DE102010033234A1

DE102010033234A1 - Energiespeichervorrichtung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102010033234A1
Application number: DE102010033234A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Dominik Bergmann; Dr. Gerlich Matthias; Guillaume Pais; Christian Tump
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2012-02-09
Also published as: WO2012016769A2; WO2012016769A3

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung von überschüssiger kinetischer Energie von einer rotierenden Welle (3). Die kinetische Energie ist partiell durch mindestens eine auf der Welle (3) angeordnete erste elektrische Maschine (1) in eine elektrische Energie wandelbar und partiell durch mindestens eine auf der Welle (3) angeordnete zweite elektrische Maschine (2) in eine weitere kinetische Energie wandelbar. Die mindestens eine zweite elektrische Maschine (2) weist einen zweiten Stator (22) auf, der auf der Welle (3) befestigt ist und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Welle (3) rotiert, sowie ein außen laufendes Schwungrad (23), das über eine Klemmvorrichtung (24) blockierbar ist, wodurch die mindestens eine zweite Maschine (2) als Motor betreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung zur kurzfristigen Speicherung überschüssiger kinetischer Energie. Weiterhin wird ein Betriebsverfahren für diese Vorrichtung beschrieben.
Eine übliche Energieform, in die beispielsweise überschüssige kinetische Energie gewandelt wird, ist etwa chemische Energie, wobei kinetische Energie zunächst in Strom umgewandelt wird, mit welchem beispielsweise ein Bleiakkumulator geladen wird. Erzeugter elektrischer Strom kann auch als elektrische Energie, beispielsweise in Kondensatoren, insbesondere in Hochleistungskondensatoren, sogenannten ”Supercaps”, gespeichert sein. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Speicherung mechanischer Energie in kinetische oder potenzielle Energie, wobei als eine Variante ein Schwungradspeicher zu nennen ist.
Derartige Energiespeichervorrichtungen sind beispielsweise in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen einsetzbar. Als hochdynamische Pufferspeicher werden insbesondere Hochleistungskondensatoren zur Speicherung elektrischer Energie verwendet. Zweckmäßigerweise werden bei einer Energiespeichereinrichtung, wie einem herkömmlichen Schwungrad zwei elektrische Maschinen mit Umrichter benötigt, welche jeweils auf die maximale Leistung der Energiequelle ausgelegt sein müssen, eine für den Speicherbetrieb und eine für die Rückspeicherung. Damit wird beispielsweise die Baugröße erhöht und die Energiedichte des Speichers verringert. Der Wirkungsgrad von Schwungrädern wird im Wesentlichen von Umwandlungsverlusten, sowie von der Lagerreibung bestimmt.
Als hochdynamische Pufferspeicher werden z. B. Hochleistungskondensatoren oder herkömmliche Schwungräder mit zwei elektrischen Maschinen als Energiewandler eingesetzt. Ein Nachteil solcher Kondensatoren besteht meist darin, dass die starke Temperaturabhängigkeit zu einer geringen Lebensdauer und somit zu hohen Kosten und entsprechend geringer Leistungsfähigkeit führt. Für die Kondensatoren gilt, dass Wirkungsgrade von mehr als 95% erzielbar sind. Bezogen auf die Energiedichte weisen die Kondensatoren jedoch lediglich Werte von 2–5 Wh/kg auf. Dagegen sind Schwungradspeicher mit Wirkungsgraden von 90–95% behaftet, bei einer Energiedichte von bis zu 50 Wh/kg.
Aufgrund der Tatsache, dass der Energieinhalt quadratisch mit der Drehzahl skaliert, ist man bestrebt, möglichst hohe Drehzahlen zu erreichen, die im Wesentlichen durch die Zerreißgröße des Rotormaterials begrenzt ist. Materialien wie Kohlefaser verstärkter Kunststoff (CFK) oder Glasfaser verstärkter Kunststoff (GFK) weisen trotz ihrer im Vergleich zu Stahl niedrigen Dichte aufgrund ihrer hohen Zerreißfestigkeit eine theoretische maximale Energiedichte von 1570 kJ/kg auf. Beim Werkstoff Stahl beträgt dieser Wert 106 kJ/kg.
