DE102007042155A1

DE102007042155A1 - Energieumwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007042155A1
Application number: DE102007042155A
Authority: DE
Inventors: Nabil Dipl.-Ing. Nachi; Julius Dr. Dipl.-Ing. Pretterebner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-12

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere einer Kraftfahrzeugenergieumwandlungsvorrichtung, mit wenigstens zwei Energieumwandlungseinheiten (10, 12, 14) und mit wenigstens zwei jeweils einer der Energieumwandlungseinheiten zugeordneten Energiespeichereinheiten (16, 18), welche jeweils zumindest zu einer Speicherung von zuvor durch die Energieumwandlungseinheit (10, 12, 14), welcher die Energiespeichereinheit (16, 18) zugeordnet ist, umgewandelter Energie vorgesehen sind. Es wird vorgeschlagen, dass die Energieumwandlungseinheiten (10, 12, 14) in zumindest einem Betriebsmodus unabhängig voneinander betreibbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieumwandlungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der WO 92/01584 ist eine Energieumwandlungsvorrichtung bekannt, welche Bremsenergie rekuperiert bzw. in zwei Energiespeichereinheiten speichert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer kompakten Bauweise und einer hohen Lebensdauer der beteiligten Energiespeichereinheiten einen hohen Wirkungsgrad bei der Rekuperation von Bremsenergie und einen flexiblen Antrieb zu erreichen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche, wobei weitere Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen und den unabhängigen Patentansprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere einer Kraftfahrzeugenergieumwandlungsvorrichtung, mit wenigstens zwei Energieumwandlungseinheiten und mit wenigstens zwei jeweils einer der Energieumwandlungseinheiten zugeordneten Energiespeichereinheiten, welche jeweils zumindest zu einer Speicherung von zuvor durch die Energieumwandlungseinheit, welcher die Energiespeichereinheit zugeordnet ist, umgewandelter Energie vorgesehen sind.
Es wird vorgeschlagen, dass die Energieumwandlungseinheiten in zumindest einem Betriebsmodus unabhängig voneinander betreibbar sind. Unter „vorgesehen" soll insbesondere speziell ausgestattet und/oder ausgelegt und/oder programmiert verstanden werden. Dabei soll unter zumindest in einem Betriebsmodus „unabhängig voneinander betreibbar" verstanden werden, dass es wenigstens einen Betriebsmodus gibt, in welchem die Energieumwandlungseinheiten jeweils einzeln betrieben werden und/oder in welchem die Energieumwandlungseinheiten einzeln und ohne miteinander wechselzuwirken betrieben werden und/oder in welchem nur eine der Energieumwandlungseinheiten in Betrieb ist und/oder genau eine der Energieumwandlungseinheiten Bremsenergie rekuperiert und/oder genau eine der Energieumwandlungseinheiten einen Antrieb und insbesondere einen Antrieb eines Kraftfahrzeugs mittelbar und/oder unmittelbar erzeugt und/oder in welchem wenigstens zwei der Energieumwandlungseinheiten in Bezug auf ihre Funktion parallel angeordnet sind. Unter „in Bezug auf ihre Funktion parallel angeordneten" Energieumwandlungseinheiten sollen im Besonderen Energieumwandlungseinheiten verstanden werden, bei denen ein Betriebsvorgang und/oder ein Betriebsstatus einer der Energieumwandlungseinheiten, welches insbesondere ein passiver sein kann, einen Betriebsvorgang und/oder einen Betriebstatus der anderen Energieumwandlungseinheit unbeeinflusst lässt. Unter „Rekuperation" soll im Besonderen eine Rückgewinnung und/oder ein Wiedererlangen insbesondere einer Energie in einer speziellen Energieform und insbesondere von kinetischer Energie verstanden werden. Mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann eine effizientere Umwandlung von Energie durch die Energieumwandlungseinheiten erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Energieumwandlungseinheiten jeweils dazu vorgesehen, Brems energie in eine Energie umzuwandeln, welche in der der jeweiligen Energieumwandlungseinheit zugeordneten Energiespeichereinheit zumindest teilweise speicherbar ist. Unter „Bremsenergie" soll insbesondere eine Energie verstanden werden, welche bei einer Verlangsamung eines Objekts, welches eine Masse, die insbesondere eine Gesamtmasse eines Kraftfahrzeugs sein kann, besitzt, relativ zu einem anderen Objekt aufgrund einer abnehmenden kinetischen Energie frei wird. Unter einer „Verlangsamung" soll insbesondere eine Abnahme einer Relativgeschwindigkeit verstanden werden. Hiermit kann ein hoher Prozentsatz der Bremsenergie in wenigstens einer der Energiespeichereinheiten gespeichert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Energiespeichereinheiten dazu vorgesehen sind, Energie in wenigstens zwei unterschiedlichen Energieformen zu speichern. Hiermit kann bei verschiedenen Rekuperationsmethoden ein zusätzliches Umwandeln von Energie eingespart werden.
