Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Regelung eines solchen Hybridantriebssystems.

Ein solches System, sowie ein solches Verfahren sind aus der DE 101 37 908 A1 bekannt.

Ein Hybridantriebssystem wird sowohl für Straßenfahrzeuge als auch für Schienenfahrzeuge eingesetzt. Als Energiespeicher können eine Batterie oder ein Hochleistungskondensator die- nen.

Bedingt durch eine relativ kleine Energiedichte sinkt bei ei- nem Kondensator die Leerlaufspannung relativ schnell mit der Entladung. Bei einer Batterie hängt die Leerlaufspannung von verschiedenen Faktoren, wie Entladezustand, Vorgeschichte und Temperatur, ab. Bei einem Kondensator oder bei einer Batterie wird die Klemmenspannung des Energiespeichers zusätzlich zur Leerlaufspannung auch noch vom belastungsabhängigen Span- nungsabfall am eigenen Innenwiderstand bestimmt. Das führt dann zu einer niedrigen Zwischenkreisspannung, was sich nega- tiv auf den Betrieb des Antriebsmotors und des Generators auswirkt.

Es ist bereits bekannt, diesem Nachteil der niedrigen Span- nung entgegenzuwirken, indem ein hoher Stromfluss erzeugt wird, was aber schwere überdimensionale Bauteile erfordert.

Es ist auch schon bekannt, einen Energiespeicher über einen Hoch/Tiefsetzsteller an den Zwischenkreis anzuschließen. Dazu ist aber eine aufwändige teuere Elektronik erforderlich.

Schließlich ist aus der deutschen Patentanmeldung 101 37 908 bekannt, dass der Energiespeicher mit dem Zwischenkreis über einen Schalter verbunden sein kann. Der Energiespeicher kann dann, wenn er nicht benötigt wird, vom übrigen System abge- trennt werden, so dass sich die niedrige Spannung am Energie- speicher nicht nachteilig auf den Antrieb auswirken kann.

Es wird dabei jedoch in Kauf genommen, dass nach der Abtren- nung des Energiespeichers keine Leistung mehr aus dem Spei- cher entnommen werden kann. Insbesondere, falls der Speicher ein Hochleistungskondensator ist, kann seine Kapazität dann nicht vollständig genutzt werden. Das führt letztlich dazu, dass Verbrennungsmotor und Generator größer dimensioniert werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hybridantriebs- system und ein Verfahren zur Regelung des Hybridantriebssys- tems anzugeben, die weder eine Überdimensionierung von Bau- teilen, noch zusätzliche elektronische Komponenten erfordern und trotzdem die im Energiespeicher gespeicherte Energie vollständig nutzen können.

Die Aufgabe, ein geeignetes Hybridantriebssystem anzugeben, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Spannungs- zwischenkreis durch einen ersten Schalter in zwei Teilzwi- schenkreise teilbar ist und dass an jedem der beiden Teilzwi- schenkreise mindestens ein Antriebsmotor über einen dazugehö- rigen Motorumrichter angeschlossen ist.

Zum Betrieb der Umrichter ist eine Mindestzwischenkreisspan- nung erforderlich, die von der Drehzahl und vom Strom der An- triebsmotoren oder des Generators abhängt.

Durch Trennung des Spannungszwischenkreises in Teilzwischen- kreise wird der Vorteil erzielt, dass die beiden Teilzwi- schenkreise bei unterschiedlichem Spannungsniveau betrieben werden können. Wenn der erste Schalter zwischen den beiden Teilzwischenkreisen diese voneinander trennt, ist der Ener- giespeicher nämlich nur mit einem der beiden Teilzwischen- kreise verbunden und die Antriebsmotoren am anderen Teilzwi- schenkreis können unabhängig von der am Energiespeicher an- liegenden Spannung arbeiten. Nur die Antriebsmotoren, die am Teilzwischenkreis, der mit dem Energiespeicher in Verbindung steht, angeschlossen sind, arbeiten mit verminderter Leis- tung. Das stört jedoch nicht, da die anderen Antriebsmotoren diese Leistungsminderung ausgleichen können.

