriebsmodus und die Verbrennungskraftmaschine 103 wird gestartet um die nun als Generator wirksame elektrische Maschine 105 zum Laden der Batterie 106 anzutreiben. Gleichzeitig treibt im vierten Betriebsmodus die Verbrennungskraftmaschine 103 den Propeller 108 und damit das Schiff an. Bei Erreichen eines definierten Ladezustands der Batterie 106 schaltet die elektronischen Steuerungseinheit 110 das Hybridsystem in Abhängigkeit von der tatsächlichen oder gewünschten Geschwindigkeit in den ersten oder zweiten Betriebsmodus.
Befindet sich ein Segelschiff im Segelbetrieb kann der Bootsführer einen Steuermodus C wählen und die elektronische Steuerungseinheit 110 schaltet das Hybridsystem in den sechsten Betriebsmodus, d.h. die Schaltkupplung 115 öffnet und die Schaltkupplung 116 schließt. Zusätzlich wird im Steuermodus C eine als Ruderpropeller ausgebildete Antriebsvorrichtung 109 in eine Stellung entgegengesetzt bzw. um 180° zur Stellung für Geradeausfahrt mit Antrieb gedreht. Das Schaufelprofil des Propellers 108 steht nun so zur Strömungsrichtung, dass ein höherer Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Strömungsenergie in mechanische Energie erreicht wird. Die mechanische Energie wird in der als Generator wirkenden elektrischen Maschine 105 in elektrische Energie zum Laden der Batterie 106 umgewandelt.
Da der Antrieb der elektrischen Maschine 105 mittels des Propellers 108 abhängig vom gewünschten Ladestrom eine Widerstandskraft erzeugt, verliert das Segelschiff in diesem Betriebsmodus an Geschwindigkeit. Deshalb kann der Bootsführer mittels des Fahrhebels den Ladestrom bestimmen. So erfolgt beispielsweise in einer Fahrhebelstellung N kein Laden der Batterie 106. Je stärker der Fahrhebel geneigt ist, umso mehr Ladestrom zum Aufladen der Batterie 106 wird erzeugt und umso größer wird der vom Propeller 108 bzw. der als Generator wirkenden elektrischen Maschine 105 verursachte Strömungswiderstand. Der maximal mögliche Ladestrom hängt letztendlich vom Angebot der Windkraft ab.
Alternativ hierzu kann die Aufladung der Batterie durch Windenergie im Segelbetrieb selbsttätig erst ab einer definierten Mindestgeschwindigkeit erfolgen, darunter kann der Propeller 108 durch Trennen der Schaltkupplung 116 leer mitlaufen.
Soll die Batterie 106 im Stillstand des Schiffes aufgeladen werden, kann der Bootsführer den Steuermodus D wählen. Die elektronische Steuerungseinheit 110 schaltet hierbei das Hybridsystem in den dritten Betriebsmodus. Die Schaltkupplung
115 zwischen Verbrennungskraftmaschine 103 und elektrischer Maschine 105 ist nun geschlossen und die Verbrennungskraftmaschine 103 treibt die als Generator arbeitende elektrische Maschine 105 an. Die Schaltkupplung 116 zwischen elektrischer Maschine 105 und Propeller 108 ist geöffnet, so dass kein Antrieb des Schiffs erfolgen kann.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit 140, welche eine elektrische Maschine 205, eine Schaltkupplung 115 und eine Schaltkupplung
116 umfasst. Die elektrische Maschine 205 ist als zwölfpolige bürstenlose Synchronmaschine ausgeführt. Sie umfasst einen Stator 221 und einen Rotor 222, wobei der Rotor 222 drehfest mit einer Welle 223 verbunden ist. Der Stator 221 ist drehfest in einem zylindrischen Kühlmantel 224 angeordnet, wobei der Kühlmantel 224 wiederum drehfest mit in einem Maschinengehäuse 229 verbunden ist. Zwischen dem Kühlmantel 224 und dem Maschinengehäuse 229 sind Kühlkanäle 239 ausgebildet, welche zur Kühlung der sich im Betrieb erwärmenden elektrischen Maschine 205 von einem flüssigen Kühlmedium, beispielsweise Wasser aus dem befahrenen Gewässer, durchströmt werden. Die Welle 223, und damit auch der Rotor 222, sind in dem Maschinengehäuse 229 drehbar gelagert.
