Die Erfindung betrifft einen Antrieb für eine insbesondere autonom agierende mobile Vorrichtung, umfassend eine Antriebswelle und eine mit der Antriebswelle verbundene Verbrennungskraftmaschine. Die Erfindung betrifft auch eine mobile Vorrichtung, insbesondere einen Multicopter, mit wenigstens einem solchen Antrieb.

Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung ein Steuerungsverfahren für einen Antrieb. Mobile Vorrichtungen gibt es als Luft-, Wasser- und/oder Landfahrzeuge. Autonom agierende Luftfahrzeuge der Mobilrobotik sind beispielsweise sogenannte Multicopter. Diese haben mehrere unabhängig voneinander angetriebene und nach unten wirkende Propeller.

Üblicherweise werden Vorrichtungen der Mobilrobotik von Elektromaschinen angetrieben. Diese haben jedoch den Nachteil, dass die Speicherung der für die Elektromaschine benötigten Energie aufwendig, kostenintensiv und mit einem hohen Eigengewicht verbunden ist. Um eine hohe Reichweite oder Laufzeit einer mobilen Vorrichtung zu erreichen, ist es bekannt, eine Verbrennungskraftmaschine als Antrieb zu verwenden. Bei der

Verbrennungskraftmaschine ist die Speicherung der benötigten Energie preiswert, einfach und mit einer hohen Energiedichte möglich.

Jedoch hat sich die Verwendung von Verbrennungskraftmaschinen bei mobilen

Vorrichtungen, insbesondere der Robotik, beispielsweise bei einem Multicopter, als nachteilig erwiesen, da eine Verbrennungskraftmaschine auf eine geänderte Anforderung von Drehmoment und/oder Drehzahl bauartbedingt mit einer Verzögerung reagiert. Da bei vielen Anwendungen der Mobilrobotik, beispielsweise zum Erreichen der Flugstabilität bei einem Multicopter, eine möglichst verzögerungsfreie Reaktion des Antriebes auf eine geänderte Anforderung von Drehmoment und/oder Drehzahl erforderlich ist, werden für den Antrieb Elektromaschinen eingesetzt. Der Nachteil bei der Reichweite und/oder der Laufzeit bei einer Elektromaschine wird durch Weiterentwicklungen und Optimierungen der

Elektromaschine und/oder des Energiespeichers reduziert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine mobile Vorrichtung die Möglichkeit zu schaffen, schnell, also innerhalb weniger als einer Sekunde, einen angeforderten Sollwert von Drehmoment und/oder Drehzahl bereitzustellen und zugleich eine hohe Reichweite und/oder Laufzeit der Vorrichtung zu erreichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen der

Ansprüche 1 und 7 und/oder mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Grundlage der Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Stellantrieb zu verbinden. In dem Zeitraum der Verzögerung der Verbrennungskraftmaschine zwischen einer Anforderung und der Bereitstellung des angeforderten Sollwertes von Drehmoment und/oder Drehzahl wird die Verbrennungskraftmaschine von dem Stellantrieb mit einer Antriebsleistung unterstützt. Die Verbrennungskraftmaschine und der Stellantrieb liefern also so lange gemeinsam die erforderliche Antriebsleistung, bis die Verbrennungskraftmaschine alleine den Sollwert bereitstellen kann. Durch die Verwendung des zusätzlichen

Stellantriebes wird die Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise der gesamte Antrieb der Vorrichtung extrem verzögerungsarm, ohne die Vorteile der Verbrennungskraftmaschine einzuschränken. Zudem ist durch den lediglich bedarfsweisen Betrieb des Stellantriebes eine vergleichsweise geringe Kapazität des elektrischen Energiespeichers erforderlich, wodurch dessen Eigengewicht vergleichsweise gering ist.

Als Stellantrieb wird eine Elektromaschine eingesetzt, welche vorzugsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor ist. Die Elektromaschine kann auch als Generator betrieben werden. Besonders günstig ist es, dass die Verbrennungskraftmaschine und der Stellantrieb getriebelos mit der Antriebswelle gekoppelt sind. Hierdurch ist es möglich, an der

Antriebswelle unverzüglich das gewünschte Drehzahl- und/oder Drehmoment-Niveau bereitzustellen und den Antrieb leicht und kompakt zu realisieren. Beispielsweise kann eine solche Bauform durch eine axiale Anordnung der Verbrennungskraftmaschine und des Stellantriebes realisiert werden. Die Erfindung liefert einen Antrieb, welcher den heutigen Antriebseinheiten in fast jeder Hinsicht in dem jeweiligen Einsatzgebiet überlegen ist. So ermöglicht die Erfindung, einen Antrieb bereitzustellen, welcher ein gutes Leistungsgewicht, eine hohe Reichweite und/oder Laufzeit, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Ausfallsicherheit aufweist, weil zumindest kurzfristig der Betrieb der mobilen Vorrichtung ausschließlich von der

Verbrennungskraftmaschine oder dem Stellantrieb aufrechterhalten werden kann.

