Die Erfindung betrifft einen elektro-hydraulischen Fahrzeugantrieb nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Im Stand der Technik sind diesel-hydraulische Antriebe mit hydraulischer Brems-Rekuperation für einen Stadtbus oder ein Kommunalfahrzeug bekannt geworden.
Bei diesen Vorschlägen ist ein Verbrennungsmotor, eine Hydromaschine und eine Getriebeeinheit durch mehrere Kupplungen unter sich und mit den Antriebsrädern verbunden. Die kinetische Bremsenergie wird in Hydrospeichern in potentielle Energie umgesetzt. Die Steuerung der verschiedenen Komponenten erfolgt über eine komplexe Elektronik mit einer Vielzahl von Sensoren für Drücke, Fördervolumen, Geschwindigkeit, Speichervolumen, Stellungsanzeige für Kupplungen und weitere mehr.
Durch die verschiedenen, selektiv gesteuerten Kupplungen wird die Steuerung des Gesamtantriebes sehr aufwendig, dadurch teuer und wegen der Vielzahl von Elementen auch störungsanfälliger. Bei längerer Talfahrt muss zudem die anfallende kinetische Bremsenergie vernichtet werden, sobald die Hydrospeicher aufgeladen sind. Diese steht somit nicht mehr für eine Nutzung zur Verfügung.
Im Weiteren sind auch Elektro-Antriebe besonders für leichte Strassenfahrzeuge bekannt, bei denen die Bremsenergie bei schwachem bremsen oder bei Bergabfahrt in die Batterien zurückgespiesen wird. Diesen Antrieben haftet der Mangel an, dass aus physikalischen Gründen kurze, kräftige Bremsstösse nicht elektrisch in die Batterie zurückgespiesen werden können und damit nur eine teilweise Rekuperation möglich ist. Dies erweist sich besonders bei Leichtfahrzeugen für Kurzstrecken als nachteilig.
Bei den bekannten Lösungen ist der Gesamtwirkungsgrad nicht optimal. Dieser wird aber im Hinblick auf schonenden Umgang mit den vorhandenen Resourcen ein immer höheres Gewicht erlangen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Fahrzeugantrieb unter bestmöglicher Nutzung der vorhandenen Energie, zu entwickeln. Ein solcher Antrieb soll dennoch eine kostengünstige Fabrikation ermöglichen. Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäss Anspruch 1 gelöst.
Bei der erfindungsmässigen Antriebslösung werden keine Kupplungen benötigt und die gesamte kinetische Energie kann bis zum vollständigen Stillstand eines Fahrzeuges gespeichert werden. Als Rückmeldung an die Steuerung werden nur drei Grössen, Drehmoment, Systemdruck und Stellung der Hydromaschine benötigt. Dadurch wird die Steuerung stark vereinfacht, was sich in Preis und Zuverlässigkeit günstig niederschlägt. Durch die Voll-Rekuperation von Brems- und Bergab-Energie ist ein hoher Gesamtwirkungsgrad möglich.
Anhand eines Ausführungsbeispieles der Erfindung soll die Funktion des Antriebes näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 die kupplungslose Verbindung zwischen Hydromaschine und Antriebsrad,
Fig. 2 ein Planetengetriebe mit Drehmomentsensor,
Fig. 3 in schematischer Darstellung den Antrieb mitsamt der Steuerung für ein einzelnes Antriebsrad,
Fig. 4 den Hauptkraftfluss nach Fig. 3 beim Aufladen des Speichers,
Fig. 5 den Hauptkraftfluss nach Fig. 3 bei Fahrbetrieb,
Fig. 6 den Hauptkraftfluss nach Fig. 3 beim Verzögern.