Ist ein Betrieb an einem gemeinsamen nicht geteilten Zwi- schenkreis möglich, was gegeben ist, wenn die Spannung am Energiespeicher, wie z. B. beim Bremsen, über der Mindestzwi- schenkreisspannung liegt, sollten die beiden Teilzwischen- kreise sinnvollerweise über den ersten Schalter miteinander verbunden sein. Dazu müssen zunächst die Spannungen in beiden Teilzwischenkreisen durch eine geschickte Spannungsregelung angeglichen werden.

Es wird der Vorteil erzielt, dass sich eine niedrige Spannung am Energiespeicher nicht nachteilig auf das Antriebssystem auswirken kann.

Der erste Schalter ist beispielsweise ein Halbleiterschalter.

Er enthält zum Beispiel eine inverse Diode. Er kann im Um- richter integriert sein. Dadurch erzielt man einen Kostenvor- teil.

Beispielsweise ist der Energiespeicher mit dem Spannungszwi- schenkreis direkt oder über einen zweiten Schalter verbunden.

Die Aufgabe, ein geeignetes Verfahren zur Regelung des Hyb- ridantriebssystems anzugeben, wird gemäß der Erfindung da-

durch gelöst, dass, wenn die Spannung am Energiespeicher niedriger als die zumindest erforderliche Zwischenkreisspan- nung ist, der erste Schalter zwischen den beiden Teilzwi- schenkreisen die Verbindung unterbricht und dass der erste Schalter sonst durchlässig ist.

Es wird der Vorteil erzielt, dass sich eine zeitweise nied- rige Spannung am Energiespeicher nur auf eines der beiden An- triebsmotorsysteme auswirken kann. Gegenüber einer festen Kopplung der beiden Teilzwischenkreise ergibt sich der Vor- teil einer höheren Leistung des Gesamtsystems. Wann der erste Schalter geschlossen und wann er geöffnet ist, hängt prinzi- piell von der Dimensionierung des Gesamtsystems und der Ver- wendung der Komponenten des Gesamtsystems ab. Der Zeitpunkt, ab dem die Teilzwischenkreise durch den ersten Schalter ge- trennt werden, wird durch die Spannung am Energiespeicher be- stimmt.

Sinkt die Spannung am Energiespeicher derart ab, dass die An- triebsmotoren oder der Generator aufgrund der geringeren Spannung nicht mehr ihre Nennleistung abgeben können, werden die beiden Teilzwischenkreise getrennt.

Um die Trennung vorzunehmen, wird folgendes Verfahren ange- wendet : Es wird die momentane Leistung des Diesel-Generator- Sets voll in die Antriebsmotoren eingespeist, die dem glei- chen Teilzwischenkreis zugeordnet sind. Die Leistung der An- triebsmotoren des anderen Teilzwischenkreises wird derart ge- wählt, dass sich für das Gesamtsystem keine Leistungsänderung ergibt. Damit wird erreicht, dass über den ersten Schalter nahezu kein Strom fließt.

Es wird der Vorteil erzielt, dass die Umschaltung ohne Ein- fluss auf den Arbeitspunkt des Dieselmotors und dem daran an- geschlossenen Generator sowie unter Beibehaltung der System- leistung des Gesamtsystems durchgeführt wird.

Sind die beiden Teilzwischenkreise getrennt, wird das Span- nungsniveau im mit dem Generatorumrichter verbundenen Teil- zwischenkreis soweit angehoben, dass dieses Teilsystem im op- timalen Arbeitspunkt arbeitet. Der geforderte Leistungsaufbau wird jetzt über die Erhöhung der Leistung in diesem Teilsys- tem durchgeführt, um die Gesamttraktionsleistung bis an das Maximum zu führen. Je nach Systemkonfiguration kann dies nach unterschiedlichen Algorithmen efolgen.

Erhöht sich die Spannung am Energiespeicher wieder, so dass mit dieser Spannung das Gesamtsystem an einem gemeinsamen Zwischenkreis betrieben werden könnte, werden die beiden Teilzwischenkreise über den ersten Schalter wieder zusammen- geschaltet. Bevor der erste Schalter zwischen den beiden Teilzwischenkreisen wieder durchlässig geschaltet wird, wer- den die Spannungen an den beiden Teilzwischenkreisen angegli- chen, damit keine zu großen Ausgleichsströme fließen.

