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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems
für ein
Kraftfahrzeug sowie ein zugehöriges
Antriebssystem.
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Aus
dem Stand der Technik sind beispielsweise Antriebssysteme bekannt,
die unterschiedliche Antriebe, insbesondere Verbrennungsmotoren
und Elektromotoren, umfassen. Diese Antriebe werden in unterschiedlicher
Art und Weise miteinander kombiniert, um ein Fahrzeug möglichst
energiesparend anzutreiben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
eines Antriebssystems und ein Antriebssystem bereitzustellen, das
auf einfache Art und Weise möglichst
energiesparend zum Antreiben eines Fahrzeugs geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Ein solches Verfahren dient zum Betreiben eines Antriebssystems
für ein
verbrennungsmotorfreies Kraftfahrzeug, das zum einen einen elektromotorischen Antrieb
mit einer zugehörigen
Batterie und zum anderen einen fluidischen Antrieb mit einem Fluidspeicher umfasst.
Im Betrieb dieses Antriebssystems wird zur Bereitstellung einer über einem
ersten Grenzwert G1 liegenden Leistung L1 für
einen Zeitraum t1, insbesondere beim Anfahren
und/oder beim Beschleunigen, vom fluidischen Antrieb im Fluidspeicher
gespeicherte fluidische Energie in kinetische Antriebsenergie umgewandelt.
Dies ist deshalb vorteilhaft, weil in einem Fluidspeicher Energie
mit einer vergleichsweisen hohen Leistungsdichte und einer vergleichsweisen
geringen Energiedichte, jeweils bezogen auf die Masse des Speichers,
speicherbar ist, wobei ein Großteil
der gespeicherten Energie innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums
zur Verfügung
gestellt werden kann. Fluidspeicher, die als hydraulik- oder Pneumatikspeicher
ausgebildet sein können,
weisen typischerweise eine Leistungsdichte im Bereich von etwa 100
bis 300 KW/kg und eine Energiedichte im Bereich von etwa 5 bis 10
Wh/kg auf. Daraus resultiert eine Zeitdauer für eine vollständige Entladung von
0,36 s pro kg Speicher.
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Um
dennoch das Antriebssystem über
einen längeren
Zeitraum betreiben zu können,
wird im Betrieb des Antriebssystems zur Bereitstellung einer unterhalb
eines zweiten Grenzwertes G2 liegenden Leistung
L2, die insbesondere kleiner ist als die
Leistung L1, für einen Zeitraum t2,
der insbesondere größer ist
als der Zeitraum t1, vom elektromotorischen Antrieb
in der Batterie gespeicherte elektrische Energie in kinetische Antriebsenergie
umgewandelt. Das Vorsehen einer Batterie hat den Vorteil, dass sie
eine vergleichsweise hohe Energiedichte und eine vergleichsweise
geringe Leistungsdichte, jeweils bezogen auf die Masse der Batterie,
aufweist. Dadurch kann insbesondere bei Fahrten mit weitgehend konstanter
Geschwindigkeit sehr energiesparend eine vergleichsweise geringe
Leistung für
einen vergleichsweise langen Zeitraum t2 bereitgestellt
werden. Batterien, insbesondere NiCd oder Lithium Batterien, weisen
typischerweise eine Leistungsdichte im Bereich von etwa 10 bis 100
W/kg und eine Energiedichte im Bereich von etwa 10 bis 100 Wh/kg
auf. Daraus resultiert eine Zeitdauer für eine vollständige Entladung
von etwa 1 h pro kg Batterie.
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Da
die beiden Antriebe vorzugsweise völlig unabhängig voneinander betreibbar
sind, ergibt sich zudem ein vergleichsweise einfacher Aufbau des
Antriebssystems.