In Fig. 1 ist als Antriebseinheit eine handelsübliche Hydromaschine 1 mit verstellbarem Fördervolumen und Drehrichtungsumkehr über eine Welle 2a mit der Getriebe/Drehmomenteinheit 2 und über eine Kette 3a mit dem Antriebsrad 3 kraftschlüssig verbunden. Die Hydromaschine 1 besteht aus dem Maschinenkörper 1a, einem Verstellzylinder 1b und einem Sensor 1c. Diese kann in beiden Drehrichtungen als Motor oder als Pumpe laufen.
Als Hydromaschine besonders geeignet sind Axialkolben- oder Radialkolbeneinheiten mit einem hydraulisch gesteuerten, stufenlosen Verstellbereich von voll vorwärts über eine Nullstellung zu voll rückwärts und umgekehrt.
Eine kombinierte Getriebe/Drehmomenteinheit 2, hier als Planetengetriebe gezeichnet, mit einem beweglichen Hebel 2b und Federpaketen 2c, sowie einem Sensor 2d zur Umsetzung der Hebelbewegung in ein elektrisches Signal, sind ebenso in Fig. 1 gezeigt.
Aus Fig. 2 ist die Wirkungsweise der Planetengetriebe/Drehmomenteinheit 2 ersichtlich. Der Antrieb des Hinterrades 3 erfolgt in beiden Drehrichtungen durch die hier nicht gezeichnete, aber in Fig. 1 dargestellte Hydromaschine 1 über die Verbindungswelle 2a auf das Sonnenrad 22. Dieses treibt über die Planetenräder 23 das Hohlrad 24 an. Der Abtrieb erfolgt direkt vom Hohlrad 24 mittels Kette, Riemen oder Zahnriemen 3a auf die Antriebsscheibe 30 auf dem Rad 3. Anstelle von Kette, Riemen oder Zahnriemen kann der Abtrieb auch über eine Welle erfolgen. Die Planetenräder 23 sind auf dem in den Hebel 2b übergehenden Planetenträger 21 drehbar gelagert. Dieser selbst ist auf der Achse 2a beweglich gelagert und über die Federn 2c auf dem Trägerteil 42 abgestützt. Dieser Trägerteil 42 ist mit dem Wippenarm 40 fest verbunden.
Der Wippenarm 40 bildet die Lagerung für Rad 3 und Planetengetriebe/Drehmomenteinheit 2 und ist im Drehpunkt 41 gelenkig am Fahrzeug aufgehängt.
Ein Drehmoment auf die Welle 2a bewirkt ein um die Getriebeübersetzung vergrössertes Moment auf das Hohlrad 24 und über die Abtriebsscheibe 25 gelangt dieses auf das Antriebsrad 3 welches auf dem Boden 3b aufliegt. Das daraus resultierende Reaktionsmoment lenkt den Hebel 2b soweit aus, bis ein Kräftegleichgewicht mit einer der Federn 2c entsteht und darausfolgend sich das Rad 3 bewegt.
Die Auslenkung des Hebels 2b verschiebt über die Verbindung 26 den Geber 2d so, dass die Steuereinheit 10 (in Fig. 3 gezeigt) entsprechend zu regeln beginnt. Die Ruhelage des Hebels 2b stellt sich im Gleichgewichtspunkt der beiden Federn 2c selbsttätig ein.
Der beschriebene Vorgang wiederholt sich in beiden Drehrichtungen. Durch diese erfindungsgemässe Vorrichtung ist eine kontrollierte Kraftschlüssigkeit mit dem Boden 3b gewährleistet.
Die in Fig. 3 schematisch gezeigte Antriebslösung für ein Fahrzeug mit einem einzelnen Antriebsrad weist folgende Hauptelemente auf:
- Eine Antriebseinheit nach Fig. 1 welche mittels eines Servozylinders 1b in Fördermenge und Drehrichtung stufenlos verstellt werden kann und deren Stellung mit einem Sensorelement 1c elektrisch abgefühlt wird.
