DE19718480A1

DE19718480A1 - Hybrid-Antrieb für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug bzw. für ein Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE19718480A1
Application number: DE1997118480
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Gleissner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 1997-11-06

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hybrid-Antrieb für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug gemäß Patentan spruch 1 bzw. Patentanspruch 2, sowie insbesondere für ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 17. Als Hybrid-An trieb bezeichnet man Antriebe mit zwei unterschiedlichen An triebsaggregaten, insbesondere einem Elektroantrieb in Kombi nation mit einem Verbrennungsmotor bzw. einer Wärmekraft-Maschine; eine Anwendung ist vor allem für ein Straßenfahr zeug bzw. ein Schienenfahrzeug, z. B. eine U-/S-Bahn in einem kombinierten Nahverkehrssystem; vorgesehen.

Durch die DE-A1-29 43 554 ist ein Hybrid-Antrieb mit einer aus einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer ladbaren bzw. entladbaren Batterie, speisbaren und in diesen Energiespeicher rückspeisenden Elektromaschine bekannt, die bei einem Kraftfahrzeug über eine erste Trennkupplung mit zu mindest einer Antriebsachse des Fahrzeuges und über eine zweite Trennkupplung mit einer zu ihr in Reihe liegenden Ver brennungsmaschine in Verbindung steht. Die Elektromaschine wird als Elektromotor bei ansteigender Fahrbahn und/oder bei Beschleunigungsphasen im Sinne eines addierenden Drehmomentes zu der Verbrennungsmaschine elektromotorisch und auf Gefäl lestrecken und/oder bei Verzögerungsphasen den elektrischen Energiespeicher ladend generatorisch betrieben.

Je nach den Anforderungen der gefahrenen Strecke und der Um welt hat der Kraftfahrzeuglenker darüber hinaus die Möglich keit, nicht nur die Brennkraftmaschine und die dazu in Reihe liegende Elektromaschine gleichzeitig als Antriebsmaschine auszunutzen, sondern auch entweder jeweils die Elektromaschi ne, z. B. im innerstädtischen Verkehr zur Erzielung möglichst geringer Emissionen und Fahrgeräusche, alleine oder die Brennkraftmaschine, z. B. im Überlandverkehr, alleine einzu setzen. Zur Steuerung des Hybrid-Antriebes ist eine nur sche matisch angedeutete elektronische Regeleinrichtung vorgese hen.

Durch die EP-A2-0 437 266 ist ein Hybrid-Antrieb mit einem Verbrennungsmotor, einem von dem Verbrennungsmotor antreibba ren Generator zur Stromerzeugung, einem elektrisch ladbaren und entladbaren Schwungrad-Speicher und mindestens einem ge sonderten Elektromotor für den Fahrzeugantrieb bekannt, wobei der Generator der Speicher und der Elektromotor elektrisch miteinander verbunden sind. Dieser Hybrid-Antrieb zeichnet sich dadurch aus, daß er in der Regel ohne Schaltgetriebe ar beiten kann, weil der gesonderte Generator im Zusammenwirken mit dem gesonderten Elektromotor einen Drehzahl/Drehmoment-Wandler darstellt; der Verbrennungsmotor ist lediglich für den zeitlich gemittelten Leistungs-Mindestwert und somit ge ringer als für die kurzzeitige Maximal-Antriebsleistung di mensioniert, weil der darüber hinausgehende Leistungsbedarf aus dem Schwungrad-Speicher gedeckt wird. Die Abgabeleistung des Verbrennungsmotors ist dazu in vorteilhafter Weise minde stens im wesentlichen der jeweils von dem Generator abgegebe nen elektrischen Leistung anzupassen. Sowohl dem Verbren nungsmotor als auch dem Elektromotor als auch dem Generator als auch dem Schwungrad-Speicher ist jeweils eine gesonderte Steuereinheit zugeordnet, die eingangsseitig an einen Gleich spannungszwischenkreis in der gegenseitigen elektrischen Ver bindung der vorgenannten Bauteile des Hybrid-Antriebs ange schlossen ist.

Gemäß Aufgabe vorliegender Erfindung soll ein in sich autar ker Hybrid-Antrieb mit mindestens einem Energie-Speicher ge schaffen werden, der sich bei geringerer Umweltbelastung durch geringen Gewichts- und Steueraufwand auszeichnet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die Lehre des Patentan spruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 bzw. des Patentanspruchs 17; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Hybrid-Antrieb gemäß Patentanspruch 1 zeichnet sich durch die Verwendung eines besonders einfach aufbaubaren Direktumrichters als Regel- bzw. Übertragungsmit tel zwischen dem Fahrzeugantrieb einerseits und dem in vor teilhafter Weise über ein Wechsel- bzw. Drehstrombordnetz an geschlossenen Energiespeicher andererseits durch fertigungs- und regeltechnische Einfachheit aus.