Beispielsweise werden, bevor mit dem ersten Schalter die Ver- bindung getrennt wird, die Leistungen der Antriebsmotoren derart geregelt, dass der Schalter nahezu stromlos wird.

Bevor der erste Schalter durchlässig geschaltet wird, werden beispielsweise die Spannungen an den beiden Teilzwischenkrei- sen angeglichen.

Zur Angleichung der Spannungen wird z. B. die Spannung im ers- ten Teilzwischenkreis, der mit dem Generatorumrichter verbun- den ist, mit einem Spannungsregler heruntergeregelt.

Nach einem anderen Beispiel wird zur Angleichung der Spannun- gen die Spannung im zweiten Teilzwischenkreis, der mit dem Energiespeicher verbunden ist, durch Entlasten mindestens ei- nes Antriebsmotors, dessen zugehöriger Motorumrichter an die- sem zweiten Teilzwischenkreis angeschlossen ist, erhöht.

Beispielsweise wird die Spannung am zweiten Teilzwischen- kreis, der mit dem Energiespeicher verbunden ist, erhöht, in- dem mindestens ein Antriebsmotor, dessen zugehöriger Motorum- richter an diesem zweiten Teilzwischenkreis angeschlossen ist, geringfügig abgebremst wird, wodurch im generatorischen Betrieb elektrische Energie erzeugt wird.

Dieses Verfahren wird insbesondere dann angewendet, wenn, wie in der DE 101 37 908 AI beschrieben, der Energiespeicher über den zweiten Schalter vom Zwischenkreis getrennt werden soll und die Antriebsmotoren rein aus dem Verbrennungsmotor ihre Leistung beziehen sollen (dieselelektrischer Betrieb). Sind in diesem Fall die zwei Teilzwischenkreise vorher getrennt gewesen, und soll dann der Energiespeicher noch zusätzlich abgetrennt werden, müssen die beiden Teilzwischenkreise so- fort nach Abtrennung des Energiespeichers wieder zusammenge- schlossen werden. Um zuvor die Spannungen der Teilzwischen- kreise einander anzupassen, wird die Spannung U2 am Teilzwi- schenkreis, der dem Energiespeicher zugeordnet ist (zweiter Teilzwischenkreis) der Spannung U1 am Teilzwischenkreis, der mit dem Generatorumrichter verbunden ist (erster Teilzwi- schenkreis) angepasst. Dies kann bei offenen Schaltern nur durch Aufnahme von Bremsenergie durch die Antriebsmotoren im zweiten Teilzwischenkreis geschehen. Hierzu wird vorteilhaft- erweise durch einen überlagerten Spannungsregler ein geringes Bremsmoment, welches sich nicht störend auf das Fahrverhalten auswirkt, in die Fahrmotoren des zweiten Teilzwischenkreises eingeprägt und die Spannung U2 wird auf den Wert der Spannung U1 geregelt. Wenn beide Spannungen ungefähr gleich sind, kann der erste Schalter geschlossen werden.

Ein Ausführungsbeispiel für ein Hybridantriebssystem und ein Verfahren zur Regelung eines solchen Hybridantriebssystems nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt ein Hybridantriebssystem mit zwei Teil- zwischenkreisen und zwei Antriebsmotoren : Das Hybridantriebssystem nach der Zeichnung besteht aus einem Verbrennungsmotor 1, insbesondere einem Dieselmotor, einem Generator 2, zwei Teilzwischenkreisen 3 und 4, zwei Antriebs- motoren 5 und 6 und einem Energiespeicher 7, der im gezeigten Beispiel ein Kondensator ist. Der erste Teilzwischenkreis 3 ist über einen ersten Schalter 8 mit dem zweiten Teilzwi- schenkreis 4 verbunden. Der erste Schalter 8 besteht aus ei- ner Diode 9 mit Durchlassrichtung zum ersten Teilzwischen- kreis 3 hin und einem parallel zur Diode 9 angeordneten lei- tend und sperrend schaltbaren Transistor 10 mit Durchlass- richtung zum zweiten Teilzwischenkreis 4 hin. Zur Regelung der Spannung U1 am ersten Teilzwischenkreis 3 ist ein nicht gezeigter Spannungsregler vorhanden. Auch zur Regelung der Spannung U2 am zweiten Teilzwischenkreis 4 ist ein nicht ge- zeigter Spannungsregler vorhanden.

