AT512852B1 - Range-Extender für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Range-Extender-System (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug, aufweisend: - einen ersten elektromechanischen Energiewandler (2); und - eine Verbrennungskraftmaschine (3), die mit dem ersten elektromechanischen Energiewandler (2) zur Leistungsübertragung koppelbar ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine (3) zusätzlich mit Rädern (11a, 11b) des Kraftfahrzeugs durch den Schleppbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (3) abbremsbar ist.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Range-Extender-System für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug, welches einen ersten elektromechanischen Energiewandler und eine Verbrennungskraftmaschine umfasst, die mit dem ersten elektromechanischen Energiewandler koppelbar ist, wobei das Kraftfahrzeug einen zweiten elektromechanischen Energiewandler zum Antrieb des Kraftfahrzeugs umfasst.

[0002] Ein Range-Extender-System gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise mit einem Verfahren zum Betrieb eines Range-Extender-Systems zu betreiben.

[0003] Als Range-Extender bezeichnet man zusätzliche Aggregate in einem Elektrokraftfahrzeug, die in der Regel aus einem Verbrennungsmotor bestehen, welcher einen Generator antreibt, um eine Energiespeichereinrichtung bzw. einen Elektromotor mit elektrischer Energie zu versorgen.

[0004] Elektrokraftfahrzeuge sind elektromotorisch angetriebene Kraftfahrzeuge. Zur Energieversorgung werden üblicherweise Akkumulatoren bzw. Batterien als Energiespeichereinrichtungen eingesetzt, welche ortsgebunden über das Stromnetz oder mobil über einen Range-Extender oder Solarmodule aufgeladen werden können. In der Regel sind die Stromverbraucher (Elektromotoren, Klimaanlage, etc.), die Stromversorger (Generatoren, Solarmodule, etc.) und die Energiespeichereinrichtung des Elektrokraftfahrzeugs über eine Leistungselektronik, insbesondere einen Umrichter, an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, der die unterschiedlichen Stromsysteme der Versorgerseite von der Verbraucherseite entkoppelt.

[0005] Bei Elektrokraftfahrzeugen mit einem Range-Extender wird die Verbrennungskraftmaschine des Range-Extenders in der Regel während der Fahrt ohne unmittelbare Einwirkung des Fahrers, insbesondere in Abhängigkeit vom Ladezustand der Energiespeichereinrichtung, üblicherweise einem elektrochemischen Energiespeicher bzw. einem Akkumulator, gestartet und abgestellt. Das Starten erfolgt in der Regel mittels eines ersten elektromechanischen Energiewandlers, üblicherweise einer Elektromaschine. Der erste elektromechanische Energiewandler weist üblicherweise wenigstens zwei Betriebsmodi auf, welche durch eine entsprechende Steuerungselektronik gesteuert werden: Der Generatormodus ist der Normalbetrieb des Range-Extenders. Umgekehrt kann dieser aber auch in einem Motormodus betrieben werden. Dieser Motormodus wird üblicherweise genutzt, um die Verbrennungskraftmaschine zu starten.

[0006] Bei einem solchen Startvorgang verursacht der elektromechanische Energiewandler Geräusche, da in der Regel in kurzer Zeit eine hohe Leistung aufgebracht werden muss, um die Verbrennungskraftmaschine zu starten. Ferner muss der elektromechanische Energiewandler so ausgelegt sein, dass er sowohl im Generatormodus als auch im Motormodus betrieben werden kann, Anforderungen, die in schwieriger Weise gleichzeitig zufriedenstellend zu erfüllen sind. Die Leistungselektronik weist hierfür einen Umrichter für zumindest einen Zweiquadrantenbetrieb des elektromechanischen Energiewandlers auf, damit dieser die Verbrennungskraftmaschine starten kann.

[0007] Beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine, das heißt nach Verbrennungsende, wird diese durch die im Range-Extender entstehenden Verluste gebremst, wodurch, je nach vorheriger Antriebsdrehzahl des Range-Extenders, verschieden große Drehwinkel der Welle der Verbrennungskraftmaschine zurückgelegt werden. Somit befindet sich deren Kolben in der Regel in keiner vordefinierten Lage. Diese Lage muss bei einem Neustart der Verbrennungskraftmaschine bestimmt werden und gegebenenfalls muss der Kolben der Verbrennungskraftmaschine in die richtige Lage für den Startvorgang gebracht werden.

[0008] Insbesondere kann es bei einem nicht definierten Ablegen des Rotationskolbens bzw. Rotors einer Rotationskolbenmaschine als Verbrennungskraftmaschine Vorkommen, dass Schmierstoffe, zumindest teilweise, in der Rotationskolbenmaschine verbleiben und bei längerem Stillstand aus dem vorhergesehenen Schmierstoffraum austreten. Dabei lässt es sich im Falle, dass die Verbrennungskraftmaschine eine herkömmliche Rotationskolbenmaschine ist, in der Regel nicht vermeiden, dass im Rotationskolben verbleibende Schmierstoffe bei längerem Stillstand der Rotationskolbenmaschine trotz entsprechender Dichtmittel in die Arbeitskammern der Rotationskolbenmaschine gelangen. Bei einem Starten der Rotationskolbenmaschine können diese Schmierstoffe dann während des Arbeitsprozesses verbrennen, was zu einer erhöhten Abgasemission führen kann.