Der erfindungsgemäße Hybrid-Antrieb gemäß Patentanspruch 2 erlaubt bei aufwandsarmer Steuerung bzw. Regelung mittels ei nes Wechselstrom- bzw. Drehstrombordnetzes mit einem Direk tumrichter (AC/AC-Wandler) durch die vorteilhafte Überlage rungsmöglichkeit eines Antriebsstranges zwischen dem mechani schen Energiespeicher, insbesondere in Form eines Schwungrad-Speichers, und dem Fahrzeugantrieb bzw. eines Ladestranges von dem Verbrennungsmotor zu dem elektrischen Energiespeicher jeweils über die elektrische Maschine eine besonders geringe Baugröße und entsprechend geringe Gewichts- bzw. Umweltbela stung sowohl hinsichtlich des elektrischen Speichers, insbe sondere in Form einer über einen Umkehrstromrichter (AC/DC- bzw. DC/AC-Wandler) an das Bordnetz anschließbaren Batterie, als auch hinsichtlich des Verbrennungsmotors sowie des mecha nischen Energiespeichers.

Zweckmäßigerweise ist der vorgenannte Hybrid-Antrieb derart ausgelegt, daß die Antriebs- bzw. Beschleunigungsleistung für das Fahrzeug von der aus dem Schwungrad-Speicher über den Di rektumrichter gespeisten Elektromaschine erbracht wird und daß der Verbrennungsmotor im Stadtverkehr lediglich zur Nach ladung der zur Gewährleistung einer Mindestdrehzahl des Schwungrad-Speichers zeitweise belasteten Batterie bzw. im Überlandverkehr durch direkte mechanische Ankopplung an den.

Fahrzeugantrieb zur Überwindung des im Stadtverkehr nahezu vernachlässigbaren Roll- und Luftwiderstandes, d. h. zur Ge währleistung einer konstanten Geschwindigkeit, dient.

Der erfindungsgemäße Hybrid-Antrieb gemäß Patentanspruch 17 zeichnet sich einerseits durch die Verwendung eines besonders einfach aufbaubaren Direktumrichters als Regel- oder Übertra gungsmittel zwischen jeweils einer Anzahl von Elektromaschi nen zum Antrieb jeweils einer einer entsprechenden Anzahl von Fahrzeugachsen aus. Andererseits zeichnet er sich aufgrund des Einsatzes einer in vorteilhafter Weise über ein Wechsel- oder Drehstrombordnetz angeschlossenen Kombination aus einem Energiespeicher und einem mit einem Generator verbundenen Verbrennungsmotor durch fertigungs- und regeltechnische Ein fachheit aus.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß eine be sonders aufwandsarme Steuerung oder Regelung sowie eine be sonders einfache Leistungs- oder Energieübertragung von dem oder jedem Energiespeicher sowie von dem Energieerzeuger in Form eines mit einem Generator verbundenen Verbrennungsmotors erzielt wird, wenn der diese Aggregate verbindende Zwi schenkreis als reines Wechselstrom- oder Drehstrom-Bordnetz ausgebildet ist. Dies kann durch die Verwendung eines einer jeden Elektromaschine zugeordneten Direktumrichters (AC/AC-Wandler) erreicht werden, über den die Elektromaschine (Syn chronmaschine) zum Antrieb der ihr zugeordneten Fahrzeugachse mit dem Wechselstrom-Bordnetz verbunden ist. Ein zusätzlicher Gleichstrom-Zwischenkreis ist somit nicht erforderlich.

Bei Verwendung eines mechanischen oder kinetischen Energie speichers, insbesondere eines Schwungrad-Speichers, ist die ser zweckmäßigerweise elektrisch direkt an das Wechselstrom-Bordnetz angekoppelt. Bei alternativer oder zusätzlicher Ver wendung eines elektrischen Energiespeichers, z. B. einer lad baren oder entladbaren Batterie, ist dieser zweckmäßigerweise über einen Umkehrstromrichter (DC/AC-Wandler) an das Wech selstrom-Bordnetz angeschlossen. Darüber hinaus ist bei Ver wendung eines mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Genera tors mit nachgeschaltetem Gleichrichter dieser über einen Einweg-Stromrichter an das Wechselstrom-Bordnetz angeschlos sen. Dadurch ist bei allen denkbaren Überlagerungsmöglich keiten aller Lade- und Entladestränge zwischen dem oder jedem Energiespeicher und dem Energieerzeuger in Form des Verbren nungsmotors einerseits und der oder jeder Elektromaschine an dererseits der ausschließliche Einsatz eines Wechselstrom-Zwischenkreises oder -Bordnetzes besonders zuverlässig si chergestellt.