Der zweite Teilzwischenkreis 4 und der mit ihm verbundene An- triebsmotor 6 werden von der Spannung am Energiespeicher 7 beeinflusst. Zwischen dem Energiespeicher 7 und dem zweiten Teilzwischenkreis 4 befindet sich ein zweiter Schalter 11.

Wenn dieser zweite Schalter 11 geschlossen ist, können der erste Teilzwischenkreis 3 und der mit ihm verbundene zusätz- liche Antriebsmotor 5 durch Öffnen des ersten Schalters 8 von der am zweiten Teilzwischenkreis 4 anliegenden Energiespei- cherspannung U3 getrennt werden.

Beim Entladen des Energiespeichers 7 kann über die Diode 9 ein Strom zum ersten Teilzwischenkreis 3 und damit zum zu- sätzlichen Antriebsmotor 5 fließen. Damit sich eine Spannung am Energiespeicher 7, die niedriger als die Mindestzwischen- kreisspannung ist, nicht negativ auswirkt, wird der Transis- tor 10 geöffnet und das Spannungsniveau am ersten Teilzwi- schenkreis 3 wird über einen nicht dargestellten Spannungs- regler erhöht. Die Diode 9 geht dann in Sperrung, so dass der erste Teilzwischenkreis 3 elektrisch vom zweiten Teilzwi- schenkreis 4 getrennt ist. Die beiden Teilzwischenkreise 3 und 4 können dann bei unterschiedlichen Spannungsniveaus be- trieben werden, so dass sich die Spannung U3 am Energiespei- cher 7 nur auf den zweiten Teilzwischenkreis 4 und nicht auf den ersten Teilzwischenkreis 3 auswirken kann. Ein möglicher Leistungsverlust des Antriebsmotors 6 wird dann durch eine zusätzliche Leistung des zusätzlichen Antriebsmotors 5 ausge- glichen.

Wenn das Fahrzeug abgebremst werden soll und die kinetische Energie durch den generatorischen Betrieb der Antriebsmotoren 5 und 6 in elektrische Energie umgewandelt werden soll, wird die Spannung U1 im ersten Teilzwischenkreis 3 kurzzeitig auf die Spannung U2 im zweiten Teilzwischenkreis 4 erniedrigt und der Transistor 10 des ersten Schalters 8 wird leitend ge- schaltet. Dann kann auch vom zusätzlichen Antriebsmotor 5 ausgehende elektrische Energie im Energiespeicher 7 abgespei- chert werden.

Dadurch, dass der Energiespeicher 7 nur vom ersten Teilzwi- schenkreis 3 und nicht vom zweiten Teilzwischenkreis 4 abge- trennt wird, wird vorteilhafterweise eine Restladung des Energiespeichers 7 während des Fahrbetriebes nicht im Ener- giespeicher 7 belassen. Der Betrieb des Fahrzeuges ist folg- lich energetisch günstiger als bei Einsatz eines bisher be- kannten Hybridantriebssystems.

Nur beispielsweise kann der Energiespeicher 7 zusätzlich vom zweiten Teilzwischenkreis 4 über den zweiten Schalter 11 ab- getrennt werden, der in seiner Funktion dem ersten Schalter 8 entspricht. Der zweite Schalter 11 wird dann geöffnet, wenn alle Verbraucher ausschließlich über den Verbrennungsmotor 1 gespeist werden (dieselelektrischer Betrieb).

Beispielsweise kann dem zweiten Teilzwischenkreis 4 ein Hilfs-Antriebsmotor 12 zugeordnet sein, der den Antriebsmotor 6 unterstützt.

Es wird mit dem Hybridantriebssystem und dem Regelungsverfah- ren der Vorteil erzielt, dass im Fahrbetrieb die im Energie- speicher 7 gespeicherte Restenergie vollständig eingesetzt werden kann und dass trotzdem der Antrieb, insbesondere der zusätzliche Antriebsmotor 5 in seiner Leistung durch die niedrige Spannung am Energiespeicher 7 nicht beeinträchtigt werden kann. Die fehlende Leistung des Antriebsmotors 6 wird im Fahrbetrieb durch eine zusätzliche Leistung des zusätzli- chen Antriebsmotors 5 kompensiert.