Der hohe Wirkungsgrad von Schwungrädern ist bisher durch die Optimierung der magnetischen Lagerung zusammen mit einer teilweisen Evakuierung des Rotors verbessert worden.
Da die meisten Schwungradspeichersysteme mit Elektrizität arbeiten, um den Rotor zu beschleunigen und abzubremsen, sind die jüngsten Entwicklungen hinsichtlich von beispielsweise Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen zu beachten. Die anzuwendenden Umdrehungszahlen pro Minute belaufen sich auf beispielsweise 20–50.000 oder mehr.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Energiespeichervorrichtung zur sicheren Handhabung von Lastspitzen in der Energieübertragung und zur Verkleinerung von elektrischen Maschinen. Weiterhin gilt es, ein Betriebsverfahren mit den gleichen Anforderungen zu erstellen.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch eine jeweilige Merkmalskombination der unabhängig formulierten Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die beim Einsatz herkömmlicher Schwungräder notwendige zweifache Energiewandlung in der bisherigen Ausführung wesentlich effizienter gestaltet werden kann. Die im Stand der Technik eingesetzten zwei elektrischen Maschinen mit Umrichter in Verbindung mit herkömmlichen Schwungrädern sind jeweils auf die maximale zu transferierende Leistung auszulegen.
Entsprechend der Erfindung sind mindestens zwei elektrische Maschinen auf einer Welle, von der überschüssige kinetische Energie aufzunehmen ist, angebracht, wobei ein Teil der kinetischen Energie durch eine erste elektrische Maschine in elektrische Energie gewandelt wird und durch eine zweite elektrische Maschine der weitere Teil der kinetischen Energie in eine andere kinetische Energie gewandelt wird. Die mindestens eine zweite elektrische Maschine weist einen zweiten Stator auf, der auf der Welle befestigt ist und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Welle rotiert sowie ein außen laufendes Schwungrad, das über eine Klemmvorrichtung blockierbar ist, wodurch die mindestens eine zweite Maschine als Motor betreibbar ist.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung weist eine erhöhte Leistung im Dauerlastbetrieb auf, wenn die kinetische Energie des Schwungrades Null ist. Die Energiespeichervorrichtung kann dann nicht nur Leistung über die erste elektrische Maschine, sondern auch über die zweite elektrische Maschine zur Verfügung stellen. Ein bislang für Rekuperation und als sog. Booster in Beschleunigungsvorgängen verwendbarer Schwungradantrieb sowie der dazugehörige Umrichter können zur Antriebsleistung im Normalbetrieb beitragen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung liegt darin, dass die aus einem Energiespeicher entnommene Spitzenleistung verringert wird. Dadurch kann die Anzahl von Lade- und Entladezyklen geringer gehalten werden, wodurch die Lebensdauer des Energiespeichers ansteigt.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Schwungrad durch die Klemmvorrichtung geklemmt, wenn in dem Schwungrad keine weitere kinetische Energie gespeichert ist und keine überschüssige kinetische Energie von der rotierenden Welle in der mindestens einen zweiten Maschine gewandelt werden kann.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn das Schwungrad durch die Klemmvorrichtung freigegeben ist, wenn überschüssige kinetische Energie von der rotierenden Welle in der mindestens einen zweiten Maschine gewandelt wird. Ebenso ist vorgesehen, dass das Schwungrad durch die Klemmvorrichtung freigegeben ist, wenn in der zumindest einen zweiten Maschine gespeicherte weitere kinetische Energie abgebaut wird.
