混合动力驱动系的制作方法

本发明涉及一种车辆的混合动力驱动系，尤其具有内燃发动机和电机的移动式工作机的混合动力驱动系。

由atz7-8/2002，第664-674页已知此类的混合动力驱动系。在此，该电机与该内燃发动机并且与一个液压泵连接。

工程机械通常在其工作阶段中以内燃发动机的恒定的高额定转速运行，以便能够在高动态的负载峰值中随时提供最大的系统性能。此外，一旦没有实现该内燃发动机的最大使用率，大多数情况下在发动机控制设备中设定进一步提高工作转速的p度。如果该负载高于该内燃发动机的最大使用率，使得该内燃发动机承受压力或者甚至有停机的危险，一般来说进行极限负载调节，以工程机械的待完成的工作为代价将该内燃发动机的负载降低，使得额定转速可以保持不变。

也就是，在整个工作阶段上设定较高的额定转速，然而该额定转速仅在负载峰值时是确实必要的。在这些其余的范围内，内燃发动机的较小的额定转速可能足以便提供恰好要求的功率。额定转速的降低对该内燃发动机的燃料消耗的降低并且由此对二氧化碳排放量的减少(降低温室效应，较少的环境污染)具有显著影响。

如果将额定转速始终保持低到正好必要的程度并且仅在可能有十分动态的要求的对应负载阶段时才提高所需数值，则该内燃发动机通常不能单独地动态提高额定转速，使得不能以与持续的高额定转速下可能的情况相同的程度来提供所需的功率。

当该内燃发动机在这种情况中尝试加速到新的更高的额定转速时，该内燃发动机上的当前存在的负载抵消了加速度，并且甚至可以导致转速下降而不是提高，因为该内燃发动机不能足够快速地累积必要的扭矩。

本发明的目的在于，开发一种在内燃发动机从较低转速到较高转速的加速阶段中提高整个驱动系的扭矩的方法，通过该方法在这些工作阶段中可以动态地调节工程机械的额定转速，而不用在动态的负载峰值中遭受损失。为此，该系统即使在十分动态的负载要求下也必须能够从较低的额定转速高动态地加速到更高的额定转速。由此，工程机械的额定转速可以在较宽的范围上保持在燃料消耗方面的尽可能较低的并且高效的转速。

本发明所基于的目的也在于，改善车辆的混合动力驱动系。

该目的通过一种根据权利要求1所述的方法或通过根据权利要求3所述的设备实现。

除其他之外，这以驱动系具有液压工作机的方式实现。

根据本发明实现以下优点：

通过增加该内燃发动机的平均使用率来节约燃料，在较低的转速下具有较大的扭矩

改善该驱动器的动态特性。

所示出的构型将该电机用作整合的启动器和发电机，该内燃发动机的扭矩支持以如下方式进行，使得提供在较短的时间(<1秒)内的较高扭矩。

部件的安排

由内燃发动机和液压驱动单元组成的移动式工作机的常规的驱动系加装了平行安排的电机，该电机在空间上代替飞轮。该电机通过功率电子器件由电能存储器馈送并且可以在所有四个象限中运行。

在给出的安排中，柴油-电动混合动力以调节转速的方式运行。也就是说，驾驶员的意愿被解释为额定转速。这种运行方式尤其建立在移动式工作机的领域中。在此，柴油-电动混合动力即使在交替的负载下也尽可能调节到设备操作者所期望的转速，其方式为对应地适配由柴油-电动混合动力所产生的扭矩。该负载由工作液压、驱动负载和其他输出产生。

该内燃发动机(vkm)的启动，与常规的驱动器不同，不通过分开的起动发动机、而是直接通过电机进行。不同于已知的驱动系，该内燃发动机可以在十分短的时间段内(大约在约200毫秒或低于200毫秒的范围内)启动。以此方式，可以在自动启动/停止运行中操作该内燃发动机。

