DE102010038281A1

DE102010038281A1 - Energierekuperation aus einer Fahrzeugfederung

Info

Publication number: DE102010038281A1
Application number: DE201010038281
Authority: DE
Inventors: Gerhard Knecht; Sven Urlaub
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-01-26
Also published as: EP2595822A1; CN103003076A; CN103003076B; WO2012010355A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radaufhängungssystem (1) für ein Rad (2) eines Kraftfahrzeugs, umfassend: – eine Aufhängung (3) zum Halten des Rades (2); – eine Federung (6), um das Rad über die Aufhängung (3) in einer Richtung quer zu einer Achsrichtung des Rades (2) federnd zu halten; – einen Generator (5), der eine Bewegungsenergie von Auslenkungen der Aufhängung (3) generatorisch in elektrische Energie wandelt; – eine Steuereinheit (9), die ausgebildet ist, um eine dem Generator (5) entnommene Energiemenge so zu steuern, dass der Generator (5) eine gewünschte Dämpfungskonstante bereitstellt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Federungen für Fahrzeuge, insbesondere die Rückgewinnung von Energie aus einer Fahrzeugbewegung über die Federung.
Stand der Technik
Es ist wünschenswert, künftige Kraftfahrzeuge energieeffizienter zu konstruieren. Neben zahlreichen Maßnahmen, die Antriebssysteme effizienter zu gestalten und unter Umständen neuartige Antriebskonzepte basierend auf Elektromotoren zu realisieren, kann eine Erhöhung der Effizienz auch durch eine Rückgewinnung von Bewegungsenergie, beispielsweise beim Bremsen des Fahrzeugs, erfolgen. Auch die Idee, Energie aus der Schwingung einer Federung einer Radaufhängung zurückzugewinnen, ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise aus den Druckschriften RU 2193977 C2 , FR 2801727 A1 und RU 2067196 C1 sind verschiedene Ansätze bekannt, die Schwingungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln.
Die heutige Fahrwerksdynamik wird mittels eines klassischen mechanischen Federdämpfersystems geregelt. Dabei umfasst eine solche Federung ein Federelement (Spiralfeder, Drehstab oder Torsionsfeder und dergleichen) und ein Dämpfungselement, das hydraulisch oder pneumatisch wirkt. Die Energie, die durch das Profil der Fahrstrecke, auf der das Kraftfahrzeug fährt, in die Federung eingeleitet wird, wird von diesem Dämpfungssystem aufgenommen und in Kompressionsenergie bzw. Wärme umgesetzt.
Gleichzeitig sollte zum Erreichen einer bestimmten Fahrdynamik die Dämpfung des Aufhängungssystems des Fahrzeugs innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen bzw. variabel einstellbar sein, um eine optimale Straßenlage des Fahrzeugs, insbesondere bei Kurvenfahrten, zu erreichen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Radaufhängung in einem Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, das ein variabel definierbares Dämpfungsverhalten aufweist und das in verbesserter Weise Energie aus der Schwingung des Fahrzeugs gewinnen kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Radaufhängungssystem für ein Rad eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 1 sowie durch das Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Radaufhängungssystem für ein Rad eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Das Radaufhängungssystem umfasst:

– eine Aufhängung zum Halten des Rades;
– eine Federung, um das Rad über die Aufhängung in einer Richtung quer zu einer Achsrichtung des Rades federnd zu halten;
– einen Generator, der eine Bewegungsenergie von Auslenkungen der Aufhängung generatorisch in elektrische Energie wandelt,
– eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um eine dem Generator entnommene Energiemenge so zu steuern, dass der Generator eine gewünschte Dämpfungskonstante bereitstellt.

Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Radaufhängungssystem zur Verfügung zu stellen, bei dem sowohl elektrische Energie aus der Schwingungsenergie des Fahrzeugs gewonnen als auch eine optimale Dämpfung variabel eingestellt werden kann.
Das obige Radaufhängungssystem ermöglicht die Nutzung der üblicherweise im Kraftfahrzeug durch die Dämpfung in Wärme umgewandelten Energie. Anstatt die dem Radaufhängungssystem durch Dämpfung entnommene Schwingungsenergie in Wärme umzuwandeln, ist bei obigem Radaufhängungssystem vorgesehen, die Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere für Elektrofahrzeuge stellt die Nutzung dieser zusätzlichen Energiereserven eine deutliche Reichweitenverbesserung in Aussicht bzw. ermöglicht die Reduktion der erforderlichen Speicherkapazitäten durch die parallele Energierekuperation während des Betriebs. Insbesondere kann die Energie aus der Schwingung des Fahrzeugs in Ergänzung zur klassischen Bremsenergierückgewinnung erzeugt werden. Weiterhin ermöglich die intelligente Entnahme der elektrischen Energie aus dem Generator des Radaufhängungssystems eine gezielte variable Einstellung der Dämpfung, so dass sowohl das Ziel der Rückgewinnung von Energie als auch das Ziel der Einstellung der Fahrdynamik und der Dynamik des Radaufhängungssystems gemeinsam umgesetzt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Generator einen Permanentmagneten und mindestens eine Generatorspule umfassen, die den Permanentmagneten zumindest teilweise umgibt.
Der Generator kann eine Erregerspule zum Bereitstellen eines Erregermagnetfelds und mindestens eine Generatorspule umfassen, die miteinander gekoppelt sind, so dass abhängig von dem Erregermagnetfeld und einer relativen Bewegung der Erregerspule und der mindestens einen Generatorspule eine elektrische Energiemenge bereitgestellt wird, wobei die Steuereinheit weiterhin ausgebildet ist, einen Erregerstrom durch die Erregerspule einzustellen, um die Dämpfung des Generators einzustellen.
Es kann eine Gleichrichterschaltung vorgesehen sein, um die von dem Generator bereitgestellte elektrische Spannung gleichzurichten. Die Steuereinheit kann die Gleichrichterschaltung gemäß einer Pulsweitenmodulation ansteuern, um abhängig von einem gewählten Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation die dem Generator zu entnehmende Energiemenge einzustellen.
Weiterhin kann ein DC/DC-Wandler vorgesehen sein, um die von dem Gleichrichter bereitgestellte Gleichspannung in eine vorgegebene Gleichspannung zu wandeln, insbesondere zum Laden eines Energiespeichers. Die Steuereinheit kann den DC/DC-Wandler ansteuern, um die dem Generator zu entnehmende Energiemenge einzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Dämpfungsvorrichtung, insbesondere ein pneumatischer oder hydraulischer Dämpfungszylinder, mit der Aufhängung verbunden sein, um eine konstante Dämpfung bereitzustellen, wobei sich eine gesamte Dämpfung des Radaufhängungssystems aus der Dämpfung der Dämpfungsvorrichtung und der Dämpfung des Generators ergibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Radaufhängungssystems für ein Rad eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei das Radaufhängungssystem umfasst:

– eine Aufhängung zum Halten eines Rades;
– eine Federung, um das Rad über die Aufhängung in einer Richtung quer zu einer Achsrichtung des Rades federnd zu halten;
– einen Generator, der eine Bewegungsenergie von Auslenkungen der Aufhängung generatorisch in elektrische Energie wandelt.