- Ein elektronisch gesteuertes Proportionalventil 4
- Ein elektronisch gesteuertes Ventil 5
- Eine Pumpeneinheit 6 welche aus einem elektrischen Teil 6a und einem hydraulischen Teil 6b besteht, und die durch eine Verbindung 6c direkt miteinander gekuppelt sind und in beiden Drehrichtungen sowohl als Elektromotor/Hydropumpe wie auch als Hydromotor/Elektrogenerator arbeiten kann.
- Eine Batterie 7 in bekannter Technik als elektrischer Energiespeicher
- Ein Gasdruckspeicher 8 als hydraulischer Speicher welcher einen stetigen Druckaufbau bezugsweise Druckabbau erlaubt
- Ein Hauptventil 8a zur manuellen Trennung von Speicher 8 vom übrigen Teil
- Ein Sensor 9 zur Umsetzung des Hydraulikdrucks in ein entsprechendes elektrisches Signal
- Eine Steuereinheit 10 zur Verknüpfung und Ansteuerung der einzelnen Komponenten mit den entsprechenden Eingabeelementen
- Ein Leistungspedal 11 mit
zugehörigem Geber 11a
- Ein Rekuperationshebel 12 mit zugehörigem Geber 12a
- Ein Wahlschalter 13 mit den Stellungen N (Neutral), V (Vorwärts) und R (Rückwärts)
- Eine Einspeisung 14 für die direkte Batterieladung aus dem Stromnetz.
Im Weiteren sind die folgenden drei Zustände des Antriebes beschrieben:
- Laden des Hydrospeichers 8 in Fig. 4
- Fahrbetrieb in Fig. 5
- Verzögern bei Bremsen und Talfahrt in Fig. 6
Das Aufladen des Hydrospeichers 8 in Fig. 4 wird durch den Drucksensor 9 und die Steuereinheit 10 überwacht. Ein durch diese gesteuerter elektrischer Kontakt 10a, hier geschlossen gezeichnet, verbindet den Elektromotor 6a mit der Batterie 7. Elektromotor 6a und die damit verbundene Hydraulikpumpe 6b drehen. Die Letztere fördert Hydraulikflüssigkeit aus dem Reservoir 6d über das hydraulisch geöffnete Rückschlagventil 6e und das manuell geöffnete Hauptventil 8a in den Hydrospeicher 8. Dies solange, bis der in der Steuerung 10 fest eingestellte maximale Druck erreicht ist und dadurch der Kontakt 10a öffnet. Die Hydroeinheit 1 ist bei diesem Vorgang in Neutralstellung und nicht in Funktion.
Im Fahrbetrieb regelt der Drucksensor 9 in gleicher Weise den Systemdruck selbständig innerhalb der eingestellten Einschalt- bzw. Ausschaltpunkte.
Ein Hauptventil 8a verhindert in geschlossener Stellung bei geparktem Fahrzeug ein Entladen des Speichers 8 durch allfällige Leckverluste.
Der Fahrbetrieb wird in Fig. 5 erläutert. Wird das Leistungspedal 11 betätigt, so steuert der elektrische Geber 11a die Steuerung 10 entsprechend. Diese verstellt das Proportionalventil 4 über dessen Spulen 4a bzw. 4b so, dass der Servozylinder 1b die Hydraulikeinheit 1 verstellen kann. Unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit strömt aus Speicher 8 auf diese Hydroeinheit 1, welche in der vorgegebenen Richtung zu drehen beginnt. Über die Verbindung 2a wird die Getriebe/Drehmomenteinheit 2 und über die Verbindung 3a das Antriebsrad 3 gleichzeitig bewegt. Die Stellungsrückmeldung des Servozylinders 1b erfolgt über den elektrischen Sensor 1c.
Durch das auf das Antriebsrad 3 wirkende Drehmoment das sich auf dem Boden 3b abstützt, verstellt sich der Drehmomenthebel 2b des Planetengetriebes 2 soweit, bis mit den Federn 2c Gleichgewicht entsteht. Geber 2d folgt dieser Verstellung und gibt damit der Steuerung 10 ein analoges Signal.
