DE102007033577A1 - Energiespeichersystem für ein Hochleistungsfahrzeug - Google Patents

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DE102007033577A1
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Martin FÜCHTNER
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Ein Energiespeichersystem für ein Hochleistungsfahrzeug, umfassend einen fahrzeugseitigen Energiespeicher zum zumindest kurzzeitigen Speichern einer Energiemenge sowie zugeordnete Füllmittel zum Befüllen des Energiespeiches mit bei einer Verzögerung des Hochleistungsfahrzeuges entstehender Energie und wenigstens ein Entnahmemittel zur Entnahme einer Energiemenge aus dem Energiespeicher, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher als Schwungmassenspeicher ausgebildet ist, wobei das Füllmittel ein eigenes, dem Schwungmassenspeicher zugeordnetes, stufenlos variables Getriebe umfasst zur Anbindung wenigstens einer Achse des Hochleistungsfahrzeuges an den Schwungmassenspeicher, um bei einer Verzögerung des Hochleistungsfahrzeuges entstehende Energie mechanisch zu speichern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für ein Hochleistungsfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug sowie ein entsprechendes Verfahren zum Speichern von Energie.
  • Üblicherweise werden Kraftfahrzeuge unter Verwendung einer als hydraulisches Bremssystem ausgebildeten Betriebsbremse abgebremst. Dabei wird die kinetische Energie des fahrenden Fahrzeuges im Wesentlichen in Wärme umgewandelt und geht somit während des Bremsvorgangs verloren. Zwischenzeitlich sind Systeme bekannt, die diese Energie zumindest teilweise speichern und damit für den weiteren Betrieb des Fahrzeugs nutzbar machen können. Dies sind insbesondere rekuperative Bremssysteme, bei denen unter Verwendung einer als Generator betriebenen Elektromaschine gebremst wird. Dabei wandelt diese Elektromaschine die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie um und erzeugt dadurch ein entsprechendes Bremsmoment. Die elektrische Energie kann dann gespeichert werden, z. B. in einer Batterie. Derartige regenerative Bremssysteme werden etwa in Hybridfahrzeugen eingesetzt. Ein Problem ergibt sich jedoch beim Einsatz solcher Systeme in Hochleistungsfahrzeugen, wie beispielsweise hochmotorisierten Sportwagen oder Rennfahrzeugen. Bei derartigen Hochleistungsfahrzeugen werden bei Verzögerungsvorgängen in kurzer Zeit sehr große Energiemengen frei. Um derartige Energiemengen nutzbar machen zu können, muss der Energiespeicher in der Lage sein, diese Energiemengen innerhalb kürzester Zeit aufnehmen zu können. Bekannte regenerative Bremssysteme, bestehend aus einem elektro-chemischen Speicher (Batterie) sowie einer Elektromaschine sind hierzu nicht in der Lage, da sie keine ausreichende Energie- bzw. Leistungsdichte aufweisen. Eine entsprechend notwendige Dimensionierung von Speicher bzw. Elektromaschine ist mit einer enormen Gewichtszunahme verbunden. Eine solche Gewichtszunahme ist aber bei Hochleistungsfahrzeugen gerade nicht erwünscht. Mithin besteht derzeit keine Möglichkeit, die bei Verzögerung eines Hochleistungsfahrzeuges entstehende Energiemenge adäquat zu speichern.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, hier Abhilfe zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Energiespeichersystem gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 13 und ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 14. Die Unteransprüche betreffen jeweils vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß weist ein Hochleistungsfahrzeug einen fahrzeugseitigen Energiespeicher auf, der als Schwungmassenspeicher ausgebildet ist, wobei das zugeordnete Füllmittel ein eigenes, stufenlos variables Getriebe umfasst, zur Anbindung wenigstens einer Achse des Hochleistungsfahrzeuges an den Schwungmassenspeicher, um bei einer Verzögerung des Hochleistungsfahrzeuges entstehende Energie mechanisch zu speichern.