Eine Blockierung des Schwungrades findet somit lediglich in solchen Phasen statt, in denen ein sog. „Dauerlastbetrieb” vorliegt. In diesem Fall kann die zweite elektrische Maschine als zusätzlicher Motor funktionieren. In Phasen der Beschleunigung sowie der Rekuperation wird das Schwungrad hingegen freigegeben, so dass im Falle der Beschleunigung seine kinetische Energie an die Last transferiert werden kann und im Falle der Rekuperation kinetische Energie aus dem Fahrzeug in das Schwungrad transferiert werden kann.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Klemmvorrichtung zur Blockade des Schwungrads mechanisch auf dieses einwirkt. Hierbei sind sämtliche Klemmmechanismen möglich, welche eine effektive Blockade während des Dauerlastbetriebs der Energiespeichervorrichtung erlauben.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind die erste und die mindestens eine zweite Maschine während einer Dauerlast, in der von der rotierenden Welle von der ersten und der zumindest einen zweiten Maschine keine kinetische Energie gewandelt werden kann, gleichzeitig als Motor zum Antreiben der Welle betreibbar.
Als erste elektrische Maschine wird zum einen in vorteilhafter Weise ein Generator eingesetzt, der über die Welle mit mechanischer Energie bzw. kinetischer Energie, gespeist wird. Zum anderen wird zur Wandlung von kinetischer Energie in eine andere Form kinetischer Energie ein Schwungradspeicher, der ebenfalls auf der Welle angeordnet ist, vorteilhaft eingesetzt, wobei kinetische Energie von der Welle direkt auf den Schwungradspeicher übertragen wird.
Die Auslegung der elektrischen Maschinen wird vorteilhafter Weise derart gestaltet, dass die erste elektrische Maschine einen ersten Stator aufweist der stationär positioniert ist, sowie einen ersten Rotor der mit der Welle verbunden ist und mit der gleichen Geschwindigkeit rotiert wie die Welle.
Der Aufbau der zweiten elektrischen Maschine unterscheidet sich vom Stand der Technik wesentlich durch den zweiten Stator, der nicht wie üblich stationär ist.
Besonders vorteilhaft ist die doppelte Funktion der ersten und der zweiten elektrischen Maschine, die sowohl als Generator während des Ladevorgangs, als auch als Antriebsmotor für den Fahrbetrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird bzw. werden.
Die Aufteilung der überschüssigen kinetischen Energie auf die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine kann variabel gestaltet werden. Vorteilhaft ist eine Aufteilung im Leistungsverhältnis von etwa 1:1.
Im Folgenden wird anhand der begleitenden schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figur ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, und
2A, 2B, 2C ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, ein Energie-Zeit-Diagramm und ein Drehmoment-Zeit-Diagramm einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung im Vergleich zu einer herkömmlichen Energiespeichervorrichtung eines batteriebetriebenen Fahrzeuges.
Die begleitende Figur stellt schematisch eine Antriebswelle dar, die einerseits über ein mechanisches Differential 10 an eine Antriebsachse mit Rädern 30 angekoppelt ist und andererseits mit mindestens einer ersten und mindestens einer zweiten elektrischen Maschine verbunden ist bzw. diese trägt, einem Generator und einem Schwungradspeicher. Mehrfachanordnungen von erster und zweiter elektrischer Maschine sind möglich. Generator und Schwungradspeicher müssen nicht paarweise vorhanden sein.
Die Erfindung ist in der schematischen Figur leicht zu erkennen. Auf der Welle 3 sind sowohl die erste elektrische Maschine 1 als auch die zweite elektrische Maschine 2 angeordnet. Dabei sind sowohl der zu der ersten elektrischen Maschine 1 zugehörige erste Rotor 12, als auch der zur zweiten elektrischen Maschine zugeordnete zweite Stator 22 auf der Welle 3 angeordnet und rotieren mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Welle.