启动/停止运行的效果是，该内燃发动机只有当实际需要时才被操作。如果该内燃发动机在某一时间段上处于较低的怠速时，则根据系统要求停止。

一旦设备操作者致动操作部件，立即再次启动内燃发动机，使得该操作员几乎没有感知到延迟。操作部件可以是加速踏板、转向装置、工作液压的控制单元或操纵杆。

通过避免不必要的怠速时间，这种功能导致节省燃料。

在合适的运行点中，该电机以电动机方式运行，以便提高整个驱动器的扭矩。

维持设备操作者期望的转速所需的扭矩通过调节算法来计算并且由功率电子器件实现。在此，该系统考虑到与系统相关的所有状态，例如该能量存储器的充电状态、各个部件的温度等。

该额定转速是在全负载下所期望的该内燃发动机转速。

该工作转速是考虑到p度的情况下当前设定的转速。这些工作阶段是工程机械工作的阶段，即对该内燃发动机施加负载的阶段。在工程机械不工作的阶段中，大多数情况下将额定转速设置为较低的怠速。

动态地降低转速的功能能够实现使用具有较低的转速的内燃发动机。操作者所要求的功率保持不变。降低转速，为此该内燃发动机的扭矩对应地增加。

功率＝扭矩×转速。

短暂出现的峰值功率可以通过电动机式运行的电机的支持来满足，使得内燃发动机不再需要被设计为所需/所期望的峰值功率。在此适用的是，本来已经在较高的额定转速(例如20001/分钟)下要求的峰值功率，仍然必须尽可能由内燃发动机产生。在此，仅添加在加速阶段中产生的额外的功率峰值。

一般来说，正是这些功率无法由内燃发动机足够快速地产生，这是因为转速过低并且仅通过内燃发动机不能足够快速地施加扭矩。

除了在满足功率峰值时提速之外，还可以使用该电机的电动机式运行来提高驱动系的动态性。

尤其当该内燃发动机的喷射量依赖于增压压力的填充限制而受限于顶部曲线下方时，可以施加电机的电动机功率以于增加动态性，直到由于足够的增压压力而不再需要这种限制。

通过在运行中产生该电机的发电机扭矩对该电能存储器进行充电。在此，所产生的扭矩依赖于该能量存储器的充电状态、该内燃发动机的使用率和不同的系统条件。该扭矩可以作为调节器的调整变量或者也可以受控地连接。

再生通常被理解为将机械制动能量重新收获为电能。

在常规的移动式工作机中，制动能量的几乎全部部分通过在较高的转速下该内燃发动机的牵引运行并且通过针对性的接通液压负载来实现。

在混合动力驱动器的这种构型中，通过将制动力矩接入该电机来实现制动矩。由此一方面避免较高的发动机转速，另一方面将制动能量通过该电机和该功率电子器件馈送到该电能存储器中。

在由根据本发明的部件，即内燃发动机(柴油发动机)、具有变换器的电机、电能存储器和液压移动驱动器和工作驱动器，组成的移动式工作机的混合动力驱动系中，为了降低co2排放量和燃料消耗尤其还使用负载点偏移的功能。

借助于这种功能，在该内燃发动机的特征图表(力矩作为转速的函数)中的相应的工作点沿着恒定功率的曲线(功率双曲线)移动，以便将内燃发动机的工作点移入相应的最佳燃料消耗的区域中。

在负载偏移中，由混合动力控制设备，尤其依赖于参数(该内燃发动机的当前力矩、该电机的当前力矩、该能量存储器的充电状态和内燃发动机及电机的当前转速)借助于在该混合动力控制设备中实现的运行策略来确定最佳的额定转速，并且作为额定值传输给连接在下游的转速调节器。

