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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Antrieb, mit einem Energiespeicher
zum Speichern von elektrischer Energie und mit wenigstens einer elektrischen
Maschine, mittels welcher Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische
Energie für den Antrieb des Fahrzeugs wandelbar ist. Hierbei
ist die elektrische Energie in den elektrischen Energiespeicher
einbringbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum
Betreiben eines solchen Fahrzeugs.
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Die
DE 10 2004 025 830
A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridfahrzeugs,
welches einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine aufweist.
Der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine sind mit einem
Getriebe gekoppelt. Beim Abbremsen des Fahrzeugs kann die elektrische
Maschine als Generator betrieben werden und so Bewegungsenergie
des Fahrzeugs in elektrische Energie wandeln. Zum Speichern der
elektrischen Energie ist eine aufladbare Batterie vorgesehen, welche über
die – dann als Elektromotor betriebene – elektrische
Maschine und das Getriebe das Fahrzeug antreiben kann.
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Als
nachteilig bei einem derartigen Fahrzeug ist der Umstand anzusehen,
dass die Nutzung der Bewegungsenergie des Fahrzeugs nicht immer
zufrieden stellend verläuft.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Fahrzeug der eingangs
genannten Art sowie ein Verfahren zu schaffen, welches ein verbessertes
Nutzen der Bewegungsenergie des Fahrzeugs ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Fahrzeug weist einen Antrieb
auf sowie einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie
und wenigstens eine elektrische Maschine, mittels welcher Bewegungsenergie
des Fahrzeugs in elektrische Energie für den Antrieb des
Fahrzeugs wandelbar ist. Die elektrische Energie ist in den elektrischen
Energiespeicher einbringbar. Zusätzlich zu dem elektrischen Energiespeicher
ist wenigstens ein mechanischer Energiespeicher vorgesehen, in welchem
in mechanische Energie gewandelte Bewegungsenergie des Fahrzeugs
speicherbar ist. Die mechanische Energie ist anschließend
in elektrische Energie wandelbar.
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So
kann beim Abbremsen des Fahrzeugs die Bewegungsenergie des Fahrzeugs
in elektrische Energie gewandelt und in den elektrischen Energiespeicher
eingebracht werden. Ergänzend oder alternativ kann beim
Abbremsen des Fahrzeugs mechanische Energie in den mechanischen
Energiespeicher eingebracht werden. Ein solches, besonders weitgehendes
und somit verbessertes Nutzen der Bewegungsenergie des Fahrzeugs
kann insbesondere dann wünschenswert sein, wenn die beim
Abbremsen des Fahrzeugs generierte elektrische Energie nicht vollständig
in den elektrischen Energiespeicher eingebracht werden kann. Dies
kann der Fall sein, wenn der elektrische Energiespeicher nicht für
ein Aufnehmen der elektrischen Energie in der bei einem sehr starken
und/oder abrupten Abbremsen des Fahrzeugs anfallenden Größe
ausgelegt ist und/oder wenn der elektrische Energiespeicher schon
so weit geladen ist, dass die anfallende elektrische Energie nicht
mehr voll aufgenommen werden kann.
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Insbesondere
in diesen Fällen steht dann der mechanische Energiespeicher
zum Aufnehmen von mechanischer Energie zur Verfügung. Hierbei
kann die Bewegungsenergie des Fahrzeugs insbesondere zunächst
in elektrische Energie gewandelt werden, wobei dann die elektrische
Energie genutzt wird, um den mechanischen Energiespeicher aufzuladen. Dies
kann mittels einer – dann als Elektromotor betriebenen – elektrischen
Maschine vollbracht werden, welche dem anschließenden Rückwandeln
der in dem mechanischen Energiespeicher gespeicherten mechanischen
Energie in elektrische Energie dienen kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mechanische
Energiespeicher als Druckmediumspeicher ausgebildet, wobei mittels
der elektrischen Maschine ein Druckmedium in den Druckmediumspeicher
einbringbar und die mechanische Energie des Druckmediums in elektrische
Energie wandelbar ist. Das Druckmedium stellt also eine weitere,
indirekte Quelle elektrischer Energie dar, so dass der elektrische Energiespeicher
weniger groß ausgelegt zu werden braucht, als wenn dieser
alleine die beim Abbremsen anfallende elektrische Energie aufnehmen
soll. Damit ist ein vergleichsweise geringes Gesamtgewicht des Fahrzeugs
realisierbar, welches im Falle eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs
seiner Reichweite zuträglich ist.
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Ein
solcher Druckmediumspeicher, insbesondere Druckgasspeicher, ermöglicht,
etwa im Gegensatz zu einem Schwungradspeicher, ein besonders langfristiges
Speichern der mechanischen Energie.