Die elektrische Maschine 1 fungiert zur Zeit der Speicherung überschüssiger kinetischer Energie, die von der Welle 3 geliefert wird, als Generator, kann jedoch auch als Antriebsmotor und somit als Antrieb für die Welle verwendet werden. Der erste Stator 13 der ersten elektrischen Maschine 1 ist wie üblich stationär positioniert. Dieser erste Stator 13 ist elektrisch verbunden mit dem ersten Wandler 4 zur Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Der zweite Stator 22 der zweiten elektrischen Maschine 2, d. h. dessen Statorwicklungen, wird über Schleifringe 31, die mit der Welle 3 kommunizieren, entsprechend mit dem zweiten Wandler 5 zur Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom verbunden.
Das Schwungrad 23 der zweiten elektrischen Maschine 2 rotiert relativ zu dem zweiten Stator 22, der selbst mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle 3 rotiert. Trotzdem wird der zweite Stator 22 hier als Stator bezeichnet.
Das Problem der zweifachen Energiewandlung von herkömmlichen Schwungrädern wird dadurch umgangen, dass der zweite Stator 22 der zweiten elektrischen Maschine 2 nicht wie bei herkömmlichen Schwungrädern fest steht, sondern mit der Antriebswelle verbunden ist und sich auf dieser abstützt. Somit dreht sich dieser Stator 22 mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle 3. Die Drehzahl des Schwungrades 23, welches dem eigentlichen Rotor der zweiten elektrischen Maschine 2 entspricht, ist in der Regel unterschiedlich zur Drehzahl der Welle 3, so dass sich eine Differenzdrehzahl ergibt.
Durch das Ausführungsbeispiel kann die in der elektrischen Maschine 1 generierte elektrische Energie und die in der elektrischen Maschine 2 generierte weitere Rotationsenergie/kinetische Energie des Schwungrades 23 in einem Leistungsverhältnis von 50:50 vorteilhaft umgesetzt werden. Es lassen sich auch andere Verhältnisse einstellen, die bestimmten Auslegungen von Fahrzeugteilen oder Energiespeichereinheiten Rechnung tragen.
Falls bei einer Anordnung entsprechend der 1 davon ausgegangen wird, dass die Hälfte der aufzunehmenden Leistung von der ersten elektrischen Maschine 1 in elektrische Leistung gewandelt wird und von der zweiten elektrischen Maschine 2 die aufgenommene kinetische Energie wieder in mechanische Leistung gewandelt wird, so liegt eine Aufteilung von 1:1 vor. Dabei können in vorteilhafter Weise hochdynamische Anteile im Fahrzeugbetrieb, bestehend aus einer Vielzahl von positiven und negativen Beschleunigungszuständen, von dem Schwungrad 23 aufgenommen werden und nachfolgend wieder zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise beim erneuten Anfahren des Fahrzeugs, wobei eine Grundlast von der Batterie 6 zur Verfügung bereitgestellt werden kann.
Zur Steuerung des gesamten Systems sind weiterhin vorhanden:
Eine Steuerung 7 für die Batterie 6, eine Steuerung 8 für das Fahrgestell und eine Motorsteuerung 9. Auf der mechanischen Seite sind ein mechanisches Differential 10 und eine Klemmvorrichtung 24 für das Schwungrad 23 vorhanden.
Im Energiespeicherzustand, beim Abbremsen der Welle 3, gilt:
Die Leistung P1 entspricht der Leistung der Batterie. Die Leistung P2 entspricht der Leistung der ersten elektrischen Maschine 1, im Wesentlichen einem Bremsmoment der elektrischen Maschine 1. Die Leistung P3 entspricht der Leistung der zweiten elektrischen Maschine 2, im Wesentlichen einem Bremsmoment.
Das durch Pfeile jeweils verdeutlichte Torsionsmoment T1, T2, T3 ist jeweils schematisch und in der Ausrichtung, bezogen auf den Speicherprozess der überschüssigen kinetischen Energie, dargestellt.
Zahlenbeispiel:
Die Welle 3 dreht mit 600 1/s und soll beispielsweise mit einer Leistung von 60 kW abgebremst werden.
Dazu wird ein Bremsmoment von T = –100 Nm angelegt. Die erste elektrische Maschine 1 wird als Generator mit dem Bremsmoment T2 = –50 Nm betrieben.