在此适用的是，借助于来自hmi接口(人机界面)的信息获取最佳的额定转速。在此，该能量存储器的充电状态例如不起作用。

该内燃发动机的转速调节器一如既往地位于该发动机控制设备中。在混合动力控制设备中确定转速标准，即额定转速。

对该内燃发动机进行转速调节。对该电机进行扭矩调节。该额定扭矩由转速差(参见图5中的位置④)计算。

相对于移动式工作机的常规的驱动系，在使用具有混合动力驱动器的负载点偏移的功能时存在以下优点：

在常规驱动器中，由于在该内燃发动机的运行中该移动驱动器或工作驱动器的非常动态的负载变化，保持高功率储备，以便可以对这些负载变化做出相应的反应。尤其在增压的内燃发动机中，需要该功率储备以减少该增压压力累积的时间段。在该混合动力驱动系中存在显著降低该内燃发动机的功率储备的可能性。在动态的负载变化中，施加该电机的电动机功率，直到该内燃发动机位于可以独立产生所要求功率的工作点中。这种策略特别有利于该电机的力矩的快速调整可能性。

在常规驱动中向较小的转速以及由此较高的扭矩的负载点偏移最大可以达到该内燃发动机施加最大扭矩的转速。其原因在于，在转速小于最大扭矩的转速时，负载变化可以导致或导致该内燃发动机的快速停止。在混合动力驱动系中，在此也使用该电机的电动机功率以将该内燃发动机移至工作点中，在该工作点中该内燃发动机可以独立产生功率。

从以下附图说明中得出本发明的其他有利的构型，其中详细描述了在附图中示出的本发明的实施例。

附图中示出：

图1以示意性视图示出了这些单独的部件的安排和合作

图2以特征图表(蛤状图(muscheldiagramm))示出了对比消耗具有影响的负载点偏移的功能

图3以特征图表示出了“负载点偏移”的功能

图4示出了工程机械的轻度混合动力系统的系统拓扑，例如具有电力电机和能量存储器

图5示出了用于获取具有动态转速降低的该内燃发动机的额定转速并且用于获取该电机的额定力矩的原理图。

内燃发动机1，尤其是压燃点火式内燃发动机(柴油发动机)，与电机2直接耦合，该电机代替飞轮与该内燃发动机1的曲轴连接。在此，该电机2的定子与曲轴箱连接并且转子与曲轴连接。此外，该转子与齿轮泵3并且进一步与轴向活塞泵4连接。齿轮泵3的输出端通过比例阀5(例如)与工作缸6、举升缸7以及转向缸8连接。齿轮泵3和轴向活塞泵4是液压式工作机。

电机2通过四象限变换器12与电能存储器13连接。此外，设置混合动力控制设备21，这些部件(尤其该驱动系和该存储系)的所有单独控制设备可以与该混合动力控制设备协调。

图2示出了内燃发动机的典型的特征图表(力矩作为转速的函数)。在该特征图表中，将由该内燃发动机实现的最大扭矩md最大标注为顶部曲线。在该顶部曲线下，将具有恒定的比(燃料)消耗的线作为蛤状曲线示出，其中，从该be最小线开始，其他的线标示逐级提高的消耗。最终，标注了该内燃发动机的恒定功率的p恒定的曲线(功率双曲线)。原则上，以恒定功率p恒定在点p1处运行的该内燃发动机可以以相同的恒定的功率p恒定在点p2处运行，然而其中点p2位于be最小区域中。通过这种调整，在相同的功率输出下实现该内燃发动机的消耗降低。

然而有问题的是，在此类常规的驱动系中，在此类调整中——如图3所示——这总是与接近可实现的最大扭矩的顶部曲线相关。如图3所示，在调整中如果通过功率点p2接近顶部曲线，该内燃发动机即使已经在较小的负载变化下也不再具有功率储备，并且如在点4中所示该内燃发动机停机。具有动态转速降低的走向，但没有电机的支持。然后，通过根据本发明的构型还额外地提供可以通过该电机施加的功率。即换言之可以毫无顾虑地将功率调整至md最大曲线以降低消耗，而不必担心在负载改变时该内燃发动机停机，这是因为对于这种情况提供该电机的额外功率。