[0009] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Range-Exten-der-System sowie ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines solchen Range-Extender-Systems und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Range-Extender-System zu schaffen, welche die genannten Erscheinungen im Range-Extender-System verringern.

[0010] Das wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0011] Bei dem Range-Extender-System gemäß der Erfindung ist die Verbrennungskraftmaschine zusätzlich mit den Rädern des Kraftfahrzeugs in der Weise zur Leistungsübertragung koppelbar, dass das Kraftfahrzeug durch den Schlepptrieb der Verbrennungskraftmaschine abbremsbar ist.

[0012] Ein Kraftfahrzeug im Sinne der Erfindung ist ein mobiles Verkehrsmittel, das dem Transport von Gütern, Werkzeugen oder Personen dient und maschinell angetrieben wird.

[0013] Die Erfindung ist bei allen Arten von Range-Extender-Systemen für Kraftfahrzeuge anwendbar, welche aus einer Verbrennungskraftmaschine, bei welcher sich ein Kolben in einem Arbeitsraum bewegt, und einem elektromechanischen Energiewandler, welcher als elektrischer Motor und/oder als elektrischer Generator einsetzbar ist, besteht.

[0014] Unter einem Elektrokraftfahrzeug im Sinne der Erfindung ist bevorzugt ein Kraftfahrzeug zu verstehen, welches mit elektrischer Energie aus einer Energiespeichereinrichtung, vorzugsweise ein elektrochemischer Energiespeicher bzw. ein Akkumulator, betrieben wird, ist der Akku bzw. die Batterie entleert, muss diese, entweder über das Stromnetz oder eine mobile Versorgungseinrichtung, vorzugsweise ein Range-Extender oder ein Solarmodul, wieder aufgeladen werden. Im Falle eines Elektrokraftfahrzeugs mit Range-Extender-System umfasst das Kraftfahrzeug in der Regel einen ersten elektromechanischen Energiewandler, welcher Teil des Range-Extender-Systems ist und überwiegend als Generator dient und einen zweiten elektromechanischen Energiewandler, der Teil des Antriebsstrangs ist und überwiegend als Motor dient.

[0015] Ein elektromechanischer Energiewandler im Sinne der Erfindung dient zur Umformung von elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt. Zu diesen zählen insbesondere Elektromotoren und elektrische Generatoren. Je nach Richtung der übertragenen Leistung wird bei den elektromechanischen Energiewandlern zwischen Motorbetrieb, dabei wird Leistung von der elektrischen Seite zu der mechanischen Seite übertragen, und dem Generatorbetrieb, mit gegensinnigem Leistungsfluss, unterschieden.

[0016] Unter einer Verbrennungskraftmaschine im Sinne der Erfindung sind Wärmekraftmaschinen zu verstehen, die über einen Verbrennungsvorgang chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie umwandeln. Beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine wird gewöhnlich durch die Expansion eines Luftbrennstoffgemisches bei der Verbrennung in einer Arbeitskammer ein üblicherweise als Kolben bezeichnetes Antriebselement aus dem Brennraum verdrängt, wodurch dieser eine Antriebswelle in Bewegung, vorzugsweise in Rotation, versetzt.

Ein Rad im Sinne der Erfindung ist ein scheibenförmiger Gegenstand mit idealerweise kreisförmiger Kontur, der um seine Symmetrieachse drehbar gelagert ist. Das Rad eines Kraftfahrzeugs weist in der Regel einen Reifen auf.

[0017] Unter einer Kopplung im Sinne der Erfindung ist bevorzugt zu verstehen, dass zwischen zwei verschiedenen gekoppelten Elementen eine Leistungsübertragung stattfindet, bevorzugt durch eine mechanische, fluidmechanische, hydromechanische oder eine magnetische Kopplung.

[0018] Das erfindungsgemäße Range-Extender-System kann über den mechanischen Durchtrieb von den Rädern zum Range-Extender-System in der ungefeuerten Betriebsart, d.h. im Schleppbetrieb, der Verbrennungskraftmaschine betrieben werden.

[0019] Durch diesen Betrieb kann einerseits das Kraftfahrzeug gebremst werden, beispielsweise beim Anhalten oder bei einer Bergabfahrt. Dies ist insbesondere bei langer Bremsdauer, wie bei einer langen Bergabfahrt, vorteilhaft, wenn die Energiespeichereinrichtung keine Aufnahmekapazitäten mehr hat und eine Bremsung über den Generatorbetrieb des zweiten elektromechanischen Energiewandler nicht mehr möglich ist.