Die rückgespeiste Leistung P2 beträgt 50 Nm·600 1/s = –30 kW.
Die Leistung aus der Batterie wird mit 0 angesetzt.
Es folgt das die Leistung P3 gleich der Leistung P2 ist.
Damit wird die zweite elektrische Maschine 2 mit der Leistung P3 angetrieben.
Die Differenzgeschwindigkeit zwischen zweitem Stator 22 und Schwungrad 23 beträgt anfänglich 600 1/s.
Mit P2 = P3 ergibt sich ein Antriebsmoment von T3 = 50 Nm.
Da der zweite Stator 22 der zweiten elektrischen Maschine 2 sich auf der Welle abstützt, wird die Welle 3 zusätzlich mit 50 Nm abgebremst.
Insgesamt ergeben sich 60 kW.
Durch das Abbremsen der Welle mit 100 Nm verringert sich die Drehzahl der Welle und die Drehzahl des Schwungrades 23 steigt im Verhältnis der Massenträgheitsmomente von Schwungrad 23 zum Fahrzeug. Um die im Schwungrad gespeicherte Energie auf die Welle zurückzuspeisen geschieht der geschilderte Ablauf in umgekehrter Folge.
Um also die Welle mit 100 Nm abzubremsen, müssen von den beiden Maschinen nur das jeweils halbe Moment aufgebracht werden, im Verhältnis zur Gestaltung entsprechend dem Stand der Technik.
Bei reinen Elektrofahrzeugen kann die erste Maschine 1 neben der Generatorfunktion zusätzlich zeitversetzt als Fahrmotor funktionieren. Die elektrischen Maschinen können sowohl als Asynchron- also auch als Synchronmaschinen ausgeführt sein.
Die Klemmvorrichtung 24 dient dazu, das Schwungrad 23 im dynamischen Betrieb des Fahrzeugs zu blockieren oder freizugeben. Blockiert die Klemmvorrichtung 24, die auf mechanische Weise auf das Schwungrad 23 einwirken kann, das Schwungrad, so kann der zweite elektrische Antrieb ebenfalls als Antriebsmotor eingesetzt werden. In diesem Fall steht die kombinierte Leistung der ersten und der zweiten elektrischen Maschine 1, 2 als Antriebsleistung zur Verfügung. Ist das Schwungrad 23 durch die Klemmvorrichtung 24 nicht blockiert, so arbeitet die Energiespeichervorrichtung in der beschriebenen Art und Weise.
Die Klemmvorrichtung wird derart gesteuert, dass der Rotor bzw. das Schwungrad 23 der zweiten Maschine 2 dann festgehalten wird, wenn keine kinetische Energie mehr in dem Schwungrad gespeichert ist oder durch die Fahrsituation keine kinetische Energie in das Schwungrad eingespeichert werden kann. Hierdurch wird der Betrieb der zweiten Maschine 2 als zusätzlicher Antriebsmotor ermöglicht.
Durch das Vorsehen der Klemmvorrichtung 24, welche je nach Betriebsstellung das Schwungrad 23 blockieren oder freigeben kann, ergeben sich nachfolgende Betriebsarten:

1. Eine Beschleunigung des Fahrzeugs kann mit in dem Schwungrad 23 gespeicherter Energie in der beschriebenen Weise unterstützt werden. In diesem Fall ist die Schwungradgeschwindigkeit positiv, ebenso ist die Momentanforderung der gesamten Energiespeichervorrichtung positiv. Das Schwungrad 23 ist durch die Klemmvorrichtung 24 nicht blockiert, so dass seine kinetische Energie an die Welle transferiert werden kann.
2. Im Dauerlastbetrieb ist die Schwungradgeschwindigkeit ohne Blockierung Null oder negativ und die Momentanforderung der Energiespeichervorrichtung positiv. Daher wird das Schwungrad 23 durch die Klemmvorrichtung 24 blockiert. Dadurch können Stator und Rotor der zweiten elektrischen Maschine 2 als zusätzlicher Antrieb funktionieren.