Insbesondere das geringe Ausfallrisiko ermöglicht eine hohe Betriebssicherheit, zum Beispiel beim Personenflug, da im Falle eines Ausfalles, beispielsweise der

Verbrennungskraftmaschine, der Stellantrieb einen sicheren Notbetrieb des Antriebes gewährleistet.

Bei der Erfindung ist eine exakte und schnelle Regelung essentiell für die angestrebte geringe Latenz. Die Erfindung ermöglicht mehrere Betriebszustände für den Antrieb. Die grundlegenden Betriebszustände sind im Folgenden beschrieben.

Bei einer erforderlichen Leistungsminderung wird die Regelung den Sollwert von

Drehmoment und/oder Drehzahl erhalten oder einstellen, indem der Stellantrieb die

Antriebswelle bremst und dabei eine Generatorleistung nutzbar ist. Aber auch bei konstanter Drehzahl der Antriebswelle kann der Stellantrieb als Generator betrieben werden, indem die Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine erhöht wird. Durch den generatorischen Betrieb des Stellantriebes wird der elektrische (Zwischen-) Speicher, beispielsweise ein Akkumulator oder ein Kondensator, gefüllt, sodass ausreichend elektrische Energie für die nächste Beschleunigungsanforderung bereitgehalten ist. Bei einer erforderlichen Leistungssteigerung wird mittels der Regelung der geänderte

Sollwert von Drehmoment und/oder Drehzahl dadurch eingestellt, dass der Stellantrieb die Antriebswelle oder die Verbrennungskraftmaschine beschleunigt. Falls mittels der Regelung eine unerwünschte Abweichung des gemessenen Istwertes der Drehzahl der

Verbrennungskraftmaschine oder der Antriebswelle von dem Sollwert erfasst wird, wird der Stellantrieb als Motor betrieben. Dies geschieht so lange, bis der Sollwert wieder erreicht ist oder bis die Verbrennungskraftmaschine allein den Sollwert bereitstellt. Für den motorischen Betrieb wird der Stellantrieb aus dem elektrischen (Zwischen-) Speicher mit Energie versorgt.

Auch ohne eine Änderung des Sollwertes von Drehmoment und/oder Drehzahl an der Antriebswelle kann die Regelung eine Leistungssteigerung bei der

Verbrennungskraftmaschine vorsehen, wobei zugleich im selben Maß der Stellantrieb generatorisch betrieben wird, sodass Drehmoment und/oder Drehzahl an Antriebswelle unverändert bleiben. Dieser Betriebszustand dient dazu, den elektrischen Speicher aufzufüllen. Die Regelung der Vorrichtung oder des Antriebes kann auch für ein Lade- und Entlade-Management des Speichers eingerichtet sein.

Bei einem Fehlerfall, also wenn eine der beiden im Antrieb befindlichen Komponenten (Stellantrieb oder Verbrennungskraftmaschine) ausfällt, ist die andere Komponente in der Lage, ausreichend Leistung an die Antriebswelle abzugeben, um einen sicheren Notbetrieb zu gewährleisten.

Zum Anlassen des Antriebes, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, nutzt die Regelung den Stellantrieb, welcher dann im unteren Drehzahlbereich ein großes

Drehmoment erzeugt.

Die Erfindung ermöglicht eine invasive Regelung für eine Verbrennungskraftmaschine, welche alleinstehend nicht die Latenzanforderungen vollbringen kann wie eine

Elektromaschine. Der mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelte Stellantrieb kann zwar über eine kurze Zeitspanne von einigen Minuten dieselbe oder eine höhere Leistung bereitstellen als die Verbrennungskraftmaschine, jedoch ist der Stellantrieb über eine lange Zeitspanne nicht in der Lage, die Leistung der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen. Dies ist insbesondere in der unterschiedlichen Energiedichte der verschiedenen

Speichersysteme begründet. Doch gerade die erfindungsgemäße Kombination von

Verbrennungskraftmaschine und einem vorzugsweise elektrischen Stellantrieb ermöglicht eine Regelung, welche die Verbrennungskraftmaschine in die Lage versetzt, sogar den Anforderungen eines Microcopters gerecht zu werden.