Das Verfahren umfasst das Steuern einer dem Generator entnommenen Energiemenge, so dass der Generator eine gewünschte Dämpfungskonstante bereitstellt.
Weiterhin kann der Generator des Radaufhängungssystems eine Erregerspule zum Bereitstellen eines Erregermagnetfelds und mindestens eine Generatorspule umfassen, die miteinander gekoppelt sind, so dass abhängig von dem Erregermagnetfeld und einer relativen Bewegung der Erregerspule und der mindestens einen Generatorspule eine elektrische Energiemenge bereitgestellt wird, wobei ein Erregerstrom durch die Erregerspule eingestellt wird, um die Dämpfung des Generators einzustellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Radaufhängungssystems für ein Rad eines Kraftfahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform; und
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Radaufhängungssystems für ein Rad eines Kraftfahrzeugs.
Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist ein Radaufhängungssystem 1 für ein Rad 2 eines (nicht gezeigten) Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Radaufhängungssystem 1 hat die Aufgabe, das Rad 2 zu halten.
Durch Fahrwegunebenheiten werden die Räder des Kraftfahrzeugs vertikal ausgelenkt. Damit diese Auslenkung nicht ungedämpft in den Fahrgastinnenraum übertragen wird, weisen die Radaufhängungssysteme 1 jeweils eine Dämpfungsvorrichtung 4 auf, die diese Energie aufnehmen und sie über die Karosserie abführen bzw. in Wärme umwandeln. Die Dämpfungsvorrichtung 4 ist in der Regel als ein pneumatischer oder hydraulischer Dämpfungszylinder 41 ausgeführt.
Das an einem Rad 2 angeordnete Radaufhängungssystem 1 weist in der gezeigten Ausführungsform eine Aufhängung 3, eine Federung 6 und die Dämpfungsvorrichtung 4 auf. Die Aufhängung 3 ist schematisch als senkrecht oder quer zur Achsrichtung des Rades 2 angeordnete Querverbindung dargestellt. An der Aufhängung 3 sind der Dämpfungszylinder 41 und die Federung 6, die in Form einer Spiralfeder ausgebildet sein kann, angeordnet.
Durch die Federung 6 werden das Rad 2 und das Radaufhängungssystem 1 beim Fahren über eine Unebenheit in eine Schwingung versetzt. Der Dämpfungszylinder 41 dämpft die von dem Rad 2 auf die Aufhängung 3 aufgebrachte Schwingung gemäß einer vorgegebenen Dämpfungskonstante. Die Dämpfungskonstante ist in der Regel fest in dem Dämpfungszylinder 41 appliziert.
Weiterhin ist in dem Radaufhängungssystem 1 ein Generator 5 angeordnet. Der Generator 5 umfasst einen Permanentmagneten 51, der mit der Aufhängung 3 gekoppelt ist, so dass der Permanentmagnet 51 bei einer Schwingung, die zu einer Bewegung des Rads 2 bzw. der Aufhängung 3 relativ zur Karosserie des Fahrzeugs führt, in einer translatorischen Bewegung in Richtung F bewegt wird.
Der Permanentmagnet 51 bildet einen Schaft, um den zwei Generatorspulen 52 gewickelt sind. Die Generatorspulen 52 sind gegenläufig um den Schaft gewickelt. Die Generatorspulen 52 sind separat mit einem Gleichrichter 7 verbunden, der die in die Generatorspulen 52 induzierte Spannung aufnimmt und gleichrichtet. Die gleichgerichteten Spannungen werden gegebenenfalls addiert und eine resultierende Gleichspannung wird am Ausgang des Gleichrichters 7 bereitgestellt.
Die resultierende Gleichspannung kann zum Aufladen eines Energiespeichers 8 zum Speichern von elektrischer Energie verwendet werden. Der Energiespeicher 8 kann beispielsweise als aufladbare Batterie, als eine Superkapazität sowie als Schwungrad zum Aufladen mit mechanischer Energie und dergleichen ausgebildet sein.
Der Gleichrichter 7 kann mit einer Steuereinheit 9 gekoppelt sein, die ein Management der dem Generator 5 entzogenen Energie vornimmt. Da bei einer Energiegewinnung über den Generator 5 eine zusätzliche Energieentnahme aus dem Aufhängungssystem 1 erfolgt, wird dadurch die Dämpfung des Aufhängungssystems 1 verändert. Je nach Geschwindigkeit der Auslenkung des Rads 2 werden in dem Generator 5 bzw. in dessen Generatorspulen 52 unterschiedliche Spannungen bzw. Ladungen erzeugt, die unterschiedlichen durch die Generatorspulen 52 bereitgestellten Energiemengen entsprechen. Diese Energiemengen können den Generatorspulen jeweils als Generatorstrom entnommen werden. Abhängig von der entnommenen Energiemenge stellt sich eine der Auslenkung entgegenwirkende Kraft ein, die als Dämpfungskraft wirkt.