3. Bei der Rekuperation wird die zweite elektrische Maschine 2 in der beschriebenen Weise als Bremse für das Fahrzeug bzw. Antrieb für das Schwungrad 23 verwendet. Die kinetische Energie der Welle wird hierbei in das Schwungrad transferiert.

Anhand der 2A bis 2C wird die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung weiter erläutert. In den Figuren dargestellt sind jeweils in Abhängigkeit der Zeit die Geschwindigkeit v eines Fahrzeugs (2A), die in dem Schwungrad 23 gespeicherte kinetische Energie E (2B) sowie das durch das System bereitgestellte Moment M (2C). In diesem Beispiel wird das Fahrzeug mit voller Leistung 15 Sekunden beschleunigt. Danach wird es mit einem konstanten Moment abgebremst. Im Beispiel wird dabei davon ausgegangen, dass die elektrische Maschine 1 und die elektrische Maschine 2 hinsichtlich Moment, Leistung und Verluste gleiche Charakteristiken aufweisen. Die Momentenvorgabe für die das Schwungrad 23 aufweisende elektrische Maschine 2 ist so ausgelegt, dass kein Strom während eines Beschleunigungsvorgangs in der Batterie 8 rekuperiert wird.
In den dargestellten Diagrammen kennzeichnen die gestrichelt dargestellten Linien K_v, K_E und K_M den Geschwindigkeitsverlauf, den Verlauf der kinetischen Energie in dem Schwungrad 23 sowie den Momentenverlauf in einem System gemäß der Erfindung. Mit K_v', K_E' und K_M' sind zum Vergleich jeweils die Kennlinien eines durch einen herkömmlichen Elektroantrieb angetriebenen Fahrzeugs eingezeichnet.
Wie aus 2A ohne Weiteres zu Entnehmen ist, erfolgt im Zeitraum zwischen 0 und 5 Sekunden eine Beschleunigung des Fahrzeugs durch die erste Maschine, wobei die Beschleunigung durch die in dem Schwungrad 23 gespeicherte kinetische Energie unterstützt ist, da der Schwungradspeicher zum Zeitpunkt t = 0 Sekunden aufgeladen ist (2B). Durch die Unterstützung der ersten Maschine 1 während der Beschleunigungsphase nimmt der Energieinhalt des Schwungrads bis zum Zeitpunkt t 5 Sekunden ab, bis die Schwungradgeschwindigkeit Null ist. Dem durch das Antriebssystem erzeugten Drehmomentverlauf in 2C ist zu entnehmen, dass ausgehend von einem initialen Drehmoment von M ≈ 250 NM zum Zeitpunkt t = 0 Sekunden das Drehmoment bis zum Erreichen eines Plateaus ansteigt. Mit dem Plateau ist das maximale Drehmoment, das zusätzlich durch das Schwungrad erzeugt ist, erreicht. Dieses beträgt knapp 500 NM. Das erfindungsgemäße und das herkömmliche Antriebssystem verhalten sich während dieser Phase in etwa gleich.
Zwischen t = 5 Sekunden und t = 15 Sekunden liegt ein als Dauerlast bezeichneter Fall vor, bei dem das Schwungrad 23 aktiv durch die Klemmvorrichtung 24 blockiert wird. Dies hat zur Folge, dass die zweite elektrische Maschine 2 zusätzlich zur ersten Maschine als Antrieb verwendet werden kann. Dies macht sich durch eine höhere, bis zum Zeitpunkt t = 15 Sekunden erreichbare Geschwindigkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen Fahrzeug bemerkbar. Während ein mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ausgestattetes Fahrzeug im Ausführungsbeispiel innerhalb von 15 Sekunden auf ca. 240 km/h beschleunigen kann, erreicht ein herkömmliches Fahrzeug zum Zeitpunkt t = 15 Sekunden lediglich eine Geschwindigkeit von ungefähr 180 km/h. Aus 2B ist gut zu erkennen, dass sich während des Dauerlastfalls die kinetische Energie in dem Schwungrad nicht verändert und konstant Null bleibt. 2C zeigt, dass bei einem mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ausgestatteten Fahrzeug für eine längere Zeit das maximale Drehmoment bereitgestellt werden kann. Zum Zeitpunkt t = 7 Sekunden erfolgt eine Leistungsbegrenzung zum Schutz des Antriebssystems, woraufhin das Drehmoment M abnimmt.