Vorzugsweise weist die Energieumwandlungsvorrichtung wenigstens eine Steuereinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, wenigstens zwei unterschiedliche Klassen von Abbremsvorgängen zumindest zwei verschiedenen der Energieumwandlungseinheiten zuzuordnen. Unter einer „Steuereinheit" soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche einen Prozessor und insbesondere einen Speicher, vorzugsweise mit einem darin gespeicherten Programm, aufweist, welches dazu vorgesehen ist, einen Vorgang zu steuern. Unter einer „Klasse" von Abbremsvorgängen soll insbesondere eine Menge von Abbremsvorgängen verstanden werden, bei welchen eine negative Beschleunigung in einem bestimmten Intervall liegt. Unter „unterschiedlichen" Klassen von Abbremsvorgängen sollen insbesondere Klassen von Abbremsvorgängen verstanden werden, deren Intervalle wenigstens teilweise verschieden sind. Darunter, dass eine Klasse von Abbremsvorgängen einer Energieumwandlungseinheit durch die Steuereinheit „zugeordnet" wird, soll insbesondere verstanden werden, dass aufgrund des Intervalls der Klasse von Abbremsvorgängen die Steuereinheit eine Energieumwandlungseinheit auswählt, welche dazu vorgesehen ist, bei einem Abbremsvorgang dieser Klasse frei werdende Bremsenergie hauptsächlich zu rekuperieren. Darunter, dass die ausgewählte Energieumwandlungseinheit die Bremsenergie „hauptsächlich" rekuperiert, soll insbesondere verstanden werden, dass wenigstens fünfzig Prozent der Energie, welche aufgrund der Umwandlung der Bremsenergie in einer der Energiespeichereinheiten gespeichert werden, in der Energiespeichereinheit gespeichert werden, welche der ausgewählten Energieumwandlungseinheit zugeordnet ist. Mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung können ein hoher Wirkungsgrad bei der Rekuperation der Bremsenergie und eine Schonung einer Batterie erreicht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Energieumwandlungseinheiten dazu vorgesehen ist, eine gespeicherte Energie in eine kinetische Energie umzuwandeln. Hiermit kann aufgrund einer Doppelfunktion der Energieumwandlungseinheit wenigsten ein Bauteil eingespart werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Energieumwandlungsvorrichtung wenigstens zwei Antriebseinheiten, welche dazu vorgesehen sind, unabhängig voneinander einzeln und/oder in einem Zusammenwirken wenigstens zweier der Antriebseinheiten einen Antrieb zu generieren. Hiermit kann die gespeicherte Energie auf sinnvolle Weise verwendet und mit der frei werdenden Speicherkapazität weitere, rekuperierte Energie gespeichert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei der Antriebseinheiten mit zumindest zwei der Energieumwandlungseinheiten identisch sind. Hiermit kann konstruktiv einfach Bauraum eingespart werden.
Vorzugsweise umfasst die Energieumwandlungsvorrichtung wenigstens ein Getriebe, welches dazu vorgesehen ist, wenigstens eine der Antriebseinheiten zu übersetzen. Hiermit kann eine effiziente Nutzung der gespeicherten Energie erreicht werden.