Die Steuereinheit 9 dient dazu, den Gleichrichter 7 so anzusteuern, dass die dem Generator 5 abgenommene elektrische Energiemenge innerhalb eines bestimmten Energiebereichs liegt bzw. einer bestimmten Energiemenge und somit einer bestimmten Dämpfung entspricht. Die Menge der entnommenen Energie ergibt sich daraus, welche durch den Generator 5 bereitgestellte Dämpfung der durch die Dämpfungsvorrichtung 4 bereitgestellten Dämpfung hinzugefügt werden soll.
Die Dämpfungskonstante des Dämpfungselements 4 ist daher so gewählt, dass die Summe der Dämpfungskonstanten der Dämpfungsvorrichtung 4 und einer mittleren Dämpfungskonstante des Generators 5 bei Auftreten einer leichten Schwingung einer Dämpfung entspricht, die für eine stabile Fahrzeuglage und eine optimale Kurvenfahrt des Fahrzeugs ausreicht. Die maximale Energieabnahme durch den Gleichrichter 6 ergibt sich aus der maximal zulässigen Dämpfung des Radaufhängungssystems 1, d. h. aus der Dämpfung, die sich aus der Dämpfungsvorrichtung 4 und dem Generator 5 bei einer stärkstmöglichen Anregung ergibt. Sollte aufgrund des Fahrverhaltens, der Fahrzeugsituation oder dergleichen ein anderes Verhalten des Radaufhängungssystems 1 erforderlich sein, so kann die entnommene Energiemenge an die geforderte Dämpfung angepasst werden.
Eine mögliche Ansteuerung des Gleichrichters 7 durch die Steuereinheit 9 kann beispielsweise mithilfe eines getakteten Betriebs erfolgen, bei dem der Gleichrichter 7 gemäß einer Pulweitenmodulation mit einem bestimmten Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet wird, so dass der Anteil der erzeugten Energiemenge, die in den Gleichrichter 7 übertragen wird, durch die Steuereinheit 9 durch Vorgabe eines Tastverhältnisses gesteuert werden kann. Dazu kann die Steuereinheit 8 entsprechend der Periodendauer eines Zyklus der Pulweitenmodulation eine mittlere aufgenommene Energiemenge bestimmen und das Tastverhältnis entsprechend so anpassen, dass die in den Gleichrichter 7 übertragene Energiemenge einer Energiemenge entspricht, die in dem Generator 5 zu einer bestimmten zusätzlichen Dämpfungskonstante oder zu einer zusätzlichen Dämpfungskonstante innerhalb des geforderten Dämpfungsbereichs führt.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform des Aufhängungssystems 1 dargestellt. Wie in 1 ist das Rad 2 mit einem Radaufhängungssystem 1 gekoppelt. Das Radaufhängungssystem 1 umfasst ein kombiniertes Dämpfungs- und Generatorelement 12, das im Wesentlichen die Dämpfungsvorrichtung 4 und den Generator 5 der Ausführungsform der 1 ersetzt.
Das Dämpfungs- und Generatorelement 12 weist eine Erregerspule 13 auf, die ortsfest montiert ist und die den Permanentmagneten 51 der Ausführungsform der 1 ersetzt. Wie in der obigen Ausführungsform wird die Erregerspule 13 von zwei mit zueinander entgegengesetztem Wicklungssinn gewickelten Generatorspulen 14 umgeben, die mit einem Gleichrichter 7 verbunden sind. Der Gleichrichter 7 wandelt wie zuvor die von den Generatorspulen 14 entnommene Wechselspannung variabler Amplitude in eine Gleichspannung um.
Weiterhin ist ein Erregerstromelement 10 vorgesehen, um einen Erregerstrom für die Erregerspule 13 bereitzustellen, so dass ein Erregermagnetfeld erzeugt wird. Die Energie für die Bereitstellung des Erregerstroms kann ausgangsseitig des Gleichrichters 7 abgegriffen werden oder von einer sonstigen Energiequelle, wie z. B. dem Energiespeicher 8 bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können das Erregerstromelement 10 und der Gleichrichter 7 durch die Steuereinheit 9 so gesteuert werden, dass ein Erregerstrom durch die Erregerspule 13 eingeprägt wird und eine Energiemenge über den Gleichrichter 7 entnommen wird, so dass bei einer relativen Bewegung zwischen dem Rad 2 und der Karosserie des Fahrzeugs eine Dämpfung eingestellt wird, die einer gewünschten Dämpfung des Radaufhängungssystems 1 entspricht.
Alternativ oder zusätzlich zur Steuerung des Gleichrichters 7 mithilfe einer Pulsweitenmodulation kann die Steuereinheit 8 einen dem Gleichrichter 7 nachgeschalteten DC/DC-Wandler 11 ansteuern, um eine Entnahme von elektrischer Energie über den Gleichrichter 7 so einzustellen, dass die dem kombinierten Dämpfungs- und Generatorelement 12 entzogene Energiemenge zu einer Dämpfung des Dämpfungs- und Generatorelements 12 in dem vorgegebenen Dämpfungsbereich führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