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Vorzugsweise
ist der erste Grenzwert G1 kleiner als der
zweite Grenzwert G2. Hierdurch wird gewährleistet,
dass in einem Übergangsbereich
GÜ für den gilt:
G1 < GÜ < G2,
beide Antriebe parallel arbeiten. Dadurch wird gewährleistet,
dass keine ”Lücke” entsteht,
innerhalb derer keiner der beiden Antriebe zum Antreiben des Fahrzeugs
in Betrieb sind.
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Allerdings
ist denkbar, dass der erste Grenzwert G1 gleich
dem zweiten Grenzwert G2 ist. Hierdurch
ergibt sich ein direkter Übergang
beim Antreiben des Fahrzeugs vom elektromotorischen Antrieb zum
fluidischen Antrieb und umgekehrt.
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Je
nach Art, Größe und Gewicht
des Fahrzeugs können
die Grenzwerte G1 und G2 entsprechend
gewählt
werden. Bei Fahrzeugen der Unterklasse und unteren Mittelklasse
hat sich gezeigt, dass der erste Grenzwert G1 und/oder
der zweite Grenzwert G2 vorteilhafterweise
im Bereich von 10 kW bis 25 kW und insbesondere im Bereich von etwa 20
kW liegt. Je höher
insbesondere der erste Grenzwert G1 liegt,
desto größer ist
in der Regel der fluidische Antrieb und desto schwerer ist der zugehörige Fluidspeicher
auszulegen.
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Der
fluidische Antrieb mit zugehörigem
Fluidspeicher ist vorteilhafterweise so auszulegen, dass eine Leistung
L1, die über
dem Grenzwert G1 liegt, vorzugsweise über einen
Zeitraum t1 von 3 s bis 20 s, bereitgestellt
wird. Ein bevorzugter Zeitraum t1 liegt zwischen
5 s und 8 s. Der Fluidspeicher benötigt dann, bei einer Leistungsdichte
von 100 kW/kg, einer Energiedichte von 10 Wh/kg und einem Gewicht
von 15 kg einen Zeitraum t1 von ca. 5 bis
6 s (siehe 2) zur vollständigen Entladung.
Durch die Wahl derartiger Bereiche wird gewährleistet, dass ausreichend Energie
zur Erzielung einer entsprechend hohen Leistung für einen
ausreichenden Zeitraum zur Verfügung
gestellt wird.
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Der
elektromotorische Antrieb samt Batterie ist vorzugsweise so ausgelegt,
dass mit ihm eine Leistung L2 für eine bis
mehrere Stunden zur Verfügung
gestellt werden kann. Die Batterie benötigt dann, bei einer Leistungsdichte
von 100 W/kg, einer Energiedichte von 50 Wh/kg und einem Gewicht
von 15 kg einen Zeitraum t1 von ca. 7,5
h zur vollständigen
Entladung (siehe 2). Hierdurch wird sichergestellt,
dass mit dem Fahrzeug auch entsprechende Langstrecken zurückgelegt
werden können.
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Wie
eingangs erwähnt,
ist es vorteilhaft, wenn das Fahrzeug lediglich zwei Antriebe, nämlich zum
einen den elektromotorischen Antrieb und zum anderen den fluidischen
Antrieb vorsieht. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet deshalb
insbesondere ohne das Vorsehen eines Verbrennungsmotors.
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Vorteilhaft
ist, wenn beim Abbremsen des Fahrzeugs kinetische Bremsenergie mittels
des fluidischen Antriebs, der dann als Fluidpumpe wirkt, und/oder
des elektromotorischen Antriebs, der dann als Generator wirkt, in
fluidische Energie und/oder in elektrische Energie umgewandelt wird
und im Fluidspeicher und/oder in der Batterie gespeichert wird. Hierdurch
wird erreicht, das beim Bremsvorgang abzubauende kinetische Bremsenergie
um einen über den
fluidischen Antrieb in fluidische Energie und zum anderen über den
elektromotorischen Antrieb in elektrische Energie umgewandelt wird.
Dadurch werden die entsprechenden Energiespeicher gefüllt. Energie steht
dann zum Betreiben des Antriebssystems zur Verfügung.