[0020] Andererseits kann ein Teil der Bremsenergie durch den ersten elektromechanischen Energiewandler rekuperiert werden. Eine Rekuperation von Energie durch den zweiten elektromechanischen Energiewandler, welcher Teil des Antriebsstrangs ist und in erster Linie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dient, ist somit nicht mehr notwendig. Es kann also vorgesehen werden, dass der zweite elektromechanische Energiewandler nur noch als Motor dient, wodurch die Leistungselektronik zur Steuerung desselbigen wesentlich vereinfacht werden kann.

[0021] Bevorzugterweise kann die Verbrennungskraftmaschine über die Kopplung zu den Rädern mittels eines Impulsstartverfahrens gestartet werden: Befindet sich das Kraftfahrzeug in Fahrt, so kann die Verbrennungskraftmaschine durch eine kurze Kraftübertragung von den Rädern gestartet werden. Ein Startvorgang über den ersten elektromechanischen Energiewandler oder sogar einen zusätzlichen Anlasser ist nicht notwendig. Hierdurch wird einerseits elektrische Energie eingespart, andererseits entstehen auch keine Elektromotorengeräusche beim Startvorgang des Range-Extenders.

[0022] Bevorzugterweise kann die Kopplung von der Verbrennungskraftmaschine und den Rädern des Kraftfahrzeugs dazu genutzt werden, dass die Drehmomente der Verbrennungskraftmaschine und/oder des damit gekoppelten ersten elektromechanischen Energiewandlers mit dem Moment des zweiten elektromechanischen Energiewandlers addiert werden. Dies ermöglicht es, hohe Drehmomente für den Traktionsantrieb bereitzustellen, wodurch eine große Beschleunigung erreicht wird.

[0023] Schließlich kann der Kolben einer Verbrennungskraftmaschine oder der Rotationskolben bzw. Rotor einer Rotationskolbenmaschine, vorzugsweise der Rotor eines Wankelmotors, über die Kopplung mit den Rädern in einer definierten Enddrehstellung abgelegt werden. Diese Enddrehstellung kann dabei so gewählt werden, dass eine maximale Füllhöhe in einem Volumen, welches sich im Betrieb der Rotationskolbenmaschine wenigstens teilweise mit einer Flüssigkeit füllt, einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Dies hat zur Folge, dass die nach dem Abstellen der Rotationskolbenmaschine im Volumen verbleibende Flüssigkeitsmenge im Vergleich zum herkömmlichen System reduziert wird, insbesondere möglichst gering gehalten wird. Als Ergebnis kann auch die in der anschließenden Stillstandzeit der Rotationskolbenmaschine aus dem Volumen austretende Flüssigkeitsmenge reduziert werden. Daher ist es vorteilhaft, eine Rotationskolbenmaschine in einer definierten Enddrehstellung anzuhalten. Wird die Rotationskolbenmaschine nicht in dieser definierten Enddrehstellung angehalten, so kann sie vorzugsweise über die Kopplung mit den Rädern in möglichst kurzer Zeit nach dem Anhalten in diese Stellung gebracht werden, damit längere Stillstandzeiten in einer Undefinierten Enddrehstellung vermieden werden.

[0024] Flüssigkeitsverluste durch längere Stillstandzeiten werden auch dadurch reduziert, dass längere Stillstandzeiten des Range-Extenders vorteilhafterweise bei dem erfindungsgemäßen Range-Extender-System gar nicht auftreten. Vielmehr wird das Range-Extender-System über die Kopplung mit den Rädern regelmäßig für den Abbau der Energie bei Bremsvorgängen eingesetzt. Dadurch wird auch ein Verschleiß an einander liegenden Bereichen im Kolben vermieden, welche oftmals auftreten, wenn die Verbrennungskraftmaschine im Ruhezustand in derselben Enddrehstellung Stößen und Vibrationen über einen längeren Zeitraum ausgesetzt ist.

[0025] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der Kopplung der Verbrennungskraftmaschine mit dem ersten elektromechanischen Energiewandler eine Drehmoment- Übertragungseinrichtung, bevorzugt eine schaltbare Kupplung, und/oder der Verbrennungskraftmaschine mit den Rädern eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung, bevorzugt eine schaltbare Kupplung, angeordnet.

[0026] Eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zur Übertragung von Drehmomenten zwischen Wellen, insbesondere eine schaltbare Kupplung.

[0027] Nach dieser Weiterbildung der Erfindung kann die Verbrennungskraftmaschine zusammen oder getrennt mit dem ersten elektromechanischen Energiewandler betrieben werden. Somit kann die Energie, welche beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs aufgenommen werden muss, in dem Fall, in welchem die Energiespeichereinrichtung des Kraftfahrzeugs vollständig geladen ist, im Schleppbetrieb der Verbrennungskraftmaschine abgebaut werden.

[0028] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbrennungskraftmaschine eine Rotationskolbenmaschine.