Die Fahrtrichtung Vorwärts und Rückwärts wird durch den Wahlschalter 13 mit den Stellungen V für Vorwärts und R für Rückwärts einfach gewählt.
Der Hydraulikdruck im Speicher 8 erlaubt eine sehr hohe Beschleunigung, da die sekundärseitige Regelung der Hydroeinheit 1 sehr schnell anspricht. Ein mögliches Durchdrehen des Rades 3 und ein dadurch bedingter Energieverlust wird durch die Drehmomentüberwachung der Getriebe/Drehmomenteinheit 2 verhindert.
Nach Fig. 6 steht dem Fahrer zum Verzögern ein Rekuperationshebel 12 zur Verfügung. Damit kann über den Geber 12a die Steuerung 10 so beeinflusst werden, dass sich Servozylinder 1b, Hydroeinheit 1 und damit die Drehrichtung in umgekehrter Weise verstellt. Die Hydroeinheit 1 wirkt jetzt als Pumpe, welche Hydraulikflüssigkeit aus dem Reservoir 6d direkt in den Speicher 8 zurückfördert. Sobald der in der Steuerung eingestellte Nenndruck im Speicher 8 erreicht ist, öffnet Ventil 5. Der Systemdruck kann so auf die Hydroeinheit 6b gelangen, welche jetzt als Motor dreht. Die Hydraulikflüssigkeit gelangt direkt zurück ins Reservoir 6d. Der über die Verbindung 6c gekuppelte Elektroteil 6a dreht jetzt als Generator und lädt über eine Regelelektronik 10b die Batterie 7 auf.
Durch die Betätigung des Rekuperationshebels 12 ist eine stufenlose und feinfühlig gesteuerte Verzögerung des Antriebes bis zum vollständigen Stillstand aus jeder Geschwindigkeit möglich. Die kinetische Energie aus Bremsvorgang und aus Talfahrt kann so mit hohem Wirkungsgrad zurückgewonnen oder rekuperiert werden.
Ein zusätzliches Aufladen der Batterie 7 kann über ein handelsübliches Ladegerät direkt aus dem Stromnetz erfolgen.
Trotz der erheblichen Vorteile des erfindungsgemässen elektrohydraulischen Fahrzeugantriebes kann dieser mit vergleichsweise wenigen Komponenten und mit grossem Gesamtwirkungsgrad preisgünstig hergestellt werden.
The invention relates to an electro-hydraulic vehicle drive according to the preamble of independent claim 1.
Diesel-hydraulic drives with hydraulic brake recuperation for a city bus or a municipal vehicle have become known in the prior art.
In these proposals, an internal combustion engine, a hydraulic machine and a gear unit are connected by several clutches to each other and to the drive wheels. The kinetic braking energy is converted into potential energy in hydraulic accumulators. The various components are controlled via complex electronics with a large number of sensors for pressures, delivery volume, speed, storage volume, position indicator for clutches and more.
The various, selectively controlled clutches make the control of the entire drive very complex, therefore expensive and, due to the large number of elements, more prone to failure. In the case of a long descent, the kinetic braking energy must also be destroyed as soon as the hydraulic accumulators are charged. This is therefore no longer available for use.
Furthermore, electric drives are also known, in particular for light road vehicles, in which the braking energy is fed back into the batteries when the brakes are weak or when driving downhill. These drives have the defect that, for physical reasons, short, powerful brake shocks cannot be fed back into the battery electrically and only partial recuperation is possible. This proves to be disadvantageous, particularly in the case of light vehicles for short journeys.
With the known solutions, the overall efficiency is not optimal. However, this will become more and more important with regard to the careful use of existing resources.
The invention is therefore based on the object of developing a vehicle drive using the available energy in the best possible way. Such a drive should nevertheless enable inexpensive production. The object is achieved by the invention according to claim 1.