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Vorteilhaft
ist dabei, wenn beim Abbremsen des Fahrzeugs zunächst kinetische Bremsenergie mittels
des fluidischen Antriebs in fluidische Energie umgewandelt und im
Fluidspeicher gespeichert wird. Erst dann, wenn der Fluidspeicher
einen vorgegebenen Füllstand
erreicht hat, wird kinetische Bremsenergie mittels des elektrischen
Antriebs in elektrische Energie umgewandelt und in der Batterie
gespeichert. Dadurch wird gewährleistet,
dass zunächst
der Fluidspeicher den vorgegebenen Füllstand aufweist. Dies hat
den Vorteil, dass bei einem gewünschten Beschleunigungsvorgang,
wenn eine vergleichsweise hohe Leistung zur Verfügung zu stellen ist, ausreichend
Energie im Fluidspeicher vorhanden ist.
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Ein
weiteres vorteilhaftes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
beim Abbremsen des Fahrzeugs die Höhe der abzubauenden Bremsleistung bestimmt
wird und dass dann, wenn diese Bremsleistung oberhalb eines Grenzwertes
G3 liegt, die kinetische Bremsenergie mittels
des fluidischen Antriebs in fluidische Energie umgewandelt und im
Fluidspeicher gespeichert wird, und dass dann, wenn die abzubauende
Bremsleistung unterhalb eines Grenzwertes G4 liegt,
die kinetische Bremsenergie mittels des elektromotorischen Antriebs
in elektrische Energie umgewandelt und in der Batterie gespeichert wird.
Dies hat den Vorteil, dass beim vergleichsweise starken Bremsen,
bei dem eine hohe Leistungsdichte auftritt, der Fluidspeicher vergleichsweise
schnell füllbar
ist. Beim schwachen Bremsen, mit geringerer Leistungsdichte, kann
die Batterie entsprechend geladen werden.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, wenn kurz vor dem Abstellen, beim Abstellen, beim
Starten des Antriebssystems oder kurz nach dem Starten des Antriebssystems
der Füllstand
des Fluidspeichers überprüft wird
und dass dann, wenn ein Mindestfüllstand
nicht vorliegt, der elektromotorische Antrieb den fluidischen Antrieb
zur Ladung des Fluidspeichers antreibt, bis der Mindestfüllstand
erreicht wird. Dies hat den Vorteil, dass nach dem Abstellen des
Fahrzeugs zum Anfahren ausreichend Energie im Fluidspeicher vorhanden
ist, um eine geeignete Beschleunigung beim Anfahrvorgang bereitstellen
zu können.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug,
umfassend lediglich zwei Antriebe, nämlich einen elektromotorischen
Antrieb mit einer zugehörigen
Batterie und einem fluidischen Antrieb mit einem Fluidspeicher gelöst, welches
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen ist. Ein derartiges Antriebssystem sieht vorzugsweise
eine Steuereinheit vor, die je nach zu bereitstellender Leistung
und/oder aufzunehmender Bremsleistung den elektromotorischen Antrieb
und/oder den fluidischen Antrieb ansteuert. Zudem ist vorzugsweise
ein Nachladesystem vorgesehen, dass mit externer Energie zur Nachladung
der Batterie und/oder des Fluidspeichers vorgesehen ist. Durch ein
derartiges Nachladesystem kann insbesondere die Reichweite des Fahrzeugs
erhöht
werden. Das Nachladesystem kann über
beispielsweise mit Sonnenenergie, Wasserstoff, fossilen Brennstoffen
oder dergleichen betreibbar sein.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer das in
der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
beschrieben und erläutert
ist.
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Es
zeigen:
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1 Eine
schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem;
und
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2 ein
Ragone Diagramm.
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In
der 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug 10 mit
einem erfindungsgemäßen Antriebssystem 12 dargestellt.