[0029] Unter einer Rotationskolbenmaschine im Sinne der Erfindung ist bevorzugt eine Einrichtung zu verstehen, bei welcher ein vorzugsweise im Wesentlichen dreieckiger Kolben bzw. Rotor während des Betriebs der Brennkraftmaschine in deren Gehäuse eine Rotation um eine Hauptachse ausführt, wobei sich der Kolben um seine eigene Achse dreht, welche sich aber auch zusätzlich auf einer bevorzugt eigenen Kreisbahn bewegt. Anders ausgedrückt führt der Kolben eine planetenartige Bewegung um die Hauptachse aus. Vorteilhaft an der Verwendung einer Rotationskolbenmaschine als Verbrennungskraftmaschine ist eine höhere Laufruhe einer solchen Maschine im Vergleich mit einer Hubkolbenmaschine. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine solche Rotationskolbenmaschine ein Wankelmotor. Die Erfindung kann auch bei Rotationskolbenmaschinen mit zwei, drei oder mehr nebeneinander angeordneter Kolben eingesetzt werden. Ferner kann die Erfindung auch bei jeder anderen Art von Verbrennungskraftmaschinen, wie vorzugsweise einer Hubkolbenmaschine, verwendet werden.

[0030] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbrennungskraftmaschine und die Räder über einen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs gekoppelt, so dass ein zweiter elektromechanische Energiewandler, der in erster Linie zum Traktionsantrieb des Kraftfahrzeug dient, zum Starten der Verbrennungskraftmaschine einsetzbar ist und wobei der erste elektromechanische Energiewandler bevorzugt ein ausschließlicher Generator ist.

[0031] Unter Antriebsstrang im Sinne der Erfindung ist bevorzugt die Anordnung und das Zusammenwirken von Antriebselementen für ein Kraftfahrzeug zu verstehen. Dies sind in der Regel die Komponenten Traktionsmotor, Getriebe, Differenzial und Antriebsachsen.

[0032] Die Verbrennungskraftmaschine des Range-Extenders kann in dieser Ausgestaltung über die Kopplung bzw. den mechanischen Durchtrieb vom Antriebsstrang von dem zweiten elektromechanischen Energiewandler gestartet werden. Somit braucht der erste elektromechanische Energiewandler nicht mehr im Motorbetrieb betrieben werden. Durch die Tatsache, dass sowohl der erste, als auch der zweite elektromechanische Energiewandler nur noch in einem Betriebsmodus, Generator beziehungsweise Motor, betrieben werden müssen, können erhebliche Teile der Leistungselektronik des jeweiligen elektromechanischen Energiewandlers eingespart oder zumindest vereinfacht werden. Dies führt zu großen Kosteneinsparungen.

[0033] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Range-Extender-System einen Anlasser zum Starten der Verbrennungskraftmaschine.

[0034] Ein Anlasser ist im Sinne der Erfindung ein Starter, der auch unter ungünstigen Bedingungen die für die Verbrennungskraftmaschine erforderliche Startdrehzahl bereitstellt.

[0035] Der Anlasser ist dabei mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt. Durch das Einführen eines Anlassers wird der erste elektromechanische Energiewandler, welcher Teil des Ran-ge-Extender-Systems ist, von seiner Motorfunktion freigestellt, da für das Starten der Verbrennungskraftmaschine nunmehr der Anlasser eingesetzt wird. Sämtliche Leistungselektronik, die sich auf den motorischen Betrieb des ersten elektromechanischen Energiewandlers bezieht, kann somit eingespart werden. Der Umrichter, welcher einerseits Gleichspannung aus dem

Gleichspannungszwischenkreis in Wechselspannung zum Betrieb des ersten elektromechanischen Energiewandler im Motormodus und andererseits von dem ersten elektromechanischen Energiewandler im Generatormodus generierte Wechselspannung zur Einspeisung in den Gleichspannungszwischenkreis in Gleichspannung umwandelt, kann daher durch einen einfachen und kostengünstigen Gleichrichter ersetzt werden.

[0036] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Leistungselektronik zwischen dem ersten elektromechanische Energiewandler und einem Zwischenkreis einen passiven Gleichrichter, insbesondere eine B6-Brückenschaltung, auf.

[0037] Vorzugsweise weist die Leistungselektronik noch einen zusätzlichen EMV-Filter auf. Durch den Einsatz eines passiven Gleichrichters entfällt der elektronische Ansteuerungsaufwand zur Gleichrichtung. Vorteilhafterweise kann der passive Gleichrichter gemeinsam mit dem EMV-Filter in das Anschlussgehäuse des elektromechanischen Energiewandlers integriert werden. Eine wechselspannungsseitige Stromwerterfassung zur Steuerung des Gleichrichters ist somit nicht mehr notwendig. Vielmehr verbleibt nur noch eine einzige gleichsspannungs-seitige Stromwerterfassung, die von dem Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine eingelesen wird. Die Regelung des gleichgerichteten Stroms bzw. der Leistungsabgabe an die Energiespeichereinrichtung erfolgt mittels Drehzahlregelung der Verbrennungskraftmaschine durch das Steuergerät. Bevorzugterweise kann ein Diodengleichrichter zum Einsatz kommen, noch bevorzugter ein B6-Brückenschaltung.