Mit Vorteil weist die Energieumwandlungsvorrichtung wenigstens eine Steuereinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, zumindest zwei der Energieumwandlungseinheiten wenigstens teilweise zeitlich überlappend in einem energiesparenden Betriebsmodus zu betreiben. Unter einem „energiesparenden" Betriebsmodus soll insbesondere ein Betriebsmodus verstanden werden, in welchem wenigstens eine Energieumwandlungseinheit mit hohem Wirkungsgrad, insbesondere im Vergleich zu einem alleinigen Betrieb einer Brennkraftmaschine, und besonders vorteilhaft wenigstens zwei Energieumwandlungseinheiten parallel mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung können Energiekosten eingespart werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Energieumwandlungseinheiten als hydraulische Pumpe und/oder hydraulischer Motor ausgebildet ist. Hiermit kann ein hoher Wirkungsgrad bei der Rekuperation von bei starken Bremsvorgängen freiwerdender Bremsenergie erreicht werden.
Mit Vorteil ist wenigstens eine der Energieumwandlungseinheiten als elektrischer Generator und/oder elektrischer Motor ausgebildet. Damit kann ein hoher Wirkungsgrad bei der Reku peration von bei schwachen Bremsvorgängen frei werdender Bremsenergie erreicht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Energieumwandlungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Antriebswelle und Reifen und
2 eine schematische Darstellung eines Kraftflusses.
1 zeigt eine als Kraftfahrzeugenergieumwandlungsvorrichtung ausgebildete Energieumwandlungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs zusammen mit Antriebswellen 34, 40 und Reifen 36. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst drei Energieumwandlungseinheiten 10, 12, 14, welche in zumindest einem Betriebsmodus unabhängig voneinander betreibbar sind. Die Energieumwandlungseinheit 10 ist als Brennkraftmotor, die Energieumwandlungseinheit 12 ist als elektrischer Motor sowie als Generator und die Energieumwandlungseinheit 14 ist als hydraulischer Motor sowie als Pumpe ausgebildet. Die Energieumwandlungseinheit 12 kann in einem Betriebsmodus auch die Funktion eines Generators ausüben. Die Energieumwandlungseinheit 14 kann in einem Betriebsmodus auch kinetische Energie in hydraulische Energie bzw. durch Druck gespeicherte Energie umwandeln. Die Energieumwandlungsvorrichtung weist ferner zwei Energiespeichereinheiten 16, 18 auf, welche jeweils einer der Energieumwandlungseinheiten 12, 14 zugeordnet sind. Die Energiespeichereinheit 16 ist als hydraulische Energie speichereinheit, die Energiespeichereinheit 18 ist als elektrische Batterie ausgebildet. Die Energiespeichereinheit 16 weist zwei hydraulische Speicherelemente 20, 22 auf. Die Energiespeichereinheit 16 ist ferner dazu vorgesehen, in einem Betriebsmodus, in welchem die Energieumwandlungseinheit 14 aus kinetischer Energie hydraulische Energie generiert, von der Energieumwandlungseinheit 14 umgewandelte Energie zu speichern. Außerdem ist die Energiespeichereinheit 18 dazu vorgesehen, in einem Betriebsmodus, in welchem die Energieumwandlungseinheit 12 als Generator fungiert, von der Energieumwandlungseinheit 12 umgewandelte Energie zu speichern. In einem der Betriebsmodi, in welchem eine oder beide der Energieumwandlungseinheiten 12, 14 aus kinetischer Energie eine Energie in einer anderen Energieform generiert bzw. generieren, wird kinetische Energie des Kraftfahrzeugs, welche mittels der Antriebswellen 34, 40, welche durch ein Differential 32 verbunden sind, zu einer der oder beiden der Energieumwandlungseinheiten 12, 14 übertragen wird und Bremsenergie darstellt, in elektrische Energie bzw. hydraulische Energie umgewandelt, welche dann in der Energiespeichereinheit 16 bzw. 18 als chemische bzw. hydraulische Energie bzw. Druckenergie teilweise gespeichert wird.
Die Energieumwandlungsvorrichtung weist ferner eine Steuereinheit 24 auf. Die Steuereinheit 24 ist dazu vorgesehen bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugs zwei unterschiedliche Klassen von Abbremsvorgängen zumindest zwei verschiedenen Energieumwandlungseinheiten 12, 14 zuzuordnen. Starken Abbremsvorgängen, welche zum Beispiel bei einem abrupten Bremsen bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugs im Stadtverkehr vorkommen, ist die hydraulische Energieumwandlungseinheit 14 zugeordnet. Schwachen Bremsvorgängen, welche oft in außerstädtischem Betrieb des Kraftfahrzeugs vorkommen, ist die elektrische Energieumwandlungseinheit 12 zugeordnet.
Die beiden Energieumwandlungseinheiten 12, 14 sind dazu vorgesehen, eine gespeicherte Energie in eine kinetische Energie umzuwandeln. Die Umwandlung in kinetische Energie ist in den Betriebsmodi der Fall, in denen die Energieumwandlungseinheiten 12, 14 als Motor funktionieren, welche die Antriebswellen 34, 40 und damit die Reifen 36 antreiben. In einem der Betriebsmodi, in welchem die Energieumwandlungseinheit 12 als Motor fungiert, ist die Energieumwandlungseinheit 12 mit einer Antriebseinheit 26 identisch, welche einen Antrieb des Kraftfahrzeugs generiert. Ferner ist in einem der Betriebsmodi, in welchem die Energieumwandlungseinheit 14 als Motor fungiert, die Energieumwandlungseinheit 14 mit einer Antriebseinheit 28 identisch, welche einen Antrieb des Kraftfahrzeugs generiert. Die Energieumwandlungseinheit 10 ist ebenfalls mit einer Antriebseinheit 42 identisch. Die Antriebseinheiten 26, 28, 42 können einzeln und in einem Zusammenwirken von zwei oder drei der Antriebseinheiten 26, 28, 42, bei welchem unterschiedliche Anteile eines das Kraftfahrzeug antreibenden Drehmoments von unterschiedlichen der Antriebseinheiten 26, 28, 42 generiert werden, einen Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren. Des Weiteren können die Energieumwandlungseinheiten 12, 14 unabhängig voneinander Bremsenergie rekuperieren. Allgemein sind die Energieumwandlungseinheiten 10, 12, 14 in zumindest einem Betriebsmodus unabhängig voneinander betreibbar.
Die Energieumwandlungsvorrichtung weist ferner ein Getriebe 30 auf, welches in einem der Betriebsmodi einen Antrieb der einzelnen oder der beiden Energieumwandlungseinheiten 10, 12 übersetzt, so dass die Energieumwandlungseinheiten 10, 12 in einem vorteilhaften Drehzahlbereich betreibbar sind.
Ferner ist die Steuereinheit 24 dazu vorgesehen, zumindest zwei der Energieumwandlungseinheiten 10, 12, 14 wenigstens teilweise zeitlich überlappend in einem energiesparenden Betriebsmodus zu betreiben. In einem der energiesparenden Betriebsmodi wird von wenigstens zwei der Energieumwandlungseinheiten 10, 12, 14 ein Antrieb des Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung der Aufladezustände der Energiespeichereinheiten 16, 18 derart generiert, dass sich wenigstens eine der Energieumwandlungseinheiten 12, 14 in einem vorteilhaften Aufladezustand zur Aufnahme von Energie befindet.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftflusses. Die Energieumwandlungseinheit 10 treibt in einem der Betriebsmodi mittels der Kupplung 38, des Getriebes 30 und des Differentials 32 die Antriebswelle 34 an. Die Energieumwandlungseinheit 12 ist dazu vorgesehen, mittels des Getriebes 30 und des Differentials 32 die Antriebswelle 34 anzutreiben. Ferner ist die Energieumwandlungseinheit 14 dazu vorgesehen, mit Hilfe des Differentials 32 die Antriebswelle 34 anzutreiben. In einem der Betriebsmodi übernimmt die Energieumwandlungseinheit 12 die Funktion eines Generators, indem kinetische Energie der Antriebswelle 34, der Reifen 36 und insbesondere kinetische Energie des gesamten Kraftfahrzeugs über eine Übersetzung durch das Getriebe 30 von der Energieumwandlungseinheit 12 in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Energieumwandlungseinheit 14 kann kinetische Energie der Antriebswelle 34, der Reifen 36 und insbesondere kinetische Energie des gesamten Kraftfahrzeugs in einem der Betriebsmodi in hydraulische Energie umwandeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 92/01584 [0002]