Ein Antriebssystem mit einem derartigen Hybrid-Antrieb eignet sich insbesondere für ein Schienenfahrzeug mit mehr als einer Antriebsachse. So kann bei einem Schienenfahrzeug mit vier Antriebsachsen und dementsprechend mit vier Elektromaschinen oder Elektrosynchronmotoren das Antriebssystem für jeweils zwei Achsen redundant ausgeführt sein. Dabei speist vorteil hafterweise lediglich ein mit einem einzigen Verbrennungs motor verbundener Generator in die redundant ausgeführten Wechselstrom-Bordnetze ein. Das Antriebssystem umfaßt dann zwei autarke elektrische Systeme, so daß bei Ausfall eines der Systeme das Fahrzeug weiterhin fahrbereit bleibt. Für den Fall, daß der Verbrennungsmotor ausfällt, kann das Fahrzeug, insbesondere über den elektrischen Energiespeicher, noch eine zur Erreichung eines nächsten Haltepunktes ausreichende Fahr strecke zurücklegen.

Bei einem Antriebssystem mit sowohl einem elektrischen Ener giespeicher in Form einer oder mehrerer Batterien als auch mit einem mechanischen Energiespeicher in Form eines Schwung rad-Speichers kann die elektrische Energie für Beschleuni gungen oder Verzögerungen durch den Schwungrad-Speicher mit etwa 2,5 kWh nutzbarer Energie zur Verfügung gestellt werden. Zwei Batterien von jeweils 25 kWh nutzbarer Energie decken einerseits die Energie für einen sogenannten U-Bahnbetrieb für eine Fahrstrecke eines Schienenfahrzeugs von ca. 30 km ab. Andererseits stellen die Batterien die erforderliche Zu satzenergie für Strecken mit einer z. B. 2-3% Steigung bei ei nem maximalen Höhenunterschied von 400-500 m zur Verfügung. Der relativ kleine Verbrennungsmotor, z. B. in Form eines Die selaggregates mit einer Leistung von etwa 140 kw, deckt Ver luste aus Rollwiderstand und Luftwiderstand des Fahrzeugs so wie aus internen Verlusten des Antriebssystems ab.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ge mäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden an hand schematischer Darstellungen in der Zeichnung näher er läutert; darin zeigen:

Fig. 1 ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug;

Fig. 2 ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug mit red undantem Hybrid-Antrieb für 2×2 Antriebsachsen;

Fig. 3 einen Fahrzyklus in einem Weg/Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm für ein Antriebssystem gemäß Fig. 2.

Ein Verbrennungsmotor 1 ist über eine erste Trennkupplung 7 mit einer Elektromaschine 2 kuppelbar, die ihrerseits über ein Schaltgetriebe 9 mit zumindest einer Antriebsachse 10 ei nes Fahrzeuges in Mitnahmeverbindung stellbar ist. Die erste Trennkupplung 7 steht u. a. in Betätigungsabhängigkeit von dem Schaltgetriebe 9; ggf. kann auch eine weitere gesonderte Trennkupplung 8 zwischen der Elektromaschine 2 und dem Schaltgetriebe 9 vorgesehen sein.

Neben der vorgenannten mechanischen Verbindungsmöglichkeit der Elektromaschine 2 mit dem Verbrennungsmotor 1 einerseits und der Antriebsachse 10 des Fahrzeuges andererseits ist ein elektrischer Anschluß der Elektromaschine 2 an einen mechani schen Energiespeicher 4 in Form eines Schwungrad-Speichers und an einen elektrischen Energiespeicher 3 in Form einer Batterie über ein Wechselstrom- bzw. Drehstrom-Bordnetz 11 vorgesehen; zwischen dem Anschluß des Drehstrom-Bordnetzes 11 und der Elektromaschine 2 ist ein Direktumrichter (AC/AC-Wandler) vorgesehen, durch den in aufwandarmer Weise einer seits die Elektromaschine 2 mit insbesondere nach Spannungs wert und Frequenzwert veränderlicher elektrischer Leistung versorgt und andererseits elektrische Energie zur Ladung des Schwungrad-Speichers 4 bzw. der Batterie 3 von der Elektroma schine 2 rückgespeist werden kann. Zur Anpassung der Gleich spannung der Batterie 3 an Frequenz- bzw. Spannungswerte an die entsprechenden vom Schwungrad-Speicher vorgegebenen Werte ist der Batterie 3 ein Umkehrstromrichter zugeordnet, der darüber hinaus bei Ladung der Batterie 3 durch generatorische Rückspeisung aus der Elektromaschine 2 zur Anpassung der Wer te des Bordnetzes 11 an die der Batterie 3 dient.