Die Schaltkupplungen 215 und 216 sind als trocken laufende, reibschlüssige Scheibenkupplungen ausgeführt. Die Schaltkupplung 215 umfasst ein scheibenförmi- ges Antriebselement 235 und ein Abtriebselement 236, wobei das Antriebselement 235 mit einer Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine und das Abtriebselement 236 drehfest mit der Welle 223 der elektrischen Maschine 205 drehfest verbunden wird. Die Schaltkupplung 216 umfasst ein scheibenförmiges Antriebselement 237 und ein Abtriebselement 238, wobei das Antriebselement 237 mit dem Rotor 222 bzw. der Welle 223 der elektrischen Maschine 205 drehfest verbunden wird. Das Abtriebselement 238 ist Drehfest mit einer Eingangswelle der Antriebsvorrichtung 209, welche in Fig. 5 gezeigt ist, verbunden.
Die Schaltkupplung 215 ist radial von einem rohrförmigen Kupplungsgehäuse
227 umschlossen und weist zur Verbrennungskraftmaschine hin eine Anflanschfläche 219 zum Anschluss an eine Verbrennungskraftmaschine auf. Die Schaltkupplung 216 ist von einer Kupplungsglocke 228 umschlossen, welche im Zentrum einen Durchlass 228a aufweist, durch welchen der Anschluss einer Welle zu einer Antriebsvorrichtung möglich ist. Das Kupplungsgehäuse 227 und die Kupplungsglocke
228 sind jeweils axial mit dem Maschinengehäuse 229 verschraubt und bilden damit das Gehäuse der Antriebseinheit 240.
Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Außenansicht die Antriebseinheit 240 von der in Fahrtrichtung links gesehenen Seite. An der Antriebseinheit 240 ist in kompakter Weise eine Leistungselektronik 207 angeordnet. Ebenfalls außen an der Antriebseinheit 240 angeordnet ist ein elektrischer Aktuator 225 zur Betätigung der Schaltkupplung 215 und ein elektrischer Aktuator 226 zur Betätigung der Schaltkupplung 226. Hierbei ist der elektrische Aktuator 225 mit dem Kupplungsgehäuse 227 und der elektrische Aktuator 228 mit der Kupplungsglocke 228 verbunden. Beide elektrische Aktuatoren sind hierbei als Linearaktuatoren ausgebildet.
Die Leistungselektronik umfasst eine Steuereinheit, welche aus zwei Wechselstrom-Gleichstrom-Umrichtern und zwei Gleichstrom-Wandlern besteht. Mittels der Wechselstrom-Gleichstrom-Umrichter wird die elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher in Wechselstrom zum Antrieb der als Motor betriebenen elektrischen Maschine umgewandelt, oder von der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb erzeugter Wechselstrom in Gleichstrom zum Laden des elektrischen Energiespeichers umgewandelt. Mit einem zweiten Wechselstrom- Gleichstrom-Umrichter wird der Wechselstrom aus dem Stromnetz an Land in Gleichstrom zum Laden der elektrischen Energiespeicher gewandelt, wenn das Schiff angelegt hat. Außerdem wandelt der Wechselstrom-Gleichstrom-Umrichter Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom zum Betreiben von elektrischen Bordgeräten um. Ein erster Gleichstrom-Wandler dient zur Versorgung von Bordgeräten mit niedriger Spannung oder zum Laden von elektrischen Energiespeichern mit niedriger Spannung. Ein zweiter Gleichstrom-Wandler versorgt die elektrisch angetrieben Kühlmittelpumpe.
In Fig. 4 ist die Antriebseinheit 240 perspektivisch von der in Fahrtrichtung her rechts gesehenen Seite dargestellt. Oben auf der Antriebseinheit 240 ist die Leistungselektronik 207 angeordnet und mit dem Maschinengehäuse 229 fest verbunden. Die der Verbrennungskraftmaschine zugewandte Seite der Schaltkupplung 215 ist von dem Kupplungsgehäuse 227 wie unter Fig. 2 im Schnitt dargestellt radial umschlossen. Eine Anschlussfläche 241 der Schaltkupplung 215 ist der Verbrennungskraftmaschinen-Seite zugewandt, ebenso die Anflanschfläche 219. Am heckseitigen Ende der Antriebseinheit 240 ist die Kupplungsglocke 228 mit dem Maschinengehäuse verbunden, wobei der elektrische Aktuator 226 an der Kupplungsglocke 228 angeordnet ist.