[0038] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste elektromechanische Energiewandler eine selbsterregte Asynchronmaschine.

[0039] Durch den Einsatz einer Asynchronmaschine werden gegenüber einer permanenterregten Synchronmaschine Kosten eingespart. So sind die Herstellungskosten der Asynchronmaschine deutlich geringer und es besteht keine Abhängigkeit von der Lieferung von Seltenerdmaterialien, welche zur Herstellung der Permanentmagnete in permanenterregten Synchronmaschinen benötigt werden. Ferner handelt es sich bei der Asynchronmaschine um eine robuste Konstruktion, welche nicht der Gefahr einer Entmagnetisierung unterliegt und hohe Überlastungstoleranzen aufweist. Im ausschließlichen Generatorbetrieb kann die Asynchronmaschine zusätzlich selbsterregt betrieben und ein passiver Gleichrichter zum Zwischenstromkreis verwendet werden, wodurch ebenfalls Kosten eingespart werden können.

[0040] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, welche alternativ zu der vorangegangenen Ausgestaltung umgesetzt werden kann, ist der elektromechanische Energiewandler eine Reluktanzmaschine. Auch diese verursacht deutlich geringere Herstellungskosten als eine permanenterregte Synchronmaschine und ist äußerst robust, wobei auch hier die Gefahr einer Entmagnetisierung nicht vorliegt und höhere Überlastbarkeitstoleranzen als bei der permanenterregten Synchronmaschine gegeben sind.

[0041] Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Range-Extender-System gemachten Ausführungen zu den Merkmalen, Vorteilen und Begriffsdefinitionen gelten für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Range-Extender-Systems in entsprechender Weise.

[0042] In dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kommt ein Range-Extender-System wie im Vorhergehenden beschrieben zum Einsatz.

[0043] Obige sowie weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen: [0044] Figur 1 eine schematische Darstellung eines Range-Extender-Systems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; [0045] Figur 2 eine Range-Extender-System gemäß einer zweiten Ausführungsform der

Erfindung; [0046] Figur 3 eine schematische Darstellung eines Range-Extender-Systems gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und [0047] Figur 4 eine schematische Darstellung eines Range-Extender-Systems gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

[0048] Figur 5 eine schematische Darstellung eines passiven Gleichrichters zum Gleichrich ten der von dem Range-Extender-System erzeugten elektrischen Energie.

[0049] Bezug nehmend auf Figur 1 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Die Erfindung wird dabei am Beispiel eines Range-Extender-Systems 1 mit Rotationskolbenmotor mit einem im Wesentlichen dreieckförmigen Rotationskolben bzw. Rotor als Verbrennungskraftmaschine beschrieben. In dieser Darstellung ist die Scheibe der Rotationskolbenmaschine in die Bildebene gedreht, wodurch sowohl die Dreiecksform des Rotationskolbens bzw. Rotors als auch die Trochoidenform des Motorblocks sichtbar werden.

[0050] Das Range-Extender-System 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst einen Range-Extender, welcher wiederum einen Rotationskolbenmotor 3 mit einem dreieckförmigen Rotationskolben 10 und einen ersten elektromechanischen Energiewandler 2 aufweist. Die Rotationskolbenmaschine 3 ist mit dem ersten elektromechanischen Energiewandler 2 koppelbar. Die Kopplung 12 ist in jeder geeigneten Weise ausgeführt, um Leistung der Rotationskolbenmaschine 3, insbesondere über das Drehmoment der Welle 14, auf den Rotor 15 des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 zu übertragen. Vorzugsweise wird eine mechanische Verbindung eingesetzt, insbesondere eine starre Verlängerung der Welle 14, wobei dann der Rotor 15 des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 und der Exzenter der Rotationskolbenmaschine bevorzugt auf derselben Welle 14 liegen.

[0051] Zusätzlich ist die Rotationskolbenmaschine 3 über ein Differenzial 5, eine Antriebswelle 6 und eine Achse 7 mit den Rädern 11a, 11b zur Leistungsübertragung koppelbar. Auch diese Kopplung 13 ist bevorzugt in der Weise ausgeführt, um ein Drehmoment von der Rotationskolbenmaschine 3 zu den Rädern 11a, 11b und/oder in umgekehrter Richtung zu übertragen. Vorzugsweise ist die Kopplung 13 eine Welle. Die Kopplung 13 könnte aber auch ein Zugmittelgetriebe oder jede andere Form der Übertragung eines Drehmoments sein. Die Kopplung 13 ist bevorzugt in der Weise ausgebildet, dass diese unterbrochen werden kann.