Für die als Motor als auch als Generator arbeitende elektri sche Maschine 2 ist vorzugsweise eine fremderregte Synchroma schine, insbesondere in 4-pollger Bauart, mit Regelung durch Feldschwächung und einer maximalen, der Höchstdrehzahl des Verbrennungsmotor 1 entsprechenden, Drehzahl von 6000 Umin^-1, vorgesehen. Zum Antrieb des Schwungrad-Speichers 4 ist vor zugsweise ein dauermagneterregter Motor/Generator vorgesehen, dessen Rotor, z. B. bei einem Durchmesser von ca. 300 mm und einer maximalen Rotor-Drehzahl von 24.000 U/min^-1, eine hin reichende Schwungmasse repräsentiert. Die Betriebsspannung des Bordnetzes 11 und die des Schwungrad-Speichers liegen zweckmäßigerweise in der Größenordnung von 500 bis 700 V. Der Direktumrichter 5 ist zweckmäßigerweise in Drehstrombrücken schaltung ausgeführt.

Im Stadtverkehr liefert die Elektromaschine 2 als aus dem Schwungrad-Speicher 4 gespeister Motor die Leistung, um das Fahrzeug anzutreiben und zu beschleunigen; die Batterie 3 liefert über den Umkehrstromrichter 6 ggf. die notwendige Energie, um eine Mindestdrehzahl des Schwungsrad-Speichers im Nennbetrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus wird aus der Batterie 3 die erforderliche Leistung bezogen, um den Rollwi derstand des Fahrzeuges zu decken, d. h. dessen konstante Ge schwindigkeit zu gewährleisten. Die Baugröße und damit das Gewicht der Batterie 3 kann dadurch in vorteilhafter Weise klein gehalten werden, daß sie im intermittierenden Zyklus nach Aktivierung der Trennkupplung 7 durch den Verbrennungs motor 1 über das Bordnetz 11 und dem Umkehrstromrichter 6 nachgeladen wird; dabei wird der Verbrennungsmotor 1 etwa bei Halblast betrieben.

Im Überlandverkehr wird der Verbrennungsmotor 1 über die er ste Trennkupplung 7 und - falls überhaupt vorhanden - über die zweite Trennkupplung 8 mechanisch dem Antrieb der Fahr zeugachse 10 durch die Elektromaschine 2 zugeschaltet. Die Treibstoffzufuhr und damit die Leistungsabgabe des Verbren nungsmotors 1 wird in vorteilhafter Weise dabei so bemessen daß von dem Verbrennungsmotor 1 lediglich der jeweilige Luft widerstand und Rollwiderstand des Fahrzeuges nach Art einer Störgrößenaufschaltung überwunden wird. Bei Beschleunigung des Fahrzeuges, z. B. bei Überholvorgängen, wird die Beschleu nigungsleistung wiederum durch den reinen Elektroantrieb, d. h. mit einem Leistungsaustausch von dem Schwungrad-Speicher 4 über die Elektromaschine 2 an die Fahrzeugachse 10 gelie fert. Bei Bremsbetrieb wird in umgekehrter Richtung Bremse nergie über das Bordnetz 11 in den Schwungrad-Speicher 4 bzw. in die Batterie 3 zurückgespeist.

Während im Stadtverkehr kleinere Höhenunterschiede aus der gespeicherten Energie der Schwungmasse des mechanischen Spei chers 4 gedeckt werden, wird bei Bergfahrten im Überlandver kehr zweckmäßigerweise bei zugeschaltetem Verbrennungsmotor 1 die erforderliche Leistung sowohl durch den Verbrennungsmotor 1 als auch teilweise durch den elektrischen Speicher 3 ge deckt, wobei das Bordnetz 11 mit maximal zulässiger Leistung aus der Batterie des elektrischen Speichers 3 eingespeist wird.