  • Mit der Erfindung ist es nun erstmals möglich, die beim Abbremsen von Hochleistungsfahrzeugen in kurzer Zeit entstehende hohe Energiemenge effizient bei vertretbarem Gesamtgewicht zu speichern. Dabei bietet der verwendete Schwungmassenspeicher den Vorteil, die beim Verzögern anfallende Energiemenge schnell aufnehmen zu können. Indem keine Energieumwandlung vorgenommen wird, sondern die bei einer Verzögerung des Hochleistungsfahrzeuges anfallende kinetische Energie zumindest teilweise als Drehimpuls mechanisch gespeichert wird, ist eine effiziente Speicherung der Energie möglich. Durch die Ansteuerung des Schwungmassenspeichers über das eigene, stufenlos variable Getriebe kann der Schwungmassenspeicher besonders hoch drehend ausgelegt werden. Bewährt haben sich hier Drehzahlen von mindestens 30000 Upm und bevorzugt von 60000 Upm. Dabei ist die in einem Schwungmassenspeicher gespeicherte Energiemenge bekanntlich abhängig von dessen Drehzahl und Masse. Da sich die Verwendung von schweren Schwungmassenspeichern für einen Einsatz in Hochleistungsfahrzeugen verbietet, wird zur Speicherung einer entsprechenden Energiemenge der Schwungmassenspeicher also für besonders hohe Drehzahlen ausgelegt. Indem ein eigenes, stufenlos variables Getriebe verwendet wird, kann dieses speziell an die Erfordernisse des verwendeten Schwungmassenspeichers angepasst werden bzw. mit diesem baulich kompakt, z. B. als eine gemeinsame Einheit, ausgeführt werden. Damit kann das Gewicht von Schwungmassenspeicher und eigenem, stufenlos variablen Getriebe, ohne Gehäuse und Aktuatoren, bei unter 15 kg gehalten werden, was einen Einsatz in Hochleistungsfahrzeugen vertretbar erscheinen lässt. Als stufenlos variables Getriebe ist dabei jedes stufenlos verstellbare Getriebe einsetzbar, beispielsweise ein CVT (Continuously Variable Transmission) oder ein IVT (Infinitely Variable Transmission).
  • Zusammenfassend ergibt sich ein ideales Kurzzeit-Energiespeichersystem für ein Hochleistungsfahrzeug das es ermöglicht, die bei Verzögerungen anfallenden hohen Energiemengen in einem System mit geringem Gewicht bzw. geringer Trägheit zu speichern. Ein Hochleistungsfahrzeug im Sinne der Erfindung ist beispielsweise ein Kraftfahrzeug mit einer Leistung von mindestens 200 kW bei einem maximalen Gewicht von ca. 1500 kg. Zudem wird eine Entlastung der Betriebsbremsen des Hochleistungsfahrzeuges durch das bremsende Moment des Schwungmassenspeichers erzielt. Dies ermöglicht eine entsprechend angepasste Auslegung der Bremsanlage und damit eine Gewichts- und Kostenersparnis.
  • In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das eigene, stufenlos variable Getriebe mit dem angebundenen Schwungmassenspeicher an einer Achse des Hochleistungsfahrzeuges vorgesehen. Anders ausgedrückt ist die Achse des Hochleistungsfahrzeuges an den Schwungmassenspeicher quasi direkt durch das stufenlos variable Getriebe angebunden. Dabei können die Entnahmemittel insbesondere einen über das stufenlos variable Getriebe angebundenen Achsantrieb umfassen, zum mechanischen Antrieb der Achse mit der im Schwungmassenspeicher gespeicherten Energie. Über die bedarfsgerechte Ansteuerung von Schwungmassenspeicher und stufenlos variablem Getriebes ist eine gewünschte Betriebscharakteristik des Energiespeichersystems bezüglich Drehzahl und Drehmoment problemlos realisierbar.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht einen autarken Einsatz des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems, unabhängig von sonstigen Antriebsaggregaten des Hochleistungsfahrzeuges wie z. B. dem Verbrennungsmotor. Damit ist z. B. kurzzeitig ein Allradantrieb oder eine Steigerung der Antriebsleistung realisierbar. Insbesondere können auch bisher nicht genutzte Bauräume erschlossen werden, da keine mechanische Verbindung zu sonstigen Antriebsaggregat des Hochleistungsfahrzeuges notwendig ist.