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Der
Druckmediumspeicher kann insbesondere einen Anschluss zum Einbringen
des Druckmediums aus einer externen Quelle aufweisen. Dadurch ist
es ermöglicht, den Druckmediumspeicher nicht nur beim Abbremsen
des Fahrzeugs, sondern auch durch Anschließen an die externe
Quelle, beispielsweise an eine Druckgastankstelle, zu laden.
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Ein
verbessertes Nutzen der Bewegungsenergie des Fahrzeugs wird gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben
eines Fahrzeugs erreicht, bei welchem wenigstens eine elektrische
Maschine Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie für
einen Antrieb des Fahrzeugs wandelt. Hierbei wird elektrische Energie
in einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie
eingebracht. Zusätzlich wird in mechanische Energie gewandelte
Bewegungsenergie des Fahrzeugs in wenigstens einen mechanischen
Energiespeicher eingebracht, wobei die gespeicherte mechanische
Energie anschließend in elektrische Energie gewandelt wird.
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Die
für das erfindungsgemäße Fahrzeug beschriebenen
Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch
für das erfindungsgemäße Verfahren zum
Betreiben eines Fahrzeugs.
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Die
vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder
in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen
sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch
in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Diese
zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher
und einem Druckgasspeicher.
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Bei
dem in der Figur schematisch gezeigten Fahrzeug 10 handelt
es sich bevorzugt um ein Hybridfahrzeug, es ist jedoch auch eine
Ausführungsform des Fahrzeugs 10 vorstellbar,
bei welcher dieses als Elektrofahrzeug ausgebildet ist.
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Das
Fahrzeug 10 weist eine Traktionsbatterie 12 als
elektrischen Energiespeicher auf, welche über ein Bordnetz 14 mit
einem Antrieb 16 des Fahrzeugs 10 gekoppelt ist.
Der Antrieb 16 umfasst vorliegend eine elektrische Maschine,
mittels welcher über ein Getriebe das Fahrzeug 10 elektromotorisch
antreibbar ist. Des Weiteren umfasst der Antrieb 16 eine Verbrennungskraftmaschine,
welche ebenfalls mit dem Getriebe gekoppelt ist. Hierbei können
vorteilhaft die Verbrennungskraftmaschine und die elektrische Maschine
auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Die elektrische Maschine
wirkt beim Abbremsen des Fahrzeugs 10 als Generator und
dient dem Wandeln von Bewegungsenergie des Fahrzeugs 10 in
elektrische Energie, welche dann in die Traktionsbatterie 12 eingebracht
wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform des Fahrzeugs 10 umfasst
der Antrieb 16 die als Elektromotor und Generator betreibbare
elektrische Maschine, welche insbesondere als Radnabenmotor ausgebildet
sein kann. Insbesondere können mehrere Radnabenmotoren
vorgesehen sein. Unter Verzicht auf ein Getriebe kann dann die Verbrennungskraftmaschine
des Antriebs 16 mit einem Generator gekoppelt sein und
so dem Bereitstellen von elektrischer Energie für die Radnabenmotoren
dienen.
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Mit
dem Bordnetz 14 ist vorliegend zusätzlich eine
elektrische Druckluftmaschine 18 gekoppelt. Die elektrische
Druckluftmaschine 18 ist als elektrischer Kompressor betreibbar,
wenn über das Bordnetz 14 elektrische Energie
zur Verfügung gestellt wird. Dies ist beispielsweise beim
Abbremsen des Fahrzeugs 10 der Fall, insbesondere bei einer
Vollbremsung, bei welcher über den Antrieb 16 besonders
viel elektrische Energie zurückgewonnen wird.
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Ist
die Traktionsbatterie 12, bei welcher es sich insbesondere
um einen Lithium-Ionen-Akkumulator handeln kann, bereits sehr weitgehend
geladen oder nicht zum Aufnehmen des beim starken Abbremsen des
Fahrzeugs 10 generierten elektrischen Stroms ausgelegt,
so wird die überschüssige elektrische Energie
genutzt, um die Druckluftmaschine 18 als Kompressor zu
betreiben. Die Druckluftmaschine 18 komprimiert dann Gas
und bringt dieses als Druckgas in einen Druckgasspeicher 20 ein.
Der Druckgasspeicher 20 ist vorteilhaft aus faserverstärktem
Kunststoff und somit besonders leicht ausgebildet. Er kann für
einen Druck von beispielsweise 700 bar ausgelegt sein.