Das System 12 umfasst einen elektromotorischen Antrieb 14 mit
einer Batterie 16. Ferner ist ein fluidischer Antrieb 18, beispielsweise
in Form eines Pneumatik- oder Hydraulikmotors, samt zugehörigem Fluidspeicher 20 vorgesehen.
Die Abtriebswelle 22 des Elektromotors 14 sowie
die Abtriebswelle 24 des fluidischen Motors 18 sind
jeweils über
entsprechende Umlenkgetriebe 26, wie beispielsweise Differentialgetriebe,
mit einer Antriebswelle 28, die zugehörige Räder 30 antreibt, verbunden.
Zwischen dem elektromotorischen Antrieb 14 beziehungsweise
dem fluidischen Antrieb 18 und der Antriebswelle 28 können zudem
nicht dargestellte Schaltgetriebe zur geeigneten Umwandlung der
Drehmomente und Drehzahlen vorgesehen sein.
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Zur
Ansteuerung der beiden Antriebe 14 und 18 ist
ein Steuergerät 32 vorgesehen.
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Das
in der 1 dargestellte Antriebssystem 12 wird
derart betrieben, dass zur Bereitstellung einer über einen ersten Grenzwert
G1, der bei 20 kW liegt, die vom fluidischen
Antrieb 18 zur Verfügung stellbare
Leistung L1 in kinetische, die Antriebswelle 28 antreibende
Antriebsenergie umgewandelt wird. Aufgrund der hohen Leistungsdichte
der im Fluidspeicher 20 gespeicherten Energie kann für einen vergleichsweise
kurzen Zeitraum t1, der im Bereich von 3
s bis 8 s liegt, eine vergleichsweise hohe Leistung zur Verfügung gestellt
werden. Beim Fahren des Fahrzeugs 10 wird zur Bereitstellung
eine unterhalb des Grenzwertes G1 liegenden
Leistung das Antriebssystem 12 nicht mehr mit dem fluidischen
Antrieb 18, sondern mit dem elektromotorischen Antrieb 14 betrieben.
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Gegenüber dem
fluidischen Antrieb 18 ist der elektromotorische Antrieb 14 samt
Batterie 16 so ausgelegt, dass eine Leistung von unter
20 kW für
einen Zeitraum t2 über vorzugsweise mehrere Stunden zur
Verfügung
gestellt werden kann.
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Beim
Abbremsen des Fahrzeugs 10 wird die an der Antriebswelle 28 zur
Verfügung
stehende kinetische Bremsenergie verwendet, um den elektromotorischen
Antrieb 14 beziehungsweise den fluidischen Antrieb 18,
welche dann jeweils als Generator beziehungsweise Pumpe wirken,
anzutreiben. Mit der vom elektromotorischen Antrieb 14 erzeugte elektrischen
Energie wird die Batterie 16 geladen. Mit der vom fluidischen
Antrieb 18 erzeugten fluidischen Energie wird der Fluidspeicher 20 gefüllt.
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Vorzugsweise
erfolgt die Umwandlung der Bremsenergie derart, dass bei starken
Bremsvorgängen
mittels dem fluidischen Antrieb 18 der Fluidspeicher 20 gefüllt wird.
Bei schwachen Bremsvorgängen wird
vorzugsweise über
den elektromotorischen Antrieb 14 die Batterie 16 aufgeladen.
Welcher der beiden Antriebe 14, 18 als Generator
beziehungsweise Pumpe beim Bremsvorgang wirkt, kann über das Steuergerät 32 gesteuert
werden. Vorzugsweise erfolgt die Steuerung derart, dass zunächst der
Fluidspeicher gefüllt
wird. Erst dann, wenn der Fluidspeicher 20 einen vorgegebenen
Füllstand
erreicht, wird auf den elektromotorischen Antrieb 14 umgeschalten,
um dann die Batterie 16 zu laden.