  • In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist das eigene, stufenlos variable Getriebe mit dem angebundenen Schwungmassenspeicher auf einer Eingangs- oder Zwischenwelle des Fahrzeuggetriebes des Hochleistungsfahrzeuges vorgesehen. Anders ausgedrückt ist die oder jede Achse des Hochleistungsfahrzeuges an den Schwungmassenspeicher durch das stufenlos variable Getriebe über das Fahrzeuggetriebe angebunden. Dies ermöglicht einen individuellen Einsatz der Erfindung, indem beispielsweise eine geeignete Getriebewelle für die Anbindung des eigenen, stufenlos variablen Getriebes vorgesehen wird. Bei dieser Ausführungsform sind dabei verschiedene Konfigurationen möglich. So kann das Fahrzeuggetriebe direkt an einer Fahrzeugachse vorgesehen sein. Alternativ kann eine Welle zwischen Fahrzeuggetriebe und Fahrzeugachse vorgesehen sein, beispielsweise wenn Antriebsaggregat und Fahrzeuggetriebe frontseitig vorgesehen sind und der Antrieb an der Heckachse vorgesehen ist. Zur Vermeidung von Schleppverlusten bzw. zur Standabkopplung des Schwungmassenspeichers kann jeweils noch eine Trennkupplung zwischen dem eigenen, stufenlos variablen Getriebe und der Welle des Fahrzeuggetriebes vorgesehen sein.
  • In einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist das eigene, stufenlos variable Getriebe mit dem angebundenen Schwungmassenspeicher auf einer Abtriebswelle des Fahrzeuggetriebes des Hochleistungsfahrzeuges vorgesehen. Anders ausgedrückt ist die oder jede Achse des Hochleistungsfahrzeuges an den Schwungmassenspeicher durch das stufenlos variable Getriebe über eine Antriebswelle des Hochleistungsfahrzeuges angebunden. Dies ermöglicht einen besonders flexiblen Einsatz der Erfindung, indem ein geeigneter Bauraum gewählt werden kann. Diese Ausführungsform ist natürlich auch für einen permanenten Allradantrieb geeignet, wenn als Antriebswelle des Hochleistungsfahrzeuges eine Welle zum Antrieb von mehr als einer Achse vorgesehen ist. Zur Vermeidung von Schleppverlusten bzw. zur Standabkopplung des Schwungmassenspeichers kann wieder eine Trennkupplung zwischen dem eigenen, stufenlos variablen Getriebe und der Welle vorgesehen sein.
  • Indem die im Schwungmassenspeicher gespeicherte mechanische Energie wieder in mechanischer Form abgegeben wird, nämlich über den Achsantrieb bzw. die Welle, entstehen kaum Umwandlungsverluste. Dies ermöglicht einen besonders effizienten Einsatz des Energiespeichersystems. Damit ergibt sich für jede der beschriebenen Ausführungsformen ein rein mechanischer Betrieb des Energiespeichersystems, indem das Hochleistungsfahrzeug mit dem Moment des Schwungmassenspeichers verzögert wird und die so gespeicherte Energie zu einem späteren Zeitpunkt wieder zum mechanischen Antrieb einer Achse bzw. Welle des Hochleistungsfahrzeuges eingesetzt wird.
  • Zusätzlich oder alternativ kann ein Entnahmemittel in jeder der beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein, das eine Elektromaschine umfasst, zur Entnahme einer Energiemenge aus dem Energiespeicher als elektrische Energie. Da elektrische Energie eine gut und einfach nutzbare Energieform darstellt, erlaubt dies einen universellen Einsatz des Energiespeichersystems. Je nach Ausbildung ist dann elektrische und/oder mechanische Energie entnehmbar, ggf. sogar gleichzeitig.
  • Dabei kann die Elektromaschine dem Schwungmassenspeicher oder dem eigenen, stufenlos variablen Getriebe zugeordnet sein, beispielsweise über eine separate Welle angebunden. Besonders bevorzugt ist jedoch der Schwungmassenspeicher als Rotor einer Elektromaschine ausgeführt. Dies ergibt eine besonders gewichtssparende Ausführungsform. Damit kann situationsabhängig entschieden werden, ob dem Schwungmassenspeicher Energie in mechanischer und/oder in elektrischer Form entnommen bzw. zugeführt werden soll. Ein derartiger, als Teil einer Elektromaschine ausgeführter und über ein eigenes, stufenlos variables Getriebe an eine Achse angebundener Schwungmassenspeicher kommt bevorzugt in einem Hybridfahrzeug zum Einsatz. Derartige Hybridfahrzeuge weisen bereits vielfältige Möglichkeiten der Nutzung bzw. Verteilung elektrischer Energie auf.
  • Bevorzugt ist zwischen einer Achse des Hochleistungsfahrzeuges, an der der Schwungmassenspeicher über das eigene, stufenlos variable Getriebe angebunden ist, und dem eigenen, stufenlos variablen Getriebe eine Trennkupplung vorgesehen. Dies ermöglicht zuverlässig eine Vermeidung entsprechender Verluste.
  • Eine bevorzugte Auslegung des Energiespeichersystems sieht vor, dass dieses kurzzeitig ca. 58 kW an Leistung abgeben kann. Dies erlaubt eine vernünftige Dimensionierung der verwendeten Komponenten. Eine weitere, bevorzugte Auslegung des Energiespeichersystems sieht vor, dass dieses kurzzeitig ca. 147 kW an Leistung abgeben kann. Diese Auslegungen kommen bevorzugt in Rennfahrzeugen zum Einsatz.
  • Bei einem Verfahren zum Speichern von beim Verzögern eines Fahrzeuges, insbesondere eines Hochleistungsfahrzeuges, anfallender kinetischer Energie ist vorgesehen, dass diese Energie über ein eigenes, stufenlos variables Getriebe von wenigstens einer Achse des Fahrzeuges in einen Schwungmassenspeicher geleitet wird, wobei das eigene, stufenlos variable Getriebe entsprechend der zunehmenden Drehzahl des Schwungmassenspeichers während des Einleitens der Energie, zum Ausüben eines bremsenden Momentes auf die Achse, fortlaufend höher übersetzt wird um so das Fahrzeug zu verzögern und entstehende Energie mechanisch zu speichern. Damit ergibt sich ein regeneratives Bremsverfahren welches es erlaubt, die insbesondere bei Verzögerungsvorgängen von Hochleistungsfahrzeugen in kurzer Zeit freiwerdenden, sehr großen Energiemengen effizient und bei angemessenem Gesamtgewicht zu speichern.
  • Bevorzugt wird die beim Verzögern des Fahrzeuges anfallende Energie abhängig vom Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeuges, z. B. der Fahrzeugbatterie, zumindest teilweise in den Schwungmassenspeicher geleitet. Damit ist sichergestellt, dass der elektrische Energiespeicher stets ausreichend geladen ist um insbesondere die Startfähigkeit des Fahrzeugs sicherzustellen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass beim Verzögern des Fahrzeuges anfallende Energie dann in den Schwungmassenspeicher geleitet wird, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers oberhalb eines Grenzwertes detektiert wird. Hierbei kann es sich auch um einen prognostizierten Ladezustand handeln. Anders ausgedrückt wird Energie dann nicht in den Schwungmassenspeicher sondern in den elektrischen Energiespeicher geleitet, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers zu stark abgefallen ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der elektrische Energiespeicher stets eine ausreichende Energiemenge aufweist.
  • Falls dem Schwungmassenspeicher eine Elektromaschine zugeordnet ist, zur Entnahme einer Energiemenge aus dem Schwungmassenspeicher als elektrische Energie, sind entsprechend angepasste Verfahren möglich. So kann die beim Verzögern des Fahrzeuges anfallende Energie zuerst nahezu vollständig in den Schwungmassenspeicher geleitet werden. Anschließend wird der elektrische Energiespeicher, abhängig vom Ladezustand, energieoptimal befüllt, z. B. in Abhängigkeit vom Ladewirkungsgrad. Dazu wird aus dem Schwungmassenspeicher eine Energiemenge als elektrische Energie entnommen, indem die Elektromaschine als Generator betrieben wird, und in den elektrischen Energiespeicher geleitet. Damit ist die beim Aufladen des elektrischen Energiespeichers freiwerdende Wärme und damit verlorene Energie minimierbar. in speziellen Betriebssituationen des Fahrzeuges können dann speziell angepasste Vorgehensweisen vorgesehen sein. So kann bei Konstantfahrt, d. h. wenn kein kurzfristiger Energiebedarf absehbar ist, im Schwungmassenspeicher gespeicherte Energie in den elektrischen Energiespeicher umgeladen werden, falls dieser noch elektrische Energie aufnehmen kann. Oder es kann vorgesehen sein, bei hoch dynamischer Fahrt und ausreichend gefülltem elektrischen Energiespeicher den Schwungmassenspeicher aufzuladen, um Energie für eine Beschleunigungsreserve des Fahrzeuges bereitstellen zu können.
  • Vorab ist dabei immer zu prüfen, ob der Schwungmassenspeicher eine entsprechende Menge an anfallender Energie überhaupt aufnehmen kann. Wenn der Schwungmassenspeicher bereits gefüllt ist oder aus anderen Gründen keine Energie aufnehmen kann, wird die Verzögerung des Fahrzeuges unter Verwendung der Betriebsbremsen und/oder einer ggf. vorhandenen und als Generator betriebenen Elektromaschine bei entsprechendem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers durchgeführt, und damit keine Energie im Schwungmassenspeicher gespeichert. Natürlich ist auch eine anteilige Speicherung von der bei einer Verzögerung des Fahrzeuges anfallenden Energie möglich, indem das Fahrzeug durch einen kombinierten Einsatz von Betriebsbremsen, Schwungmassenspeicher und ggf. Elektromaschine abgebremst wird.