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Wenn
die elektrische Energie der Traktionsbatterie 12 weitgehend
erschöpft ist, kann über den Druckgasspeicher 20 die
Druckluftmaschine 18 als Expander zum Entspannen des Druckgases
betrieben werden und dann elektrische Energie über das Bordnetz 14 für
den elektrischen Antrieb 16 zur Verfügung stellen.
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Vorteilhaft
ist die Druckluftmaschine 18 als eine wenigstens eine Kolben-Zylinder-Einheit
aufweisende Linearmaschine ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen
des Fahrzeugs können bei der Linearmaschine mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten vorgesehen
sein, welche dann Komponenten eines Linearmotors (im Kompressorbetrieb)
bzw. eines Lineargenerators (im Expanderbetrieb) sind.
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Als
Heizeinrichtung zum Einbringen von Wärme in das in dem
Druckgasspeicher 20 gespeicherte Druckgas ist vorliegend
ein Wärmeübertrager 22 vorgesehen, in
welchen über eine Leitung 24 Abwärme
der Verbrennungskraftmaschine des Antriebs 16 eingebracht
werden kann. Das Einbringen von Abwärme des Verbrennungsmotors
in den Wärmeübertrager 22 ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn die Druckluftmaschine 18 als Expander
betrieben werden soll, um elektrische Energie zu generieren. Eine durch
den Wärmeübertrager 22 erhöhte
Temperatur des Druckgases sorgt dann nämlich für
eine Steigerung der in dem Druckgasspeicher 20 gespeicherten Energie.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nach dem Befüllen
des Druckgasspeichers 20 infolge des Abkühlens
des Druckgases bis zu 30% der in dem Druckgasspeicher 20 gespeicherten
Energie verloren gehen können, wenn dem Abkühlen
nicht durch Einbringen von Wärme mittels des Wärmeübertragers 22 entgegengewirkt
wird.
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Der
Druckgasspeicher 20 weist vorliegend einen Tankanschluss 26 auf.
Dadurch ist es ermöglicht, den Druckgasspeicher 20 nicht
nur mittels der Druckluftmaschine 18 zu befüllen,
sondern auch beim Betanken mit Druckgas an einer Tankstelle. Es kann
so vergleichsweise rasch Druckgas zum Erhöhen der Reichweite
des Fahrzeugs 10 zur Verfügung gestellt werden.
Das Betanken des Druckgasspeichers 20 über den
Tankanschluss 26 kann zeitgleich mit oder zeitversetzt
zu dem Betanken eines Kraftstofftanks, insbesondere eines Kraftstofftanks
für Ottokraftstoff oder Dieselkraftstoff, erfolgen, welcher
die Verbrennungskraftmaschine des Antriebs 16 versorgt.
Auch hier sorgt dann das Betanken mit Kraftstoff für ein
Erhöhen der Reichweite des Fahrzeugs 10. Des Weiteren
kann ein Stromanschluss 28 der Traktionsbatterie 12 insbesondere
zum langsamen, vergleichsweise viel Zeit beanspruchenden Aufladen des
elektrischen Energiespeichers, nämlich der Traktionsbatterie 12,
genutzt werden, beispielsweise wenn das Fahrzeug 10 über
Nacht steht.
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Der
Wärmeübertrager 22 kann, wie vorliegend
beispielhaft gezeigt, mit einer Klimaanlage 30 des Fahrzeugs 10 gekoppelt
sein. Dadurch kann Wärme, die beim Aufladen des Druckgasspeichers 20 frei
wird, an die Klimaanlage 30 abgegeben werden und so zum
Klimatisieren eines Fahrgastraums des Fahrzeugs 10 herangezogen
werden. Wie vorliegend schematisch angedeutet, kann vom Antrieb 16 Abwärme
auch direkt für die Klimaanlage 30 bereitgestellt
werden. Die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine kann
jedoch auch indirekt stationär genutzt werden. Ebenso ist
eine stationäre Nutzung der Wärme, die beim Einbringen
von Druckgas in den Druckgasspeicher 20 entsteht, möglich.
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Die
Verbrennungskraftmaschine wird also vorliegend nicht nur unter dem
Gesichtspunkt des Bereitstellens von Antriebsleistung betrieben,
sondern auch im Hinblick auf das Bereitstellen von Abwärme,
welche dann über den Wärmeübertrager 22 die
mögliche Energieausbeute aus dem in dem Druckgasspeicher 20 gespeicherten
Druckgas erhöht.
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- 10
- Fahrzeug
- 12
- Traktionsbatterie
- 14
- Bordnetz
- 16
- Antrieb
- 18
- Druckluftmaschine
- 20
- Druckgasspeicher
- 22
- Wärmeübertrager
- 24
- Leitung
- 26
- Tankanschluss
- 28
- Stromanschluss
- 30
- Klimaanlage
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004025830
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