Bei längerem Stillstand des Fahrzeuges kann es vorkommen, daß der Schwungrad-Speicher 4 trotz Vakuum-Abkapselung aufgrund unvermeidlicher Verluste auf eine Drehzahl unterhalb einer Mindestdrehzahl abfällt oder im Extremfall sogar zum Still stand kommt. In diesem Fall erfolgt zweckmäßigerweise ein neues Anfahren mit einem - hier nicht näher dargestellten - aus dem elektrischen Speicher 3 gespeistem kleinen Anfahrum richter, der den Rotor des Schwungrad-Speichers 4 auf eine kleine Drehzahl, z. B. etwa einem Fünftel seiner Nenndrehzahl, beschleunigt, so daß anschließend das Hochfahren auf die Nenndrehzahl über das Bordnetz 11 und über den Umkehrstrom richter 6 aus der Batterie 3 erfolgen kann.

Fig. 2 zeigt einen Hybrid-Antrieb oder ein Hybrid-Antriebssy stem für ein Schienenfahrzeug mit vier Antriebsachsen 2a-2d, denen jeweils eine Elektromaschine 4a, 4b, 4c bzw. 4d zugeord net ist. Die Elektromaschinen 4a-4d sind sogenannte Synchron maschinen als Antriebsmotoren mit jeweils etwa 200 kW Spit zenleistung. Jede Elektromaschine 4a-4d ist über eine An triebswelle 6a-6d an jeweils eine der Antriebsachsen 2a, 2b, 2c bzw. 2d kuppelbar. Die Elektromaschinen 4a und 4b bilden zu sammen mit den ihnen zugeordneten Antriebsachsen 2a bzw. 2d eine autarke erste Antriebseinheit. Analog bilden die Elek tromaschinen 4c und 4d sowie die Antriebsachsen 2c bzw. 2d eine autarke zweite Antriebseinheit des Fahrzeugs.

Zusätzlich zu der vorgenannten mechanischen Verbindungsmög lichkeit der Elektromaschinen 4a-4c mit den ihnen zugeordne ten Antriebsachsen 2a-2d des Fahrzeugs ist für jede An triebseinheit ein elektrischer Anschluß der Elektromaschi nen 4a, 4b und 4c, 4d an jeweils einen mechanischen Energie speicher 10a, 10b in Form eines Schwungrad-Speichers und an einen elektrischen Energiespeicher 12a, 12b in Form einer Bat terie über jeweils ein Wechselstrom- oder Drehstrom-Bord netz 14a bzw. 14b vorgesehen. Zwischen den Elektromaschi nen 4a, 4b und 4c, 4d und dem Wechselstrom oder Drehstrom-Bord netz 14a bzw. 14b ist jeweils ein Direktumrichter (AC/AC-Wandler) 16a, 16b bzw. 16c, 16d vorgesehen. Durch die Direktum richter 16a-16d ist in aufwandarmer Weise einerseits die ih nen jeweils zugeordnete Elektromaschine 4a-4d mit insbeson dere nach Spannungswert und Frequenzwert veränderlicher elek trischer Leistung versorgt. Andererseits kann elektrische Energie zur Ladung des Schwungrad-Speichers 10a, 10b und/oder der Batterie 12a, 12b von der Elektromaschine 4a, 4b bzw. 4c, 4d rückgespeist werden.

Zur Anpassung der Gleichspannung der Batterie 12a, 12b hin sichtlich Frequenz- oder Spannungswerten an die entsprechen den vom Schwungrad-Speicher vorgegebenen Werte ist der Bat terie 12, 12b jeweils ein Umkehrstromrichter 18a bzw. 18b zu geordnet. Dieser dient darüber hinaus bei Ladung der Batterie 12a, 12b durch generatorische Rückspeisung aus den elektri schen Maschinen 4a-4d zur Anpassung der Werte des jeweiligen Bordnetzes 14a, 14b an die der Batterie 12a bzw. 12b.

Zur Einspeisung von Energie in die Bordnetze 14a und/oder 14b, insbesondere zum Ausgleichen von Verlusten aus Rollwi derstand und Luftwiderstand des Fahrzeugs, sowie zur Kompen sation interner Verluste des Hybrid-Antriebs, ist ein Ver brennungsmotor 20, z. B. ein Dieselaggregat, mit angekoppeltem Generator 22 vorgesehen. Der mit dem Verbrennungsmotor 20 verbundene Generator 22 ist über einen Gleichrichter 24 und diesem nachgeschaltet jeweils einem Einweg-Stromrichter 26a, 26b mit dem Bordnetz 14a bzw. 14b verbunden. Der Hybrid-An trieb ist somit für 2×2 Antriebsachsen 2a, 2b bzw. 2c, 2d des Fahrzeugs redundant ausgeführt, wobei das jeweilige Bord netz 14a, 14b elektrisch an den dem gemeinsamen Verbrennungs motor 20 nachgeschalteten Generator 22 angeschlossen ist.

Für die sowohl als Motor als auch als Generator arbeitenden elektrischen Maschinen 4a-4d ist vorzugsweise jeweils eine fremderregte Synchronmaschine mit einer Höchstdrehzahl von 6.000 U min^-1 vorgesehen. Zum Antrieb des Schwungrad-Spei chers 10a, 10b ist vorzugsweise ein dauermagneterregter Mo tor/Generator vorgesehen, dessen Rotor, z. B. bei einer Lei stung von 350 kW und einer Rotor-Drehzahl von 18.000-24.000 U min^-1, eine hinreichende Schwungmasse repräsentiert. Die Be triebsspannung des Bordnetzes 14a, 14b und des Schwungrad-Speichers 10a, 10b liegt zweckmäßigerweise bei etwa 800 V. Die Leistung des Verbrennungsmotors 20 beträgt zweckmäßigerweise 140 kW bei 5600 U min^-1. Als elektrische Speicher 12a, 12b sind jeweils zwei Batterien mit ca. 200 V und je 25 kWh vor gesehen. Die Direktumrichter 16a-16d sind zweckmäßigerweise jeweils in Drehstrombrückenschaltung ausgeführt.

Bei Einsatz eines derartigen Antriebssystems 1 für eine U-S-Bahn zeichnet sich dieses insbesondere dadurch aus, daß kei nerlei Oberleitungen oder andere Stromzuführungen erforder lich sind. Weiter liegt der Primärverbrauch bei nur etwa 36 l Dieselkraftstoff pro 100 km Fahrstrecke, bezogen auf ein Fahrzeug von etwa 30 t Gesamtgewicht (ca. 64 Sitzplätze und 60 Stehplätze, d. h. 0,3 l Treibstoff pro Person und 100 km Fahrstrecke). Ferner beträgt die mittlere Fahrgeschwindigkeit bei 40 Haltepunkten pro 100 km Fahrstrecke etwa 75 km/h bei einer Spitzengeschwindigkeit von ca. 125 km/h. Außerdem kann das Fahrzeug im unterirdischen Betrieb (U-Bahnbetrieb) eine Fahrstrecke von ca. 30 km zurücklegen. Die Energie hierfür stellt eine der Batterien 12a, 12b (2×25 kWh) zur Verfügung (ca. 2×500 kg Gewicht).

Die elektrische Energie für Beschleunigungen und Verzögerun gen des Fahrzeugs wird durch die Schwungrad-Speicher 10a, 10b mit je 2,5 kWh nutzbarer Energie zur Verfügung gestellt. Bei Streckenanstiegen mit 2-3% Steigung und maximalem Höhenun terschied von 400-500 m stellt die oder jede Batterie 12a, 12b die notwendige Zusatzenergie zur Verfügung. Der Verbrennungs motor 20 deckt dann lediglich die Verluste aus Rollwiderstand und Luftwiderstand sowie interne Verluste des Hybrid-Antriebs ab. Sollte der Verbrennungsmotor 20 ausfallen, so kann das Fahrzeug - ähnlich wie im U-Bahn-Betrieb - über die elek trischen Speicher 12a, 12b noch etwa 30 km Fahrstrecke zurück legen.

Fig. 3 zeigt einen Fahrzyklus, basierend auf 40 Haltepunkten pro 100 km Fahrstrecke und angenommenen Basisdaten von ca. 30. 000 kg Fahrzeuggewicht und 25 in Fahrzeuglänge. Wie in dem Diagramm gezeigt, resultiert hieraus eine mittlere Fahrge schwindigkeit von 75 km/h bei einer mittleren Ein-/Ausstiegs zeit von 25 Sekunden. Dabei ist auf einer ersten unteren Ab szisse A1 die Fahrstrecke s [m] und auf einer darüberlie genden zweiten Abszisse A2 die jeweils korrespondierende Zeit t [s] aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Fahrge schwindigkeit v [km/h] aufgetragen. Das Diagramm stellt somit die Fahrgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Fahrzeit t und Fahrstrecke s dar. Dabei ist zwischen zwei Fahrzyklen eine mittlere Ein-/Ausstiegszeit von 25 Sekunden angenommen.

Claims

1. Hybrid-Antrieb für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest

a) einem Verbrennungsmotor (1),
b) einer Elektromaschine (2),
c) zumindest einem Energiespeicher (3 bzw. 4),
d) einem Direktumrichter (5)

und mit Leistungsaustausch-Verbindungen zumindest zwischen

e) der Elektromaschine und zumindest einer Antriebsachse (10) des Fahrzeugs,
f) dem Verbrennungsmotor (3) und der Elektromaschine (2),
g) der Elektromaschine (2) und dem zumindest einem Energie speicher (3 bzw. 4) über ein Wechselstrom- bzw. Drehstrom-Bordnetz (11) unter Zwischenschaltung des Direktumrich ters.

2. Hybrid-Antrieb für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest

h) einem Verbrennungsmotor (1),
i) einer Elektromaschine (2),
j) einem elektrischen Energiespeicher (3), insbesondere in Form einer elektrisch ladbaren bzw. entladbaren Batterie,
k) einem mechanischen Energiespeicher (4), insbesondere in Form eines elektrisch ladbaren bzw. entladbaren Schwung rad-Speichers,
l) einem Direktumrichter (5) und mit Leistungsaustausch-Verbindungen zumindest zwischen
m) der Elektromaschine und zumindest einer Antriebsachse (10) des Fahrzeugs,
n) dem Verbrennungsmotor (3) und der Elektromaschine (2),
o) der Elektromaschine (2) und dem mechanischen Energie speicher (4) über ein Wechselstrom- bzw. Drehstrom-Bord netz (11) unter Zwischenschaltung des Direktumrichters,
p) dem Verbrennungsmotor (1) und dem elektrischen Energie speicher (3) über das Wechselstrom- bzw. Drehstrom-Bord netz (11)
q) dem elektrischen Energiespeicher (3) und dem mechanischen Energiespeicher (4) über das Wechselstrom- bzw. Dreh strom-Bordnetz (11).

3. Hybrid-Antrieb nach dem vorhergehenden Anspruch mit einer ladbaren bzw. entladbaren Batterie als elektrischem Energie speicher (4) und mit einem der Batterie zugeordneten Umkehr stromrichter (6).

4. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer mechanischen, vorzugsweise mit einer ersten Trennkupplung (7) versehenen, Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und der Elektromaschine (2).

5. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer mechanischen, vorzugsweise mit einem Schaltgetriebe (9) versehenen, Verbindung zwischen der Elek tromaschine (2) und der Antriebsachse (10) des Fahrzeugs.

6. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer zweiten, insbesondere einem Schaltgetrie be (9) vorgeschalteten, Trennkupplung (8) in der Verbindung zwischen der Elektromaschine (2) und der Antriebsachse (10) des Fahrzeugs.

7. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Drehstrom-Bordnetz zwischen der Elektro maschine (2) und dem zumindest einen Energiespeicher (3 bzw. 4) sowie mit einem Direktumrichter (5) in Drehstrom brückenschaltung.

8. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Stadtverkehrsantrieb durch die von dem Verbrennungsmotor (1) mechanisch entkuppelte Elektromaschine (2) mit einer Leistungsübertragung ihrer Antriebs- und Be schleunigungsleistung aus dem zumindest einen Energiespeicher (3 bzw. 4).

9. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Überlandverkehrsantrieb durch den Ver brennungsmotor (1) und die mechanisch gekuppelte Elektroma schine (2) mit einer Leistungsübertragung ihrer Antriebs- und Beschleunigungsleistung aus dem zumindest einen Energiespei cher (3 bzw. 4).

10. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 2-9 einer Leistungsübertragung von dem elektrischen Energiespei cher (3) zu dem mechanischen Energiespeicher (4) im Sinne der Sicherstellung einer Mindestdrehzahl seines Rotors bzw. seiner Schwungmassen.

11. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der Ansprüche 2-10 mit einer Leistungsübertragung von dem elektrischen Ener giespeicher (3) zu der Elektromaschine (2) im Sinne einer Sicherstellung von dessen Antriebsleistung zur Überwindung des Rollwiderstandes bzw. Luftwiderstandes des Fahrzeuges.

12. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 11 mit einer Ermittlung des jeweiligen Rollwiderstandes aus der augenblicklichen Fahrge schwindigkeit, insbesondere unter zusätzlicher Berücksichti gung des jeweiligen Reifendrucks bzw. der jeweiligen Zuladung bzw. des jeweiligen Fahrtgegenwindes.

13. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Leistungsübertragung über die Elektroma schine (2) von der Antriebsachse (10) zu dem zumindest einen Energiespeicher (3 bzw. 4).

14. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2-13 mit einer Überlagerung einer Ladeleistungs übertragung von dem Verbrennungsmotor (1) zu dem elektrischen Speicher (4) und einer Antriebsleistungsübertragung von dem mechanischen Energiespeicher (4) zu der Antriebsachse (10) jeweils unter Zwischenschaltung der Elektromaschine (2).

15. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Motor/Generator, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine, als Elektromaschine (2).

16. Hybrid-Antrieb nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2-15 mit einem Schwungmassen-Motor/Generator, ins besondere einer dauermagneterregten Synchronmaschine mit vor zugsweise etwa 506 V bis 700 V Betriebsausgangsspannung, als mechanischer Energiespeicher (4).

17. Hybrid-Antrieb für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug,

- mit einem mit einem Generator (22) verbundenen Verbren nungsmotor (20),
- mit einer Anzahl von Elektromaschinen (4a-4d), von denen jede mit jeweils einer entsprechenden Anzahl von Antriebs achsen (2a-2d) verbunden ist,
- mit mindestens einem Energiespeicher (10a, 10b; 12a, 12b), und
- mit einem an den Generator (22) sowie an den Energiespei cher (10a, 10b; 12a, 12b) angeschlossenen Wechselstrom-Bord netz (14, 14b), das über jeweils einen Direktumrichter (16a, 16b; 16c, 16d) mit jeder Elektromaschine (4a, 4b bzw. 4c, 4d) verbunden ist.

18. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 17, bei dem als Energiespei cher ein elektrischer Speicher (12a, 12b), vorzugsweise eine elektrisch ladbare und entladbare Batterie, und/oder eine mechanischer Speicher (10a, 10b), vorzugsweise ein elektrisch ladbarer und entladbarer Schwungrad-Speicher, vorgesehen ist.

19. Hybrid-Antrieb nach Anspruch 17 oder 18, wobei für ein Fahrzeug mit vier Antriebsachsen (2a-2d) das Wechselstrom-Bordnetz (14a, 14b) mit dem an diesen angeschlossenen Ener giespeicher (10a, 12a; 10b, 12b) für jeweils zwei Antriebsach sen (2a, 2b; 2c, 2d) redundant ausgeführt ist.

20. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem bei Verwendung einer elektrisch ladbaren und entladbaren Batterie als Energiespeicher (12a, 12b) dieser ein Umkehr stromrichter (18a, 18b) zugeordnet ist.

21. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei dem mit dem Verbrennungsmotor (20) verbundenen Generator (22) ein Gleichrichter (24) zugeordnet ist.

22. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der mit dem Verbrennungsmotor (20) verbundene Generator (22) über einen Stromrichter (26a, 26b), vorzugsweise über einen Einweg-Stromrichter, an das Wechselstrom-Bordnetz (14a bis 14b) angeschlossen ist.

23. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die oder jede Elektromaschine (4a-4d) ein Elektrosynchronmo tor mit etwa 200 kW Spitzenleistung ist.

24. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei der Verbrennungsmotor (20) für eine Leistung von etwa 140 kW bemessen ist.

25. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei bei Einsatz eines mechanischen Energiespeichers (10a, 10b) dieser zur Bereitstellung von etwa 2,5 kWh nutzbarer Energie ausgelegt ist.

26. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei bei Einsatz eines elektrischen Energiespeichers (12a, 12b) dieser zur Bereitstellung von ca. 50 kWh, z. B. von 2×25 kWh, nutzbarer Energie ausgelegt ist.

27. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 26, mit zum Beschleunigen oder Verzögern des Fahrzeugs einer Lei stungsübertragung von dem mindestens einen Energiespei cher (10, 12a; 10b, 12b) zu jeweils mindestens einer der Elek tromaschinen (4a, 4b bzw. 4c, 4d).

28. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 18 bis 27, mit einer Leistungsübertragung von dem elektrischen Energiespei cher (12a, 12b) zu dem mechanischen Energiespeicher (10a bzw. 10b) im Sinne der Sicherstellung einer Mindestdrehzahl seines Rotors oder seiner Schwungmasse.

29. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 28, mit einer Leistungsübertragung von dem Verbrennungsmotor (20) zu jeder Elektromaschine (4a-4d) im Sinne eines Verlustaus gleichs zur Überwindung eines Roll- und/oder Luftwiderstandes des Fahrzeugs.

30. Hybrid-Antrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 29, wobei das Wechselstrom-Bordnetz (14a, 14b) eine Betriebsspannung von ca. 800 V aufweist.