Die im Betrieb in der Leistungselektronik 207 und der elektrische Maschine 207 entstehende Wärme muss abgeführt werden. Hierzu sind in der Leistungselektronik 207 zwei Kühlmittelanschlüsse 233 und 234 vorgesehen, wobei durch einen der beiden Kühlmittelanschlüsse das flüssige Kühlmittel der Leistungselektronik 207 zufließt und durch den anderen verlässt. Die Kühlung der elektrischen Maschine 205 erfolgt auf gleiche Weise durch die Kühlmittelanschlüsse 231 und 232. Als bevorzugtes Kühlmittel in einer Anwendung als Schiffsantrieb bietet sich beispielsweise Wasser an, das mittels einer Pumpe dem befahrenen Gewässer entnommen und den zu kühlenden Komponenten zugeführt wird. Nach dem Austritt aus den jeweiligen Kühlmittelanschlüssen wird das Kühlmittel erwärmt in das Gewässer zurückgeleitet. Fig. 5 zeigt die Antriebseinheit 240 mit der Leistungselektronik 207. An der Antriebseinheit 240 ist eine Antriebsvorrichtung 209 angeordnet, an welcher ein Propeller 208 drehbar angeordnet ist. Die Antriebsvorrichtung 209 ist hierbei als schwenkbarer Schiffsantrieb, welcher auch als so genannter Pod-Drive oder Ruderpropeller bezeichnet wird, ausgebildet. Die Schubrichtung des Propellers 208 kann hierbei in einer etwa horizontalen Schwenkebene verändert werden, was neben der positiven Wirkung eines guten Vortriebswirkungsgrads eine gute Manövrierbar- keit, insbesondere beim An- und Ablegen ermöglicht.
Bezugszeichen
101 elektrische Hybrideinheit
102 Kraftstofftank
103 Verbrennungskraftmaschine
104 Eingangswelle Antriebsvorrichtung
105 elektrische Maschine (Motor/Generator)
106 Batterie
107 Leistungselektronik
108 Propeller
109 Antriebsvorrichtung
110 elektronische Steuerungseinheit
111 elektrische Verbindung
112 elektrische Verbindung
113
114 swell Verbrennungskraftmaschine
115 Schaltkupplung
116 Schaltkupplung
140 Antriebseinheit
205 elektrische Maschine (Motor/Generator)
207 Leistungselektronik
208 Propeller
209 Antriebsvorrichtung
215 Schaltkupplung
216 Schaltkupplung
219 Anflanschfläche
221 Stator
222 Rotor
223 Welle
224 Kühlmantel
225 elektrischer Aktuator
226 elektrischer Aktuator 227 Kupplungsgehäuse
228 Kupplungsglocke
229 Maschinengehäuse
231 Kühlmittelanschluss
232 Kühlmittelanschluss
233 Kühlmittelanschluss
234 Kühlmittelanschluss
235 Antriebselement
236 Abtriebselement
237 Antriebselement
238 Abtriebselement
239 Kühlkanal
240 Antriebseinheit

Claims

Patentansprüche
1. Hybridantrieb eines Schiffs, ausgebildet als Parallel-Hybridantrieb, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine (103), eine elektrische Maschine (105, 205), welche je nach Schaltung eines elektrischen Steuermittels (107, 207) als Generator oder Motor wirksam ist, eine Batterie (106), mindestens eine Schaltkupplung (115, 116, 215, 216) sowie eine Antriebsvorrichtung (109, 209) zur Übertragung der Antriebsleistung an mindestens einen Propeller (108), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (105, 205) zusammen mit einer ersten (115, 215) und einer zweiten Schaltkupplung (116, 216) eine Antriebseinheit (140, 240) bildet, welche zwischen der Verbrennungskraftmaschine (103) und der Antriebsvorrichtung (109) modular anordenbar ist, wobei die erste Schaltkupplung (115, 215) zwischen der elektrischen Maschine (105, 205) und der Verbrennungskraftmaschine (103) und die zweite Schaltkupplung (116, 216) zwischen der elektrischen Maschine (105, 205) und der Antriebsvorrichtung (109, 209) angeordnet ist.
2. Hybridantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangswelle (114) der Verbrennungskraftmaschine (103) mittels der ersten Schaltkupplung (115, 215) mit einer Rotorwelle (223) der elektrischen Maschine (105, 205) kuppelbar ist und dass die Rotorwelle (223) der elektrischen Maschine (105, 205) mittels der zweiten Schaltkupplung (116, 216) mit einer Eingangswelle (104) der Antriebsvorrichtung (109, 209) kuppelbar ist.
3. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebseinheit (140, 240) eine Leistungselektronik (107, 207) als elektrisches Steuermittel zum Laden und Entladen der Batterie (106) und zum Schalten der elektrischen Maschine (105, 205) zwischen dem Betrieb als Generator oder Motor angeordnet ist.
4. Hybridantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung der beiden Schaltkupplungen (215, 216) jeweils ein elektromechanischer Aktuator (225, 226) vorgesehen ist.
5. Hybridantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (109, 209) als schwenkbarer Ruderpropeller ausgebildet ist.
6. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebs nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridantrieb in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben wird, wobei in einem ersten Betriebsmodus bei einer Änderung der Fahrtrichtung die Drehrichtung des Propellers (108, 208) mittels einer Umkehrung der Drehrichtung der als Motor betriebenen elektrischen Maschine (105, 205) umgekehrt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebsmodus die erste Schaltkupplung (115, 215) geöffnet und die zweite Schaltkupplung (116, 216) geschlossen ist, wobei die elektrische Maschine (105, 205) als Motor betrieben wird und mittels der in der Batterie (106) gespeicherten Energie den Propeller (108, 208) antreibt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebsmodus die erste (115, 215) und zweite Schaltkupplung (116, 216) geschlossen ist und das Schiff von der Verbrennungskraftmaschine (103) angetrieben wird, wobei die elektrische Maschine (105, 205) elektrisch abgeschaltet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebsmodus die erste Schaltkupplung (115, 215) geschlossen und die zweite Schaltkupplung (116, 216) geöffnet ist und die Verbrennungskraftmaschine (103) die als Generator betriebene elektrische Maschine (105, 205) antreibt und die Batterie (106) auflädt.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Betriebsmodus beide Schaltkupplungen (115, 116, 215, 216) geschlossen sind und die Verbrennungskraftmaschine (103) sowohl den Propeller (108, 208) als auch die als Generator betriebene elektrische Maschine (105, 205) antreibt.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Betriebsmodus beide Schaltkupplungen (115, 116, 215, 216) geschlossen sind, wobei die elektrische Maschine (105, 205) als Motor betrieben wird und gemeinsam mit der Verbrennungskraftmaschine (103) den Propeller (108, 208) antreibt.
12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem sechsten Betriebsmodus die erste Schaltkupplung (115, 215) geöffnet und die zweite Schaltkupplung (116, 216) geschlossen ist, wobei der Propeller (108, 208) als Turbine wirkt und aufgrund der Strömungsenergie des das Schiff umströmenden Wassers die in diesem Betriebsmodus als Generator wirksame elektrische Maschine (105, 205) zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Antrieb des Schiffs durch Windenergie bei einer Segelfahrt der als Turbine wirkende Propeller (108, 208) von der Strömungsenergie des durchfahrenen Wassers angetrieben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem siebenten Betriebsmodus das Segelschiff von Windkraft angetrieben wird und hierbei die erste Schaltkupplung (115, 215) geöffnet und die zweite Schaltkupplung (116, 216) geschlossen ist, wobei die elektrische Maschine (105, 205) als Motor betrieben wird und ein Drehmoment erzeugt welches die Rotation des Propellers (108, 208) und ein Mitlaufen der Antriebsvorrichtung (109, 209) verhindert, um ein Laufgeräusch der Antriebsvorrichtung (109, 209) zu vermeiden.
15. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mehreren Steuermodi gewählt werden kann, wobei sich ein erster Steuermodus direkt nach Einschalten des Hybridsystem selbsttätig einstellt, wodurch das Hybridsystem in den ersten Betriebsmodus geschaltet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 6 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Steuermodus die Geschwindigkeit des Schiffs von einem Geschwindigkeitsgrenzwert nach oben begrenzt wird.
17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Steuermodus der Geschwindigkeitsgrenzwert zeitlich begrenzt überschritten werden darf.
18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6, 8 oder 10. dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Steuermodus das Hybridsystem selbsttätig in Abhängigkeit der gewünschten Geschwindigkeit oder der in der Batterie (106) gespeicherten Energiemenge zwischen dem ersten, zweiten und vierten Betriebsmodus wechselt.
19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 oder 12 für ein Hybridsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Steuermodus für den Segelbetrieb gewählt wird, wobei bei der Anwahl des dritten Steuermodus das Hybridsystem in den sechsten Betriebsmodus geschaltet wird und wobei der Ruderpropeller selbsttätig gegenüber der Stellung, die der Ruderpropeller bei einer von der Verbrennungskraftmaschine (103) oder elektrischen Maschine (105) angetriebenen Geradeausfahrt einnimmt, um seine Steuerachse in die entgegen gesetzte Richtung geschwenkt wird.
20. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwahl eines vierten Steuermodus das Hybridsystem zur dritten Betriebsart wechselt.
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