当负载(功率)保持不变时，p1-p2对应于动态的转速降低。

通过动态地偏转该操纵杆(20)(hmi信号)刚好动态地提高用于消耗器的负载。

p2-p3对应于具有动态的转速降低和该电机(2)的支持的曲线。

p2-p4对应于具有动态的转速降低、然而没有该电机(2)的支持的曲线。

p1-p2对应于没有动态地降低转速的负载跳跃时的曲线。

图4结合图5示出，虽然具有动态的负载峰值，工程机械的内燃发动机的额定转速如何能够在工作阶段中高动态地加速。为此，将该内燃发动机扩展至轻度混合动力系统。这种扩展由能量存储器13和电机2组成，该电机可以直接连接在曲轴处，也可以连接在pto(动力输出，powertakeoff)处。在此，电机2可以与相关联的能量存储器13电动地以及液压地实施。

与内燃发动机1相比，电机2在输出或接收能量时高动态地工作。内燃发动机1在其工作阶段中以尽可能低的转速工作。在需要内燃发动机1的较高转速的负载要求下，内燃发动机1在加速过程中以并行的高动态方式受到电机2支持，直到达到较高的额定转速，例如在电机2的电动机式运行期间。电机2的为此所需的能量来自能量存储器13。在较低的负载要求的阶段中，能量存储器13借助于电机2再次充电，例如通过电机2的发电机式运行。在此，必须尽可能早地识别出负载要求，以便可以在加速阶段中十分快地借助于电机2支持内燃发动机1。这通过分析hmi接口20(例如由机器操作员操作的操纵杆20)的信号最快地进行。

通过所获取的负载要求来获取内燃发动机1所需要的转速，即额定转速。这通过内燃发动机的控制设备22设定。当该内燃发动机1自身已经尝试加速到新的额定转速时，该内燃发动机在此由该电机2以高动态的扭矩累积来支持。由额定转速与实际转速的差值来获取该电机2的额定扭矩。

尤其通过分析hmi接口20来对该内燃发动机1的额定转速进行获取，借助于电机2在工程机械中对内燃发动机1的动态转速降低进行使用。在此，在加速阶段过程中，该轻度混合动力驱动器的电机2高动态地支持内燃发动机1达到所期望的较高的额定转速。电机2直接连接在曲轴处或pto处。

电机2与其能量存储器13可以电动地以及液压地实施。为此，考虑电池和/或电容器和/或液压存储器。

该方法和设备原理上适用于所有工程机械，这些工程机械由于目前在动态的负载要求下维持功率储备，在这些工作阶段中以较高的额定转速运行。例如在轮式挖掘机(umschlagbagger)中进行特定的应用。

hmi信号通过控制器局域网总线(can-bus)由混合动力控制设备接收，传输率处于约10m秒或者更小的范围内。

hmi信号例如示出了操纵杆20从左向右的偏转并且通过can作为具有﹣100％至﹢100％的值域的信号进行传输。

因此读取混合动力控制设备的所有hmi信号，这些信号导致提高在该内燃发动机处的负载。

在该混合动力控制设备21中分析所有的hmi信号，并且由此计算该内燃发动机1的额定转速。通过特征图表和用于每个hmi信号的加权因子进行分析。

在hmi信号的快速改变中也导致图5中③的额定转速的快速改变。

由此首先得出在图5中④在该内燃发动机1的额定转速与实际转速之间的较大差值，这是因为该内燃发动机1

a)由于相对较小的固有动力，不能足够快地遵循额定转速，

b)hmi信号的快速变化总是意味着该内燃发动机1的负载快速提高，这反作用于实际转速与额定转速的快速适配。

该转速差值用于计算图5中⑤的电机2的额定力矩。

当该额定-实际转速快速增加时，该电机2的额定力矩也快速增加。在实际转速大于额定转速的情况下，不要求该电机2的扭矩。

参考符号

1内燃发动机

2电机

3齿轮泵

4轴向活塞泵

5比例阀

6工作缸

7举升缸

8转向缸

9轴向活塞发动机

10齿轮级

11驱动轮

12四象限变换器

13能量存储器

20人机界面(hmi)接口，操纵杆

21混合动力控制设备(ecu)

22内燃发动机的控制设备(ecu)