  • Eine derartige Betriebsstrategie ist für ein herkömmliches Fahrzeug ausreichend. Insbesondere wenn das Fahrzeug jedoch als Hybridfahrzeug ausgebildet ist, wenn es also zusätzlich zum Verbrennungsmotor noch einen weiteren Antrieb aufweist, ist eine weitergebildete Betriebsstrategie angezeigt. Ein solcher weiterer Antrieb umfasst üblicherweise wenigstens eine Elektromaschine, wobei diese als elektrischer Motor bzw. als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie betreibbar ist. Damit ergeben sich dann vielfältige Möglichkeiten der Nutzung bzw. Verteilung von elektrischer Energie im Fahrzeug. Denn nun ist es möglich zu entscheiden, ob die bei einer Verzögerung des Fahrzeuges frei werdende Energie effizient aber eher kurzzeitig mechanisch im Schwungmassenspeicher, oder mit schlechterem Wirkungsgrad aber dauerhafter elektrisch gespeichert werden soll. So kann zusätzlich oder alternativ zum Ladezustand des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeuges die beim Verzögern des Fahrzeuges anfallende Energie abhängig von der Fahrzeugposition und/oder von der Charakteristik einer zurückgelegten bzw. zurück zu legenden Strecke in den Schwungmassenspeicher geleitet werden. Insbesondere kann bei einer Stadtfahrt, bzw. bei häufigem Beschleunigen und Abbremsen des Fahrzeuges, ein bevorzugter Einsatz des Schwungmassenspeichers vorgesehen sein. Hier ist eine eher kurze Speicherzeit für die Energie völlig ausreichend. Die gespeicherte Energie wird dann bevorzugt beim nächsten Beschleunigensvorgang, z. B. beim Umschalten einer Ampel von rot auf grün, eingesetzt. Dabei werden Fahrzeugposition und/oder Streckencharakteristik insbesondere unter Verwendung einer digitalen Straßenkarte, von Fahrzeugsensorik z. B. zur Umgebungserfassung, und/oder von Messwerten wie z. B. Durchschnittsgeschwindigkeiten oder Kurvencharakteristik, bestimmt. So kann beispielsweise die von einem Navigationsgerät berechnete, vorausliegende Strecke darauf hin analysiert werden, ob ein Stadtbereich vorliegt. Oder aus bisherigen Durchschnittsgeschwindigkeiten kann auf die Charakteristik einer zurückgelegten Strecke und damit der aktuellen Position geschlossen werden. Des weiteren können auch aktuelle Stauinformationen verwendet werden.
  • Eine weitere wichtige Größe bei der Verwertung der beim Verzögern des Fahrzeuges anfallenden kinetischen Energie stellt der Zustand, insbesondere die Temperatur, der Betriebsbremsen dar. Hier ist insbesondere vorgesehen, zur Entlastung der Betriebsbremsen den Schwungmassenspeicher einzusetzen. Dazu kann beispielsweise beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur und/oder Einsatzzeit der Betriebsbremsen ein Einleiten von Energie in den Schwungmassenspeicher vorgesehen sein, zum Ausüben eines bremsenden Momentes auf die Achse, um das Fahrzeug zumindest anteilig unter Verwendung des Schwungmassenspeichers zu verzögern und so die Betriebsbremsen zu entlasten.
  • Ein derartiges Verfahren wird bevorzugt in einem Fahrzeug-Steuergerät realisiert. Über ein entsprechendes Bussystem sind die benötigten Daten dabei bereits verfügbar bzw. entsprechende Steuersignale versendbar.
  • Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung beschrieben. Beispielhaft zeigen dabei:
  • 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 eine vierte Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung; und
  • 6 eine sechste Ausführungsform der Erfindung.