Der Antrieb ist dabei nicht auf einen einfachen Propeller beschränkt, sondern kann auch als ein Propellerturbinenluftstrahltriebwerk ausgeführt sein. Weiterhin kann der Antrieb auch mit Düsentriebwerken ausgestattet sein, um die Antriebleistung weiter zu erhöhen. Unter einer Verbrennungskraftmaschine sollen dabei im Sinne dieser Erfindung auch Turbinen oder Strahltriebwerke verstanden werden.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Antriebes, insbesondere für einen Propeller; Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kennlinien unterschiedlicher Maschinen; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Steuerung des Antriebes.

Figur 1 zeigt einen Antrieb 1 für eine mobile Vorrichtung 2, beispielsweise ein Luftfahrzeug, mit einem Propeller 3. Der Antrieb 1 umfasst eine Antriebswelle 4, eine mit der Antriebswelle 4 verbundene Verbrennungskraftmaschine 5 und einen Stellantrieb 6. Der Stellantrieb 6 ist eine Elektromaschine 16 mit einem Stator 7 und einem Rotor 8. Der Stator 7 ist drehfest mit der Vorrichtung 2 verbunden. Der Rotor 8 ist drehfest mit der Antriebswelle 4 verbunden. Die Verbrennungskraftmaschine 5 und der Stellantrieb 6 sind getriebelos mit der Antriebswelle 4 gekoppelt. Der Stellantrieb 6 dient der Beeinflussung von Drehmoment und/oder Drehzahl der Antriebswelle 4, insbesondere während die Verbrennungskraftmaschine 5 einen geforderten Sollwert von Drehmoment und/oder Drehzahl nicht bereitstellt. Hierdurch ist es möglich, den Antrieb 1 mit einer geringen Latenz und zugleich hoher Reichweite oder Laufzeit zu betreiben. Um die bei dem unterschiedlichen Verzögerungsverhalten von

Verbrennungskraftmaschine 5 und Stellantrieb 6 auftretenden hohen Drehmomente zwischen den beiden Komponenten des Antriebes 1 übertragen zu können, ist in der Antriebswelle 4 zwischen der Verbrennungskraftmaschine 5 und dem Stellantrieb 6 eine elastische oder starre Kupplung 9 angeordnet, die zu Wartungszwecken trennbar ausgeführt sein kann. Die Verbrennungskraftmaschine 5 hat eine Kurbelwelle 17. Abweichend von der dargestellten Anordnung kann die Reihenfolge der Verbrennungskraftmaschine 5 und des Stellantriebes 6 auch umgekehrt sein, sodass die Verbrennungskraftmaschine 5 dem

Propeller 3 benachbart angeordnet ist.

Figur 2 zeigt in einem Diagramm die Kennlinien unterschiedlicher Maschinen. In dem

Diagramm sind auf der horizontalen Achse 10 die Zeit und auf der vertikalen Achse 11 die Drehzahl angegeben. Mit einer durchgezogenen Linie ist die Anforderung 12 der Drehzahl dargestellt, welche sich im Zeitpunkt t ₀ von einem Ausgangswert A auf einen neuen Sollwert S ändert. Mit einer gestrichelten Linie ist die Kennlinie 13 einer allein betriebenen

Verbrennungskraftmaschine 5 dargestellt. Diese zeigt zwischen den Zeitpunkten t ₀ und ti keine Reaktion auf die Anforderung und zwischen den Zeitpunkten ti und t ₂ eine flache Annäherung zum Sollwert S. Das Verhalten der Verbrennungskraftmaschine 5 zwischen den Zeitpunkten t ₀ und ^wird Verzögerung oder Latenz genannt. Mit einer gepunkteten Linie ist die Kennlinie 14 einer allein betriebenen Elektromaschine 16 dargestellt. Diese zeigt eine weitgehend verzögerungsfreie, unmittelbare Reaktion auf die Anforderung 12.

Figur 3 zeigt schematisch ein Steuerungsverfahren für einen Antrieb 2 mit einer

Verbrennungskraftmaschine 5. Bei einer Änderung eines Sollwertes S von Drehmoment und/oder Drehzahl an der Antriebswelle 4 wird von einer Regelung 15 eine Elektromaschine 16 als Stellantrieb 6 so lange betrieben und eine zusätzliche Antriebsleistung bereitgestellt, bis von der Verbrennungskraftmaschine 5 ohne die Unterstützung durch den Stellantrieb 6 der neue Sollwert S bereitgestellt wird. So wird, beispielsweise während der Latenz der Verbrennungskraftmaschine 5, die Bewegung der Kurbelwelle 17 der

Verbrennungskraftmaschine 5 maßgeblich von der Elektromaschine 16 beeinflusst. Die bei einem generatorischen Betrieb der Elektromaschine 16 anfallende elektrische Energie wird in einem elektrischen Energiespeicher 18 gesammelt und für einen motorischen Betrieb der Elektromaschine 16 aus diesem entnommen.