[0052] Bevorzugterweise erfolgt die Kopplung der Rotationskolbenmaschine 3 mit jenen Rädern 11a, 11b eines Antriebsstrangs 4, 5, 6, 7 die von einer zweiten elektromechanischen Energiewandler 4 angetrieben werden. Noch bevorzugter erfolgt die Kopplung jedoch mit jenen Rädern, die nicht Teil dieses Antriebsstrangs sind und daher nicht durch den zweiten elektromechanischen Energiewandler 4 angetrieben werden.

[0053] Ist ein Kraftfahrzeug mit einem Range-Extender-System 1 gemäß der ersten Ausführungsform in Fahrt, d.h., es weist eine gewisse Geschwindigkeit auf, so üben angetriebene Räder 11a und 11b ein Drehmoment auf die Achse 7 aus. Dieses Drehmoment kann einerseits dazu verwendet werden, um über das Differenzial 5 und die Antriebswelle 6 den zweiten elektromechanischen Energiewandler 4 anzutreiben, so dass dieser Strom generiert und gleichzeitig die Bewegung des Kraftfahrzeugs bremst, indem er ein Bremsmoment auf die Achse 7 ausübt. Das Bremsmoment entsteht dabei durch die elektromagnetische Induktion, die der Rotor 19 in dem Stator 17a, 17b des zweiten elektromechanischen Energiewandlers 4 erzeugt.

[0054] Rollt das Kraftfahrzeug jedoch auf einem starken Gefälle, so reicht das Bremsmoment, welches der zweite elektromechanische Energiewandler 4 auf die Räder 11a und 11b ausübt, nicht aus, um das Kraftfahrzeug zu bremsen. In diesem Fall kann die Rotationskolbenmaschine 3 im ungefeuerten Betrieb ein zusätzliches Bremsmoment über die Kopplung 13 bereitstellen. Dieses Bremsmoment wirkt, je nach Kopplung, auf die Räder des Antriebsstrangs oder die Räder, welche nicht Teil des Antriebsstrangs sind. Die Reibungs- und Kompressionsverluste in der Rotationskolbenmaschine 3 dienen in diesem Fall dazu, ein zusätzliches Bremsmoment aufzubringen bzw. überschüssige Energie abzubauen. Zusätzlich dazu wird über die Kopplung 12 bevorzugt auch der erste elektromechanische Energiewandler 2 von dem Drehmoment, welches auf die Räder 11a und 11b wirkt, mitgedreht. Auch dieser generiert bevorzugterweise elektrischen Strom und stellt ein zusätzliches Bremsmoment bereit, wobei der Strom als elektrische Energie in der Energiespeichereinrichtung, vorzugsweise einem elektrochemischen Energiespeicher bzw. einem Akkumulator, des Kraftfahrzeugs gespeichert werden kann. Auch bei diesem entsteht das Bremsmoment durch die elektromagnetische Induktion, welche der Rotor 2 in dem Stator 16a, 16b des ersten elektromagnetischen Energiewandlers 2 erzeugt.

[0055] Die Unterbrechung der Kopplung 13 wird vorzugsweise durch eine schaltbare Kupplung 8a verwirklicht, welche entweder manuell durch den Fahrer bedient werden kann oder auch anhand von Befehlen einer elektronischen Steuereinheit, die den Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs regelt, bedient wird.

[0056] Die Kopplung 13 ist dabei in der Weise ausgeführt, dass die Rotationskolbenmaschine 3 von dem durch die Räder 11a und 11b ausgeübten Drehmoment gestartet werden kann. Ferner kann die Rotationskolbenmaschine 3 auch mit einem Drehmoment gestartet werden, welches von dem zweiten elektromechanischen Energiewandler 4 über die Antriebswelle 6 und die Kopplung 13 auf die Rotationskolbenmaschine 3 ausgeübt wird.

[0057] Bei umgekehrter Kraftübertragung über die Kopplung 13 kann das Drehmoment der Rotationskolbenmaschine 3 und/oder des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 zu dem Drehmoment des zweiten elektromechanischen Energiewandlers 4 addiert werden, so dass dieses addierte Drehmoment auf die Räder 11a und 11b wirkt, wodurch eine besonders zügige Beschleunigung erreicht wird.

[0058] Bezug nehmend auf Figur 2 wird nunmehr eine zweite Ausführungsform eines erfin-dungsgemäßen Range-Extender-Systems 1 beschrieben.

[0059] Diese zweite Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise mit der im Vorhergehenden erläuterten ersten Ausführungsform der Figur 1 kombinierbar.

[0060] Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich zu der ersten Ausführungsform dadurch, dass auch in der Kopplung 12 zwischen der Rotationskolbenmaschine 3 und dem ersten elektromechanischen Energiewandler 2 eine schaltbare Kupplung 8b angeordnet ist. Auch diese schaltbare Kupplung 8b kann manuell vom Fahrer oder über eine elektronische Steuereinrichtung geregelt werden, welche den Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs regelt. Die schaltbare Kupplung 8b bewirkt, dass die Rotationskolbenmaschine 3 auch getrennt von dem ersten elektromechanischen Energiewandler 2 betrieben werden kann. Somit ist es möglich, dass das von der Rotationskolbenmaschine 3 im ungefeuerten Betrieb ausgeübte Bremsdrehmoment auf die Kopplung 13 ausgeübt werden kann, ohne dass gleichzeitig von dem ersten elektromechanischen Energiewandler 2 Strom generiert wird. Ferner kann die Rotationskolbenmaschine 3 gestartet werden, ohne dass auf die Welle der Rotationskolbenmaschine 14 ein belastendes Moment wirkt.