  • Im Folgenden tragen gleiche Einheiten auf den 1 bis 5 jeweils die gleichen Bezugszeichen. Diese werden nachfolgend gemeinsam angeführt. Im Einzelnen sind dies eine Achse mit wenigstens einem Rad R eines Hochleistungsfahrzeuges, ein leichter und hoch drehender Schwungmassenspeicher SMS sowie ein dem Schwungmassenspeicher SMS zugeordnetes, eigenes stufenlos variables Getriebe CVT. Dieses ist über eine jeweils optionale Kupplung K an die Achse des Hochleistungsfahrzeuges angebunden. Das Hochleistungsfahrzeug ist beispielsweise ein Sportwagen, mit einer Leistung von wenigstens 200 kW und einem maximalen Gewicht von ca. 1500 kg, oder ein Rennfahrzeug.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher das erfindungsgemäße Energiespeichersystem autonom an einer Achse mit wenigstens einem Rad R des Hochleistungsfahrzeuges vorgesehen ist. Dies kann eine beispielsweise von einem Verbrennungs- und/oder Elektromotor angetriebene Achse, oder auch eine nicht angetriebene Achse sein. Das Energiespeichersystem kann vorteilhaft an einer solchen Achse eingesetzt werden, an der ein entsprechender Bauraum im Hochleistungsfahrzeug noch verfügbar ist, bzw. an der aufgrund der Gewichtsverteilung des Hochleistungsfahrzeugs eine höhere mögliche Bremskraft und damit eine schnellere mechanische Befüllmöglichkeit des Energiespeichers gegeben ist. Zur Entnahme von Energie aus dem Energiespeicher ist ein mechanischer Antrieb der Achse durch einen dieser Achse zugeordneten Achsantrieb A vorgesehen. Damit kann beispielsweise in entsprechenden Situationen ein Signal eines elektronischen Steuergerätes vorgesehen sein und damit ein bremsendes bzw. antreibendes Zusatzmoment an der Achse des Hochleistungsfahrzeuges bewirkt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Zusatzmoment auch zur Fahrstabilisierung, beispielsweise als Fahrdynamikeingriff, vorgesehen sein. Zudem ermöglicht diese Ausführungsform einen zeitweisen Allradantrieb des Hochleistungsfahrzeuges.
  • Zum Betrieb des Energiespeichersystems ist vorgesehen, dass zum Abbremsen des Hochleistungsfahrzeuges die Kupplung K zuerst geschlossen wird. Sodann, oder bei nicht vorhandener Kupplung K, wird das stufenlos variable Getriebe CVT derart eingestellt, dass es den Schwungmassenspeicher SMS nicht mehr im Direktgang, d. h. ohne Über-/bzw. Untersetzung, mit der Achse verbindet. Zusammenfassend wird der Bremsvorgang des Hochleistungsfahrzeuges dadurch eingeleitet bzw. unterstützt, dass das Moment des Schwungmassenspeichers SMS an der Fahrzeugachse aufgebracht wird. Das aufgebrachte Moment bewirkt eine entsprechende Abbremsung des Hochleistungsfahrzeuges. Durch entsprechende Ansteuerung des Schwungmassenspeichers SMS bzw. des stufenlos variablen Getriebes CVT kann eine gewünschte Bremskraft durch den Schwungmassenspeicher SMS auf die Fahrzeugachse aufgebracht werden bzw. eine entsprechende Energiemenge im Schwungmassenspeicher SMS gespeichert werden. Dazu kann auch ein Zusammenwirken zwischen dem Moment des Schwungmassenspeichers und der Betriebsbremse vorgesehen sein, zur Erzeugung einer kombinierten Verzögerung. Weiterhin kann die Abbremsung des Hochleistungsfahrzeuges über den Schwungmassenspeicher dann vorgesehen sein, wenn die aufzubringende Verzögerung unterhalb eines bestimmten Wertes liegt und eine entsprechende Energiemenge im Schwungmassenspeicher noch einfüllbar ist. Dies ermöglicht eine optimale Wiederverwendung der bei der Verzögerung des Hochleistungsfahrzeuges anfallenden kinetischen Energie. Erst wenn der Schwungmassenspeicher eine entsprechende Energiemenge nicht mehr aufnehmen kann bzw. eine angeforderte Bremskraft durch den Schwungmassenspeicher nicht mehr realisiert werden kann, werden bedarfsweise die Betriebsbremsen zugeschaltet.
  • In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 ist vorgesehen, den Schwungmassenspeicher SMS über das eigene stufenlos variable Getriebe CVT an das Fahrzeuggetriebe G anzubinden. Das Fahrzeuggetriebe G ist dabei einem als Antrieb dienendem Verbrennungsmotor M nachgeschaltet, wobei das Fahrzeuggetriebe G hier direkt mit der Achse verbunden ist. Durch die Anbindung an das Fahrzeuggetriebe G ergibt sich ein flexibler Einsatz der Erfindung. Beispielsweise kann die im Schwungmassenspeicher SMS gespeicherte Energiemenge zum mechanischen Starten des Verbrennungsmotors M genutzt werden, etwa bei einem Hybridfahrzeug beim Wechsel aus dem reinen Elektrofahrbetrieb in einen Fahrbetrieb mit dem Verbrennungsmotor.
  • Gemäß 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei das Getriebe G nun, anders als in 2, über eine Welle mit der angetriebenen Achse des Hochleistungsfahrzeuges verbunden ist. Dies ermöglicht den Einsatz der Erfindung beispielsweise bei Frontmotorfahrzeugen mit Heckantrieb.
  • Gemäß 4 ist vorgesehen, den Schwungmassenspeicher SMS über das eigene, stufenlos variable Getriebe CVT an die Getriebeausgangswelle anzubinden. Dies ermöglicht einen besonders flexiblen Einsatz der Erfindung durch gezielte Positionierung in einem geeigneten Bauraum. Dabei kann optional eine Kupplung K1 vorgesehen sein zwischen dem Fahrzeuggetriebe G und dem über das eigene, stufenlos variable Getriebe CVT angebundenen Schwungmassenspeicher SMS, zur Abkopplung des Triebstrangs zur Vermeidung von Schleppverlusten bei einer Verzögerung des Hochleistungsfahrzeuges.
  • Gemäß 5 ist vorgesehen, den Schwungmassenspeicher SMS als Rotor einer Elektromaschine E auszuführen, wobei zusätzlich ein Stator S vorgesehen ist. Diese Ausführungsform stellt eine Weiterbildung der Ausführungsform gemäß 5 dar. Auch hier ist wieder eine optionale Kupplung K, zur Abkopplung der angebunden Achse des Hochleistungsfahrzeuges, sowie ein Achsantrieb A vorgesehen. Damit ist nicht nur die Abgabe mechanischer Energie durch den Schwungmassenspeicher SMS über das stufenlos variable Getriebe CVT an den Achsantrieb A möglicht, sondern auch die Abgabe elektrischer Energie durch die Elektromaschine E. Dabei kann natürlich auch vorgesehen sein, einen Teil der im Schwungmassenspeicher SMS gespeicherten Energie mechanisch über das eigene stufenlos variable Getriebe CVT und einen anderen Teil der Energie elektrisch über die Elektromaschine E abzugeben. Diese Realisierung als Elektromaschine ist selbstverständlich nicht nur für diese Ausführungsform, sondern auch für die anderen Ausführungsformen gemäß 2 bis 4 möglich.
  • Gemäß 6 ist vorgesehen, das eigene, stufenlos variable Getriebe als Planetengetriebe P auszuführen. Über das Planetengetriebe P ist ein leichter und hoch drehender Schwungmassenspeicher SMS an eine Achse mit wenigstens einem Rad R eines Hochleistungsfahrzeuges angebunden. Zusätzlich ist auch eine Elektromaschine E am Planetengetriebe P vorgesehen, als Momentenstütze und zum Einstellen eines gewünschten Betriebspunktes. Der Schwungmassenspeicher SMS und die Elektromaschine E sind dabei an geeigneten Rädern des Planetengetriebes P vorgesehen. Des weiteren ist an der Achse des Hochleistungsfahrzeuges wieder ein Achsantrieb A vorgesehen, zur Entnahme von Energie aus dem Schwungmassenspeicher SMS, zum mechanischen Antrieb der Achse. Alternativ oder zusätzlich kann Energie in elektrischer Form aus dem Schwungmassenspeicher SMS entnommen werden, indem die Elektromaschine E als Generator, zur Erzeugung elektrischer Energie, betrieben wird. Natürlich ist auch eine kombinierte Entnahme von mechanischer und elektrischer Energie möglich. Falls nur elektrische Energie aus dem Schwungmassenspeicher SMS entnommen werden soll, kann der Achsantrieb A auch entfallen.

Claims (20)

  1. Energiespeichersystem für ein Hochleistungsfahrzeug, umfassend einen fahrzeugseitigen Energiespeicher, zum zumindest kurzzeitigen Speichern einer Energiemenge, sowie zugeordnete Füllmittel, zum Befüllen des Energiespeichers mit bei einer Verzögerung des Hochleistungsfahrzeuges entstehender Energie, und wenigstens ein Entnahmemittel, zur Entnahme einer Energiemenge aus dem Energiespeicher; dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher als Schwungmassenspeicher (SMS) ausgebildet ist, wobei das Füllmittel ein eigenes, dem Schwungmassenspeicher zugeordnetes, stufenlos variables Getriebe (CVT, P) umfasst, zur Anbindung wenigstens einer Achse des Hochleistungsfahrzeuges an den Schwungmassenspeicher, um bei einer Verzögerung des Hochleistungsfahrzeuges entstehende Energie mechanisch zu speichern.
  2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, wobei das eigene, stufenlos variable Getriebe an einer Achse des Hochleistungsfahrzeuges vorgesehen ist.
  3. Energiespeichersystem nach Anspruch 2, wobei ein Entnahmemittel einen über das eigene, stufenlos variable Getriebe angebundenen Achsantrieb (A) umfasst, zum mechanischen Antrieb einer Achse des Hochleistungsfahrzeuges mit in dem Energiespeicher gespeicherter Energie.
  4. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, wobei das eigene, stufenlos variable Getriebe auf einer Welle, insbesondere auf einer Abtriebswelle, des Fahrzeuggetriebes (G) des Hochleistungsfahrzeuges vorgesehen ist.
  5. Energiespeichersystem nach Anspruch 4, wobei eine Trennkupplung (K1) zwischen dem eigenen, stufenlos variablen Getriebe und dem Fahrzeuggetriebe vorgesehen ist.
  6. Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Entnahmemittel eine Elektromaschine umfassen, zur Entnahme einer Energiemenge aus dem Energiespeicher als elektrische Energie.
  7. Energiespeichersystem nach Anspruch 6, wobei der Schwungmassenspeicher als Teil, insbesondere als Rotor (R), der Elektromaschine ausgebildet ist.
  8. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Achse des Hochleistungsfahrzeuges und dem eigenen, stufenlos variablen Getriebe eine Trennkupplung (K) vorgesehen ist.
  9. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, wobei das eigene, stufenlos variable Getriebe als Planetengetriebe (P) ausgeführt ist, und wobei zusätzlich eine Elektromaschine (E), als Momentenstütze bzw. zum Einstellen eines gewünschten Betriebspunktes, vorgesehen ist.
  10. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der Schwungmassenspeicher und das eigene, stufenlos variable Getriebe als gemeinsame bauliche Einheit ausgeführt sind.
  11. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energiespeichersystem dazu ausgelegt ist, kurzzeitig entweder ca. 58 kW oder alternativ ca. 147 kW an Leistung abzugeben.
  12. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwungmassenspeicher für Drehzahlen von mindestens 30000 Upm und insbesondere von 60000 Upm ausgelegt ist.
  13. Kraftfahrzeug, insbesondere Hochleistungsfahrzeug, umfassend ein Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Verfahren zum Speichern von beim Verzögern eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Hochleistungsfahrzeuges, anfallender kinetischer Energie, wobei diese Energie über ein eigenes, stufenlos variables Getriebe von wenigstens einer Achse des Fahrzeuges in einen Schwungmassenspeicher geleitet wird, und wobei das eigene, stufenlos variable Getriebe entsprechend der Drehzahl des Schwungmassenspeichers während des Einleitens der Energie, zum Ausüben eines bremsenden Momentes auf die Achse, fortlaufend höher übersetzt wird um so das Fahrzeug zu verzögern und entstehende Energie mechanisch zu speichern.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei beim Verzögern des Fahrzeuges anfallende Energie abhängig vom Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeuges in den Schwungmassenspeicher geleitet wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei anfallende Energie dann in den Schwungmassenspeicher geleitet wird, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers oberhalb eines Grenzwertes detektiert wird, und andernfalls in den elektrischen Energiespeicher.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei anfallende Energie abhängig von der Fahrzeugposition und/oder von der Charakteristik einer zurückgelegten bzw. zurück zu legenden Strecke in den Schwungmassenspeicher geleitet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei Fahrzeugposition und/oder Streckencharakteristik unter Verwendung einer digitalen Straßenkarte, Fahrzeugsensorik und/oder Messwerten bestimmt werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei anfallende Energie abhängig vom Zustand, insbesondere von der Temperatur, der Betriebsbremsen des Fahrzeuges in den Schwungmassenspeicher geleitet wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei das Fahrzeug durch eine Kombination von Betriebsbremse und über das eigene, stufenlos variable Getriebe angebundenen Schwungmassenspeicher verzögert wird, und so die beim Verzögern anfallende kinetische Energie nur teilweise mechanisch gespeichert wird.
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