In the drive solution according to the invention, no clutches are required and the entire kinetic energy can be stored until a vehicle comes to a complete standstill. As feedback to the control, only three sizes, torque, system pressure and position of the hydraulic machine are required. This greatly simplifies the control, which is reflected in the price and reliability. Due to the full recuperation of braking and downhill energy, a high overall efficiency is possible.
The function of the drive will be explained in more detail using an exemplary embodiment of the invention. Show it:
1 shows the couplingless connection between the hydraulic machine and the drive wheel,
2 shows a planetary gear with a torque sensor,
3 shows a schematic representation of the drive together with the control for a single drive wheel,
4 shows the main flow of force according to FIG. 3 when the storage is being charged,
5 shows the main power flow according to FIG. 3 during driving operation,
Fig. 6 shows the main flow of force according to Fig. 3 when decelerating.
In Fig. 1, a commercially available hydraulic machine 1 with adjustable delivery volume and reversal of rotation is connected as a drive unit via a shaft 2a to the transmission / torque unit 2 and via a chain 3a to the drive wheel 3. The hydraulic machine 1 consists of the machine body 1a, an adjusting cylinder 1b and a sensor 1c. This can run in both directions as a motor or as a pump.
Axial piston or radial piston units with a hydraulically controlled, stepless adjustment range from fully forward to zero position to fully reverse and vice versa are particularly suitable as hydraulic machines.
A combined gear / torque unit 2, here shown as a planetary gear, with a movable lever 2b and spring assemblies 2c, and a sensor 2d for converting the lever movement into an electrical signal, are also shown in FIG. 1.
The mode of operation of the planetary gear / torque unit 2 can be seen from FIG. The rear wheel 3 is driven in both directions of rotation by the hydraulic machine 1 (not shown here but shown in FIG. 1) via the connecting shaft 2a to the sun gear 22. This drives the ring gear 24 via the planet gears 23. The output takes place directly from the ring gear 24 by means of a chain, belt or toothed belt 3a to the drive pulley 30 on the wheel 3. Instead of a chain, belt or toothed belt, the output can also take place via a shaft. The planet gears 23 are rotatably mounted on the planet carrier 21 merging into the lever 2b. This itself is movably mounted on the axis 2a and is supported on the carrier part 42 via the springs 2c. This carrier part 42 is firmly connected to the rocker arm 40.
The rocker arm 40 forms the bearing for the wheel 3 and planetary gear / torque unit 2 and is articulated at the pivot point 41 on the vehicle.
A torque on the shaft 2a causes a torque increased by the gear ratio on the ring gear 24 and via the driven pulley 25 it reaches the drive wheel 3 which rests on the floor 3b. The resulting reaction moment deflects the lever 2b until a force equilibrium is created with one of the springs 2c and the wheel 3 subsequently moves.
The deflection of the lever 2b moves the transmitter 2d via the connection 26 such that the control unit 10 (shown in FIG. 3) begins to regulate accordingly. The rest position of the lever 2b sets itself automatically at the equilibrium point of the two springs 2c.
The process described is repeated in both directions. This device according to the invention ensures a controlled frictional engagement with the base 3b.
The drive solution shown schematically in FIG. 3 for a vehicle with a single drive wheel has the following main elements:
- A drive unit according to FIG. 1 which can be continuously adjusted in the delivery quantity and direction of rotation by means of a servo cylinder 1b and the position of which is electrically sensed with a sensor element 1c.
- An electronically controlled proportional valve 4
- An electronically controlled valve 5
- A pump unit 6 which consists of an electrical part 6a and a hydraulic part 6b, and which are directly coupled to one another by a connection 6c and can work in both directions of rotation as an electric motor / hydraulic pump as well as a hydraulic motor / electric generator.