[0061] Bezug nehmend auf Figur 3 wird nun eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Range-Extender-Systems 1 beschrieben.

[0062] Diese dritte Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise mit den im Vorhergehenden erläuterten ersten und zweiten Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 kombinierbar.

[0063] Diese Ausführungsform weist im Vergleich zu den Ausführungsformen 1 und 2 eine schaltbare Kupplung 18 in der Antriebswelle 6 auf. Auch diese schaltbare Kupplung kann manuell oder durch eine elektronische Steuerung, welche den Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs regelt, betrieben werden. Die Kopplung der Rotationskolbenmaschine 3 an dem Antriebsstrang kann in diesem Fall unabhängig von dem zweiten elektromechanischen Kraftwandler 4 geschehen. Dadurch ist es möglich, ein Bremsdrehmoment der Rotationskolbenmaschine 3 auf die Räder 11a und 11b auszuüben, ohne dass gleichzeitig der zweite elektromechanische Energiewandler 4 und/oder der erste elektromechanische Energiewandler 2 mitgetrieben werden.

[0064] Bezug nehmend auf Figur 4 wird nun eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Range-Extender-Systems 1 beschrieben.

[0065] Diese vierte Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise mit den oben erläuterten ersten bis dritten Ausführungsformen der Figuren 1 bis 3 kombinierbar.

[0066] Die vierte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass diese zusätzlich zum ersten elektromagnetischen Energiewandler 2 einen Anlasser 9 aufweist, der direkt mit der Welle 14 der Rotationskolbenmaschine 3 koppelbar ist. Die Kopplung kann über eine Verzahnung oder über eine Antriebskette oder jedes sonstige Mittel geschehen. Auch mit dem Anlasser 9 ist ein Impulsstart der Rotationskolbenmaschine 3 möglich, so dass ein motorischer Betrieb des ersten elektromechanischen Energiewandlers nicht mehr notwendig ist. Hierdurch kann die Leistungselektronik 18 des ersten elektromechanischen Energiewandlers wesentlich vereinfacht werden. Der erste elektromechanische Energiewandler kann sodann nämlich mit ausschließlichem Einquadrantenbetrieb - dem Generatorbetrieb in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs - betrieben werden. Der Umrichter zwischen dem ersten elektromechanischen Energiewandler und dem Gleichspannungszwischenkreis ist in diesem Fall vorzugsweise ein einfacher passiver Gleichrichter, insbesondere eine B6-Brückenschaltung. Die Spannungsabgabe bei einem passiven Gleichrichter kann nicht über die elektronische Ansteuerung (Modulation) des Gleichrichters gesteuert werden. Daher ist der erste elektromechanische Energiewandler weiter vorzugsweise in der Weise ausgebildet, dass er an den Spannungsbereich der Energiespeichereinrichtung angepasst ist. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung eines Gleichrichters ist in Fig. 5 dargestellt. Die Anschlusspunkte 20a, 20b verbinden den Gleichrichter zum Gleichstromzwischen-kreis. Der Gleichrichter wandelt die Brücken- zweige A, B, C des Gleichrichters je Motorphase des elektromechanischen Energiewandlers um, welche über die Anschlusspunkte a, b, c an den Gleichrichter angelegt sind.

[0067] Die Erfindung erstreckt sich auch auf die elektronische Steuerung, welche den Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs sowie das Range-Extender-System in Abhängigkeit von den Fahrzuständen sowie der Fahrbahnbeschaffenheit betreibt. Diese elektronische Steuerung führt ein Verfahren zum Betrieb eines Range-Extender-Systems 1 aus, welches ebenfalls beansprucht wird. Mit dem Verfahren werden die einzelnen Elemente des vorgestellten Range-Extender-Systems 1 in der Weise gesteuert, dass dieses möglichst energieeffizient betrieben wird. Hierfür werden die im vorhergehenden beschriebenen Kopplungen 8a, 8b, 8c ausgenutzt, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und überschüssige kinetische Energie möglichst nicht über die Bremsen des Kraftfahrzeugs, sondern über den mechanischen Widerstand der Rotationskolbenmaschine 3 abzubauen.