Zwischen t = 15 Sekunden und t = 25 Sekunden erfolgt eine Rekuperation. Das Fahrzeug wird somit mit einem konstanten Moment abgebremst. Die Unterschiede im Drehmomentverlauf zwischen einem Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung und einem herkömmlichen Elektrofahrzeug ergeben sich aus der höheren erreichten Geschwindigkeit des erfindungsgemäßen Fahrzeugs zu Beginn der Rekuperation. Insbesondere ermöglicht die höhere Geschwindigkeit auch, wie dies der 2B gut zu entnehmen ist, dass das Schwungrad 23 mit einer größeren kinetischen Energie gespeist werden kann (0,24 kWh im Vergleich zu 0,16 kWh beim herkömmlichen System).
Im Dauerlastbetrieb ermöglicht es die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung somit durch die Verwendung der das Schwungrad aufweisenden zweiten Maschine eine höhere Leistung abzugeben, da deren Antriebsleistung zusätzlich zur Antriebsleistung der ersten Maschine zur Verfügung steht.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Energiespeichervorrichtung besteht darin, dass dieser die aus der Batterie 8 entnommene Spitzenleistung verringert. Die Anzahl von Batteriezyklen kann dadurch verringert und die Lebensdauer der Batterie verlängert werden.
Der Vorteil der beschriebenen Anordnung liegt zum einen darin, dass die Verluste bei der Energiewandlung, die im Stand der Technik ausschließlich eine Wandlung von kinetischer zu elektrischer und wiederum von elektrischer zu kinetischer Energie vorsieht, theoretisch halbiert werden. Durch die Aufteilung der Energieübertragung in einen elektrischen, sowie in einen mechanischen Anteil müssen die beiden elektrischen Maschinen mit entsprechenden Umrichtern bzw. Wandlern jeweils lediglich auf die halbe elektrische Leistung ausgelegt werden, im Vergleich zu der Auslegung im Stand der Technik. Damit werden Bauraum und Gewicht gespart und die Energiedichte wird erhöht. Da beide elektrischen Maschinen im Dauerlastbetrieb als Antriebsmaschinen benutzt werden können, steht zum anderen eine dauerhaft hohe Antriebsleistung zur Verfügung. Erfolgt die Lagerung der zweiten elektrischen Maschine 2 magnetisch, können Reibungsverluste auf ein Minimum reduziert werden.
Es können allgemein in einem Fahrbetrieb mit hochdynamischen Anteilen bei einem Bremsvorgang überschüssige Anteile kinetischer Energie von einem Schwungrad aufgenommen werden. Die Grundlast wird regelmäßig von einer Batterie zur Verfügung gestellt. Die Batterie wird im Bremsvorgang ebenfalls mit einem Anteil der überschüssigen kinetischen Energie, jedoch elektrisch gewandelt, beladen.
Formeln
T1 = T2 + T3
P3 = P2 + P1
P2 = T2·w_w mit w_w als Drehzahl der Welle 3 P3 = T3·W_G, mit w_G als Differenzdrehzahl zwischen zweitem Stator 22 und Schwungrad 23.

Claims

Energiespeichervorrichtung zur Speicherung von überschüssiger kinetischer Energie von einer rotierenden Welle (3), wobei die kinetische Energie partiell durch mindestens eine auf der Welle (3) angeordnete erste elektrische Maschine (1) in eine elektrische Energie wandelbar ist und partiell durch mindestens eine auf der Welle (3) angeordnete zweite elektrische Maschine (2) in eine weitere kinetische Energie wandelbar ist, wobei die mindestens eine zweite elektrische Maschine (2) einen zweiten Stator (22) aufweist, der auf der Welle (3) befestigt ist und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Welle (3) rotiert, sowie ein außen laufendes Schwungrad (23), das über eine Klemmvorrichtung (24) blockierbar ist, wodurch die mindestens eine zweite Maschine (2) als Motor betreibbar ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass, das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) geklemmt ist, wenn in dem Schwungrad (23) keine weitere kinetische Energie gespeichert ist und keine überschüssige kinetische Energie von der rotierenden Welle (3) in der mindestens einen zweiten Maschine gewandelt werden kann.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass, das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) freigegeben ist, wenn überschüssige kinetische Energie von der rotierenden Welle (3) in der mindestens einen zweiten Maschine gewandelt werden kann.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) freigegeben ist, wenn in der zumindest einen zweiten Maschine gespeicherte weitere kinetische Energie abgebaut wird.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die Klemmvorrichtung (24) zur Blockade des Schwungrads (23) mechanisch auf dieses einwirkt.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die erste und die mindestens eine zweite Maschine (1, 2) während einer Dauerlast, in der von der rotierenden Welle (3) von der ersten und der mindestens einen zweiten Maschine (1, 2) keine Energie gewandelt werden kann, gleichzeitig als Motor zum Antreiben der Welle (3) betreibbar ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, zur Speicherung die mindestens eine erste elektrische Maschine (1) ein Generator ist zur Wandlung der kinetischen Energie in die elektrische Energie, insbesondere in Ladestrom für einen Akku oder Hochleistungskondensator, und die mindestens eine zweite elektrische Maschine (2) ein Schwungradspeicher ist, zur Wandlung der kinetischen Energie in die weitere kinetische Energie, insbesondere Rotationsenergie des Schwungrades (23).
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die mindestens eine erste elektrische Maschine (1) einen ersten Stator (13) aufweist, der stationär ist, sowie einen ersten Rotor (12), der mit der Welle (3) verbunden ist und mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Welle (3) rotiert.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die mindestens eine erste elektrische Maschine (1) zusätzlich als Antriebsmotor zum Antrieb der Welle (3) dient.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die überschüssige kinetische Energie in einem Leistungsverhältnis von etwa 1:1 auf die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite elektrische Maschine (1,2) übertragbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung, die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, bei dem kinetische Energie von einer rotierenden Welle (3) partiell durch mindestens eine erste elektrische Maschine (1) in eine elektrische Energie gewandelt wird und partiell durch mindestens eine zweite elektrische Maschine (2) in eine weitere kinetische Energie gewandelt wird, wobei ein Schwungrad (23) der mindestens einen zweiten Maschine (2) über eine Klemmvorrichtung (24) blockiert und die mindestens eine zweite Maschine (2) als Motor betrieben wird, wenn durch das Schwungrad (23) keine weitere kinetische Energie aufgenommen oder abgegeben werden kann.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) blockiert wird, wenn in dem Schwungrad (23) keine weitere kinetische Energie gespeichert ist und keine überschüssige kinetische Energie von der rotierenden Welle (3) in der mindestens einen zweiten Maschine gewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet dass, das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) freigegeben wird, wenn überschüssige kinetische Energie von der rotierenden Welle (3) in die mindestens eine zweite Maschine gewandelt wird.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet dass, das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) freigegeben ist, wenn in der zumindest einen zweiten Maschine (2) gespeicherte weitere kinetische Energie abgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet dass die mindestens eine erste elektrische Maschine (1) als Generator und die mindestens eine zweite elektrische Maschine (2) als ein Schwungradspeicher betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet dass, die überschüssige kinetische Energie in einem Leistungsverhältnis von etwa 1:1 auf die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite elektrische Maschine (1, 2) aufgeteilt wird.