RU 2193977 C2 [0002]
FR 2801727 A1 [0002]
RU 2067196 C1 [0002]

Claims

Radaufhängungssystem (1) für ein Rad (2) eines Kraftfahrzeugs, umfassend: – eine Aufhängung (3) zum Halten des Rades (2); – eine Federung (6), um das Rad über die Aufhängung (3) in einer Richtung quer zu einer Achsrichtung des Rades (2) federnd zu halten; – einen Generator (5), der eine Bewegungsenergie von Auslenkungen der Aufhängung (3) generatorisch in elektrische Energie wandelt; – eine Steuereinheit (9), die ausgebildet ist, um eine dem Generator (5) entnommene Energiemenge so zu steuern, dass der Generator (5) eine gewünschte Dämpfungskonstante bereitstellt.
Radaufhängungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei weiterhin eine Dämpfungsvorrichtung (4), insbesondere ein pneumatischer oder hydraulischer Dämpfungszylinder (41), mit der Aufhängung (3) verbunden ist, um eine konstante Dämpfung bereitzustellen, wobei sich eine gesamte Dämpfung des Radaufhängungssystems (1) aus der Dämpfung der Dämpfungsvorrichtung (4) und der Dämpfung des Generators (5) ergibt.
Radaufhängungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der Generator (5) einen Permanentmagneten (51) und mindestens eine Generatorspule (52) umfasst, die den Permanentmagneten (51) zumindest teilweise umgibt.
Radaufhängungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Generator (5) eine Erregerspule zum Bereitstellen eines Erregermagnetfelds und mindestens eine Generatorspule (52) umfasst, die miteinander gekoppelt sind, so dass abhängig von dem Erregermagnetfeld und einer relativen Bewegung der Erregerspule und der mindestens einen Generatorspule (52) eine elektrische Energiemenge bereitgestellt wird, wobei die Steuereinheit (9) weiterhin ausgebildet ist, einen Erregerstrom durch die Erregerspule einzustellen, um die Dämpfung des Generators (5) einzustellen.
Radaufhängungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Gleichrichterschaltung (7) vorgesehen ist, um die von dem Generator (5) bereitgestellte elektrische Spannung gleichzurichten.
Radaufhängungssystem (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (9) die Gleichrichterschaltung (7) gemäß einer Pulsweitenmodulation ansteuert, um abhängig von einem gewählten Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation die dem Generator (5) zu entnehmende Energiemenge einzustellen.
Radaufhängungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei weiterhin ein DC/DC-Wandler vorgesehen ist, um die von dem Gleichrichter (5) bereitgestellte Gleichspannung in eine vorgegebene Gleichspannung zu wandeln, insbesondere zum Laden eines Energiespeichers (8).
Radaufhängungssystem (1) nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit (9) den DC/DC-Wandler ansteuert, um die dem Generator (5) zu entnehmende Energiemenge einzustellen.
Verfahren zum Betreiben eines Radaufhängungssystems (1) für ein Rad (2) eines Kraftfahrzeugs, wobei das Radaufhängungssystem (1) umfasst: – eine Aufhängung (3) zum Halten des Rades (2); – eine Federung (6), um das Rad (2) über die Aufhängung (3) in einer Richtung quer zu einer Achsrichtung des Rades (2) federnd zu halten; – einen Generator (5), der eine Bewegungsenergie von Auslenkungen der Aufhängung (3) generatorisch in elektrische Energie wandelt; wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: – Steuern einer dem Generator (5) entnommenen Energiemenge, so dass der Generator (5) eine gewünschte Dämpfungskonstante bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Generator (5) des Radaufhängungssystems (1) eine Erregerspule (13) zum Bereitstellen eines Erregermagnetfelds und mindestens eine Generatorspule (14) umfasst, die miteinander gekoppelt sind, so dass abhängig von dem Erregermagnetfeld und einer relativen Bewegung der Erregerspule (13) und der mindestens einen Generatorspule (52) eine elektrische Energiemenge bereitgestellt wird, wobei ein Erregerstrom durch die Erregerspule (13) eingestellt wird, um die Dämpfung des Generators (5) einzustellen.