Claims

Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere Kraftfahrzeugenergieumwandlungsvorrichtung, mit wenigstens zwei Energieumwandlungseinheiten (10, 12, 14) und mit wenigstens zwei jeweils einer der Energieumwandlungseinheiten zugeordneten Energiespeichereinheiten (16, 18), welche jeweils zumindest zu einer Speicherung von zuvor durch die Energieumwandlungseinheit (10, 12, 14), welcher die Energiespeichereinheit (16, 18) zugeordnet ist, umgewandelter Energie vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheiten (10, 12, 14) in zumindest einem Betriebsmodus unabhängig voneinander betreibbar sind.
Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheiten (12, 14) jeweils dazu vorgesehen sind, Bremsenergie in eine Energie umzuwandeln, welche in der der jeweiligen Energieumwandlungseinheit (12, 14) zugeordneten Energiespeichereinheit (16, 18) zumindest teilweise speicherbar ist.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheiten (16, 18) dazu vorgesehen sind, Energie in wenigstens zwei unterschiedlichen Energieformen zu speichern.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Steuereinheit (24), welche dazu vorgesehen ist, wenigstens zwei unterschiedliche Klassen von Abbremsvorgängen zumindest zwei verschiedenen der Energieumwandlungseinheiten (12, 14) zuzuordnen.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Energieumwandlungseinheiten (10, 12, 14) dazu vorgesehen ist, eine gespeicherte Energie in eine kinetische Energie umzuwandeln.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Antriebseinheiten (26, 28, 42), welche dazu vorgesehen sind, unabhängig voneinander einzeln und/oder in einem Zusammenwirken wenigstens zweier der Antriebseinheiten (26, 28, 42) einen Antrieb zu generieren.
Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Antriebseinheiten (26, 28) mit zumindest zwei der Energieumwandlungseinheiten (12, 14) identisch sind.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet durch wenigstens ein Getriebe (30), welches dazu vorgesehen ist, wenigstens eine der Antriebseinheiten (26, 28) zu übersetzen.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Steuereinheit (24), welche dazu vorgesehen ist, zumindest zwei der Energieumwandlungseinheiten (10, 12, 14) wenigstens teilweise zeitlich überlappend in einem energiesparenden Betriebsmodus zu betreiben.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Energieumwandlungseinheiten (14) als hydraulische Pumpe und/oder hydraulischer Motor ausgebildet ist.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Energieumwandlungseinheiten (12) als elektrischer Generator und/oder elektrischer Motor ausgebildet ist.
Antriebssystem mit wenigstens einer Energieumwandlungsvorrichtung (10, 12, 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Energieumwandlungsverfahren, insbesondere Kraftfahrzeugenergieumwandlungsverfahren und insbesondere mit einer Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei wenigstens zwei Energieumwandlungseinheiten (12, 14), denen jeweils zumindest eine Energiespeichereinheit (16, 18) zugeordnet ist, welche jeweils zumindest zu einer Speicherung von zuvor durch die Energieumwandlungseinheit (12, 14) umgewandelter Energie vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebsmodus getrennt und/oder unabhängig voneinander betrieben werden.
Energieumwandlungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Klassen von Abbremsvorgängen zumindest zwei verschiedenen der Energieumwandlungseinheiten (12, 14) zugeordnet werden.
Energieumwandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Energieumwandlungseinheiten (10, 12, 14) wenigstens teilweise zeitlich überlappend in einem energiesparenden Betriebsmodus betrieben werden.