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Das
Antriebssystem 12 ist ferner so ausgebildet, dass beim
Abstellen des Antriebsystems 12 der Füllstand des Fluidspeichers 20 überprüft wird. Liegt
ein Mindestfüllstand
nicht vor, so wird über
den elektromotorischen Antrieb 14, der mit der Batterie 16 betrieben
wird, der fluidische Antrieb 18 zur Ladung des Fluidspeichers 20 so
lange angetrieben, bis ein Mindestfüllstand erreicht ist. Dies
hat den Vorteil, dass unmittelbar nach dem Starten des Antriebsystems
eine vergleichsweise hohe Leistung zum Anfahren des Fahrzeugs 10 zur
Verfügung
gestellt werden kann.
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Das
Fahrzeug 10 sieht zudem ein nicht dargestelltes, mit externer
Energie betreibbares Nachladesystem zur Nachladung der Batterie
und/oder des Fluidspeichers vor. Ein derartiges Nachladesystem kann
beispielsweise mittels einer Brennstoffzelle betreibbar sein.
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In
der 1 sind die unabhängig voneinander betreibbaren
Antriebe 14 und 18 zum Antreiben von unterschiedlichen
Antriebswellen vorgesehen. Der elektromotorische Antrieb 14 treibt
beispielsweise die Hinterachse und der fluidische Antrieb 18 die Vorderachse
an. Gemäß der Erfindung
können
allerdings die Antriebe 14 und 18 auch so angeordnet sein,
dass sie die gleiche Achse antreiben. Vorzugsweise handelt es sich
bei den Antrieben 14 und 18 um jeweils autarke
Systeme, die unabhängig
voneinander im Fahrzeug angeordnet sind.
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In
dem in der 2 dargestellten Ragone-Diagramm
werden die unterschiedlichen Energiespeichertechnologien, nämlich zum
einen die Batteriespeicher 50 und zum anderen die Fluidspeicher 60 miteinander
verglichen. Gezeigt ist die spezifische Energie beziehungsweise
Energiedichte in Abhängigkeit
von der spezifischen Leistung beziehungsweise Leistungsdichte. Durch
die Division der spezifischen Energie durch die spezifische Leistung
ergeben sich die Zeiten für
eine vollständige
Entladung. Diese Zeiten lassen sich aus den diagonal verlaufenden
Isochronen entnehmen.
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Batterien,
insbesondere Nickel-Kadmium- oder Licium-Batterien befinden sich
in dem in der 2 dargestellten Bereich 50.
Ihre Leistungsdichte beträgt
cirka 100 Watt/kg und ihre Energiedichte liegt im Bereich von 50
bis 100 Wh/kg.
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Demgegenüber weisen
fluidische Speicher eine Leistungsdichte im Bereich von 50 bis 500
000 Watt/kg und eine Energiedichte im Bereich von 5 bis 10 Wh/kg
auf. Bei einer Leistungsdichte von 100 000 Watt/kg, einer Energiedichte
von 10 Wh/kg und einem Gewicht von 15 kg dauert dann eine vollständige Entladung
des Fluidspeichers 5 s bis 6 s (10 Wh/kg:100 000 W/kg × 15 kg).
Eine Batterie mit einer Leistungsdichte von 100 Watt/kg, einer Energiedichte von
50 Wh/kg und einem Gewicht von 15 kg benötigt dann einen Zeitraum von
cirka 7,5 h bis zur vollständigen
Entladung (50 Wh/kg:100 W/kg × 15
kg).
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In
der 2 ist eine gestrichelte Linie 70 im mittleren
Bereich zwischen den Bereichen 50 und 60 liegend
eingezeichnet. Soll eine hohe Leistungsdichte mit geringer Energiedichte,
die unterhalb der Linie 70 liegt, zur Verfügung gestellt
werden, so erfolgt dies über
den fluidischen Speicher samt fluidischem Antrieb. Soll eine hohe
Energiedichte mit geringerer Leistungsdichte, also ein Wert im Bereich
oberhalb der Linie 70 zur Verfügung gestellt werden, so erfolgt dies
vorzugsweise über
die Batterie samt zugehörigem
elektromotorischem Antrieb.