- A battery 7 in known technology as an electrical energy storage
- A gas pressure accumulator 8 as a hydraulic accumulator which allows a constant pressure build-up or pressure reduction
- A main valve 8a for manual separation of memory 8 from the rest of the part
- A sensor 9 for converting the hydraulic pressure into a corresponding electrical signal
- A control unit 10 for linking and controlling the individual components with the corresponding input elements
- A power pedal 11 with
associated encoder 11a
- A recuperation lever 12 with associated transmitter 12a
- A selector switch 13 with the positions N (neutral), V (forward) and R (reverse)
- An infeed 14 for direct battery charging from the mains.
The following three states of the drive are described below:
- Loading the hydraulic accumulator 8 in FIG. 4
- Driving operation in Fig. 5
- Decelerate when braking and descending in Fig. 6
The charging of the hydraulic accumulator 8 in FIG. 4 is monitored by the pressure sensor 9 and the control unit 10. An electrical contact 10a controlled by this, shown here closed, connects the electric motor 6a to the battery 7. The electric motor 6a and the hydraulic pump 6b connected to it rotate. The latter conveys hydraulic fluid from the reservoir 6d via the hydraulically opened check valve 6e and the manually opened main valve 8a into the hydraulic accumulator 8. This continues until the maximum pressure set in the controller 10 is reached and the contact 10a thereby opens. The hydraulic unit 1 is in the neutral position and not in operation during this process.
In driving mode, the pressure sensor 9 regulates the system pressure automatically within the set switch-on and switch-off points.
A main valve 8a prevents the storage 8 from being discharged in the closed position when the vehicle is parked due to any leakage losses.
The driving operation is explained in FIG. 5. If the power pedal 11 is actuated, the electrical transmitter 11a controls the controller 10 accordingly. This adjusts the proportional valve 4 via its coils 4a or 4b so that the servo cylinder 1b can adjust the hydraulic unit 1. Hydraulic fluid under pressure flows from the accumulator 8 onto this hydraulic unit 1, which begins to rotate in the predetermined direction. The transmission / torque unit 2 is moved via the connection 2a and the drive wheel 3 is moved simultaneously via the connection 3a. The position feedback of the servo cylinder 1b takes place via the electrical sensor 1c.
Due to the torque acting on the drive wheel 3, which is supported on the floor 3b, the torque lever 2b of the planetary gear 2 is adjusted until equilibrium is achieved with the springs 2c. Encoder 2d follows this adjustment and thus gives control 10 an analog signal.
The direction of travel forwards and backwards is simply selected by the selector switch 13 with the positions V for forward and R for reverse.
The hydraulic pressure in the accumulator 8 allows a very high acceleration, since the regulation of the hydraulic unit 1 on the secondary side responds very quickly. A possible spinning of the wheel 3 and a consequent loss of energy is prevented by the torque monitoring of the transmission / torque unit 2.
6, the driver has a recuperation lever 12 available for decelerating. The controller 10 can thus be influenced via the transmitter 12a in such a way that the servo cylinder 1b, hydraulic unit 1 and thus the direction of rotation are reversed. The hydraulic unit 1 now acts as a pump which conveys hydraulic fluid directly from the reservoir 6d back into the reservoir 8. As soon as the nominal pressure set in the control system in the accumulator 8 is reached, valve 5 opens. The system pressure can thus reach the hydraulic unit 6b, which now rotates as a motor. The hydraulic fluid goes directly back to the reservoir 6d. The electrical part 6a coupled via the connection 6c now rotates as a generator and charges the battery 7 via control electronics 10b.
By actuating the recuperation lever 12, a stepless and delicately controlled deceleration of the drive to a complete standstill is possible from any speed. The kinetic energy from braking and descending can thus be recovered or recuperated with high efficiency.
Additional charging of the battery 7 can be carried out directly from the mains using a commercially available charger.
Despite the considerable advantages of the electrohydraulic vehicle drive according to the invention, it can be inexpensively manufactured with comparatively few components and with a high overall efficiency.