[0068] Bevorzugt besteht die elektronische Steuerung aus einem Computer mit einem Mikroprozessor. Dieser kann ein in einem elektronischen Speicher gespeichertes Computerprogramm ausführen. Das Computerprogramm umfasst dabei Anweisungen, welche, wenn sie von dem Computer bzw. Mikroprozessor ausgeführt werden, die Schritte des Verfahrens zum Betrieb eines Range-Extender-Systems 1 ausführen. BEZUGSZEICHENLISTE:

Range-Extender-System 1

Erster elektromechanischer Energiewandler 2

Verbrennungskraftmaschine 3

Antriebsstrang 4, 5, 6, 7

Zweiter elektromechanischen Energiewandler 4

Differential 5

Antriebswelle 6

Achse 7

Schaltbare Kupplung 8a, 8b, 8c

Anlasser 9

Drehender Kolben 10

Angetriebene Räder 11a, 11b

Kopplung 12, 13

Welle der Verbrennungskraftmaschine 14

Rotor des ersten elektromechanischen Energiewandlers 15

Stator des ersten elektromechanischen Energiewandlers 16a, 16b

Stator des zweiten elektromechanischen Energiewandlers 17a, 17b

Leistungselektronik 18

Rotor des zweiten elektromechanischen Energiewandlers 19

Anschlusspunkt zum Gleichstromzwischenkreis 20a, 20b

Brückenzweig A, B, C

Anschlusspunkt zum elektromechanischen Energiewandler a, b, c

Claims (16)

1. Patentansprüche

   1. Range-Extender-System (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrokraftfahr-zeug, aufweisend: einen ersten elektromechanischen Energiewandler (2); und eine Verbrennungskraftmaschine (3), die mit dem ersten elektromechanischen Energiewandler (2) zur Leistungsübertragung koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (3) zusätzlich mit Rädern (11a, 11b) des Kraftfahrzeugs in der Weise zur Leistungsübertragung koppelbar ist, dass das Kraftfahrzeug durch den Schleppbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (3) abbremsbar ist.
2. 2. Range-Extender-System (1) nach Anspruch 1, wobei in der Kopplung (12) zwischen der Verbrennungskraftmaschine (3) und dem ersten elektromechanischen Energiewandler (2) eine Drehmoment- Übertragungseinrichtung (8a), bevorzugt eine schaltbare Kupplung, und/oder in der Kopplung (13) der Verbrennungskraftmaschine (3) und den Rädern (11a, 11b) eine Drehmoment-Übertragungseinrichtung (8b), bevorzugt eine schaltbare Kupplung, angeordnet ist.
3. 3. Range-Extender-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbrennungskraftmaschine (3) eine Rotationskolbenmaschine ist.
4. 4. Range-Extender-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verbrennungskraftmaschine (3) und die Räder (11a, 11b) über einen Antriebsstrang (4, 5, 6, 7) des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind, so dass ein zweiter elektromechanische Energiewandler (4) , der in erster Linie zum Traktionsantrieb des Kraftfahrzeug dient, zum Starten der Verbrennungskraftmaschine einsetzbar ist und wobei der erste elektromechanische Energiewandler (2) bevorzugt ein ausschließlicher Generator ist.
5. 5. Range-Extender-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren einen Anlasser (9) zum Starten der Verbrennungskraftmaschine aufweisend, wobei der Anlasser (9) mit der Verbrennungskraftmaschine (3) koppelbar ist und der erste elektromechanische Energiewandler (2) bevorzugt ein ausschließlicher Generator ist.
6. 6. Range-Extender-System (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Leistungselektronik (18) zwischen dem erste elektromechanische Energiewandler (2) und einem Zwischenkreis einen passiven Gleichrichter, insbesondere eine B6-Brückenschaltung, aufweist.
7. 7. Range-Extender-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite elektromechanische Energiewandler (2; 4) eine Innenpolmaschine oder eine Außenpolmaschine und/oder eine Drehfeldmaschine ist.
8. 8. Range-Extender-System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite elektromechanische Energiewandler (2; 4) eine selbsterregte Asynchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine ist.
9. 9. Verfahren zum Betrieb eines Range-Extender-Systems (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, folgenden Schritt aufweisend: Bremsen des Kraftfahrzeugs durch den Schleppbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (3).
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, des weiteren folgenden Schritt umfassend: Generieren von Strom durch den ersten elektromechanischen Energiewandler (2) im Schleppbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (3).
11. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, des weiteren folgenden Schritt umfassend: Drehen des Kolbens (10) der Verbrennungskraftmaschine (3) mittels der Kopplung der Verbrennungskraftmaschine (3) mit den Rädern 11a, 11b in eine definierte Enddrehstel-lung.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, des weiteren folgenden Schritt umfassend: Starten der Verbrennungskraftmaschine (3) mittels der Kopplung der Verbrennungskraftmaschine (3) mit en Rädern (11a, 11b) und/oder mittels eines Anlassers (9), der mit der Verbrennungskraftmaschine (3) gekoppelt ist.
13. 13. Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug, mit einem Range-Extender-System (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
14. 14. Elektronische Steuerung, die vorzugsweise einen Speicher und einen Mikroprozessor umfasst, welche eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 auszuführen.
15. 15. Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, welche, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 ausführen.
16. 16. Computerlesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 15 gespeichert ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen