DE102012015961A1 - Device for driving a machine with transient power requirement - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für eine Maschine mit stark instationärem Leistungsbedarf, wie insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug wird ein Hochleistungsenergiespeicher, insbesondere eine Schwungradanordnung für die Bereitstellung der dynamischen Fahrtleistungen verwendet, der durch eine sehr schonend belastete Batterie und bei Bedarf durch einen Verbrennungsmotor sowie durch rekuperative Bremsenergie aufgeladen werden kann. Die Batterie kann bei Bedarf durch externe Netzenergie oder den Verbrennungsmotor aufgeladen werden, der auch eine Leistung zur Abdeckung der Energieverluste bei einer Dauerhöchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs liefern kann. Durch die erfindungsgemäße Dimensionierung der Komponenten ergibt sich ein hoch-effizientes, langstreckentaugliches Hybridfahrzeug mit großer emissionsfreier Reichweite und geringem spezifischem Energiebedarf bei guten dynamischen Fahrleistungen. Weiter werden vorteilhafte Ausgestaltungen unter Nutzung äquivalenter Komponenten und eine für die Antriebsvorrichtung vorteilhafte Anzeigevorrichtung offenbart.The present invention relates to a drive device for a machine with a highly unsteady power requirement, such as in particular for a motor vehicle. In the vehicle according to the invention, a high-performance energy store, in particular a flywheel arrangement, is used for the provision of dynamic travel performance, which can be charged by a very gently loaded battery and, if necessary, by an internal combustion engine and by recuperative braking energy. If necessary, the battery can be charged by external network energy or the internal combustion engine, which can also provide power to cover the energy losses at a constant top speed of the vehicle. The dimensioning of the components according to the invention results in a highly efficient, long-distance hybrid vehicle with a large emission-free range and low specific energy requirements with good dynamic driving performance. Furthermore, advantageous configurations using equivalent components and a display device advantageous for the drive device are disclosed.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Antrieb einer Maschine mit instationärem Leistungsbedarf, wie insbesondere eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, einem elektrischen Energiespeicher sowie zugehöriger Antriebe.The present invention relates to a device for driving a machine with unsteady power requirements, such as in particular a vehicle with an internal combustion engine, an electrical energy storage and associated drives.

Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zeichnen sich dadurch aus, dass der Energievorrat in Form eines oxidierbaren chemischen Energieträgers innerhalb von kurzer Zeit aufgefüllt werden kann und damit mit nur kurzen Unterbrechungen ein Betrieb des Fahrzeugs über weite Strecken und lange Zeiträume möglich ist. Allerdings weisen Verbrennungsmotoren als alleinige Fahrzeugantriebe einen geringen Wirkungsgrad auf, der zu einem großen Teil daraus resultiert, dass der Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs und insbesondere eines Straßenfahrzeugs auf eine erheblich größere als die im Normalbetrieb im zeitlichen Mittel benötigte Leistung ausgelegt werden muss. Der Verbrennungsmotor wird daher überwiegend im unteren Teillastbereich und damit in einem Bereich mit hohem spezifischen Verbrauch und geringem Wirkungsgrad betrieben. Die Nutzung von Fahrzeugen mit verbrennungsmotorischem Antrieb unterliegt insbesondere in Ballungsräumen zunehmend strengeren Auflagen.Vehicles with internal combustion engines are characterized by the fact that the energy supply can be replenished in the form of an oxidizable chemical energy carrier within a short time and thus with only short interruptions operation of the vehicle over long distances and long periods is possible. However, internal combustion engines as sole vehicle drives have a low efficiency, which results to a large extent from the fact that the internal combustion engine of a vehicle and in particular of a road vehicle must be designed for a much greater than the average power required during normal operation. The internal combustion engine is therefore operated predominantly in the lower part load range and thus in an area with high specific consumption and low efficiency. The use of vehicles powered by internal combustion engines is subject to increasingly stringent requirements, particularly in urban areas.

Elektromaschinen können sowohl als elektrischer Motor als auch als Generator betrieben werden. Damit können sie sowohl zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden als auch ein rekuperatives Bremsen des Fahrzeugs ermöglichen. Elektromaschinen weisen eine für den Antrieb von Fahrzeugen vorteilhafte Drehzahl-Drehmomentkennlinie bei gutem Wirkungsgrad und insbesondere ein hohes mögliches Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und einen großen Drehzahlbereich mit verhältnismäßig konstantem Drehmoment oder Leistung auf. Beim Betrieb entstehen lokal keine schädlichen Abgasemissionen und der Betrieb ist geräuscharm.Electric machines can be operated both as an electric motor and as a generator. Thus they can be used both to drive a vehicle as well as allow a recuperative braking of the vehicle. Electric machines have an advantageous for the drive of vehicles speed-torque characteristic with good efficiency and in particular a high possible torque in the lower speed range and a large speed range with relatively constant torque or power. During operation, no harmful exhaust emissions occur locally and the operation is quiet.

Allerdings bereitet die Energieversorgung eines Elektromotors zum Fahrzeugantrieb erhebliche Probleme. Zugehörige Traktionsbatterien weisen relativ hohe Kosten bei relativ hohem Gewicht pro speicherbare Energiemenge und nur eine begrenzte Lebensdauer auf. Die Alterung der Traktionsbatterie ist wesentlich von den relativ zu der Kapazität ein- und ausgespeicherten Leistungen und dem relativen Ladegrad der Batterie, angegeben als Prozentsatz des maximal speicherbaren Energieinhaltes – auch als „State of Charge” (SOC) bezeichnet – abhängig. Die Lade- bzw. Entladeleistung wird allgemein als Quotient der nominellen Kapazität in Amperestunden und des fließenden Stroms in Ampere angegeben und als spezifische Ladeleistung bzw. spezifischer Ladestrom „C” bezeichnet. Mit steigendem spezifischem Ladestrom C steigen im Allgemeinen auch die Alterung der Batterie sowie deren Verlustleistung und damit auch deren Erwärmung. Zurzeit wird zur Erreichung einer langen Lebensdauer der nutzbare SOC-Bereich von Traktionsbatterien auf ca. 50–60% der nominellen Kapazität begrenzt. Die für den Antrieb benötigten hohen elektrischen Leistungen bedingen hohe spezifische Entladeströme und die im Fahrbetrieb auftretenden schnellen und großen Lastwechsel wirken sich zusätzlich negativ auf die Alterung der Batterie aus. Durch hohe Be- und Entladeleistungen entstehende Verlustwärme und der relativ geringe Arbeitstemperaturbereich von üblichen Traktionsbatterien erfordern eine aufwändige Temperierung.However, the power supply of an electric motor for vehicle drive causes considerable problems. Associated traction batteries have relatively high costs with a relatively high weight per storable amount of energy and only a limited life. The aging of the traction battery is significantly dependent on the relative to the capacity and stored capacity and the relative charge of the battery, expressed as a percentage of the maximum storable energy content - also known as "State of charge" (SOC) dependent. The charging or discharging power is generally expressed as the quotient of the nominal capacity in amp hours and the current flowing in amperes and referred to as the specific charging power or charging current "C". As the specific charging current C increases, the aging of the battery and its power dissipation and thus its heating also generally increase. Currently, the usable SOC range of traction batteries is limited to approximately 50-60% of the nominal capacity to achieve a long life. The high electrical power required for the drive cause high specific discharge currents and the fast and large load changes occurring during driving also have an adverse effect on the aging of the battery. Due to high loading and unloading resulting heat loss and the relatively low operating temperature range of conventional traction batteries require a complex temperature control.

Fahrzeuge mit ausschließlichem Elektroantrieb, auch Elektrofahrzeuge genannt, weisen in der Praxis zumeist nur eine relativ geringe Reichweite auf, nach der die im Fahrzeug vorhandene Traktionsbatterie entweder durch eine externe Energieversorgung aufgeladen werden oder durch eine aufgeladene Traktionsbatterie ausgetauscht werden muss. Ein Aufladen der Traktionsbatterie an Ladestationen erfordert unerwünscht lange Fahrtunterbrechungen, wobei eine Aufladung mit hohen Ladeleistungen neben hohen Anforderungen an die Ladeinfrastruktur wiederum Probleme in Bezug auf die Temperierung und Alterung der Batterien aufwirft. Elektrofahrzeuge sind damit für Langstreckenfahrten, beispielsweise für eine Urlaubsfahrt von 1000 km oder mehr, höchstens eingeschränkt verwendbar, was zu erheblichen Akzeptanzproblemen führt.Vehicles with exclusive electric drive, also called electric vehicles, in practice usually have only a relatively short range, according to which the traction battery present in the vehicle must either be charged by an external power supply or replaced by a supercharged traction battery. Charging the traction battery at charging stations requires undesirably long drive interruptions, with charging with high charging power in addition to high demands on the charging infrastructure in turn poses problems with respect to the temperature and aging of the batteries. Electric vehicles are thus used for long-distance trips, for example, for a trip of 1000 km or more, at most limited, resulting in significant acceptance problems.

Elektrofahrzeuge fahren zwar lokal emissionslos, verlagern die Emission von Schadstoffen beim derzeitigen Strommix jedoch lediglich auf Kraftwerke. Obwohl deren Wirkungsgrad höher ist als der durchschnittliche Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, ergibt sich aufgrund der Verluste durch Transport, mehrfache Umwandlung und Speicherung insgesamt ein spezifischer Schadstoffausstoß, der dem von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor vergleichbar ist.Although electric vehicles drive emissions locally, they only shift the emission of pollutants in the current electricity mix to power plants. Although their efficiency is higher than the average efficiency of internal combustion engines in automobiles, due to the losses due to transport, multiple conversion and storage results in a total specific pollutant emissions, which is comparable to that of motor vehicles with internal combustion engine.

Es ist bekannt, an Stelle einer Traktionsbatterie zur Energieversorgung der Elektromaschine eine Brennstoffzelle zu verwenden. Diese ist jedoch ebenfalls teuer und relativ anfällig. Außerdem ermöglicht sie nur in speziellen Ausgestaltungen eine Synthese von Kraftstoff durch eingeleitete elektrische Rekuperationsenergie.It is known to use a fuel cell instead of a traction battery for supplying power to the electric machine. However, this is also expensive and relatively vulnerable. In addition, it allows a synthesis of fuel by introduced electrical Rekuperationsenergie only in special embodiments.

Schließlich sind die Möglichkeiten zur Rekuperation bei Elektrofahrzeugen bisher durch die Auslegung der Elektromaschine und des elektrischen Antriebsstranges begrenzt, die wirtschaftlich sinnvoll lediglich auf die maximale Antriebsleistung ausgelegt sind. Wenn die Verzögerungsleistung bei einem scharfen Bremsen über der maximalen Antriebsleistung liegt, kann nur ein Teil der Bremsleistung rekuperiert werden, der zudem oft zusätzlich durch den Betriebszustand der Traktionsbatterie, insbesondere deren Ladezustand und Temperatur, begrenzt wird.Finally, the possibilities for recuperation in electric vehicles have so far been limited by the design of the electric machine and the electric drive train, which are economically reasonable designed only for the maximum drive power. If the deceleration power is above the maximum drive power during a sharp braking, only a part of the braking power be recuperated, which is also often additionally limited by the operating condition of the traction battery, in particular their state of charge and temperature.

Der Antrieb von Fahrzeugen mit Schwungradmotoren erlaubt bei geeigneter Auslegung nahezu unbegrenzte Leistungen, die sowohl abgegeben als auch eingespeichert werden können. Zudem lässt sich der Energieinhalt eines Schwungrades nahezu vollständig für den Fahrbetrieb nutzen. Probleme in Bezug auf eine Alterung des Schwungrades und einen Arbeitstemperaturbereich sind gering. Auch die in der Vergangenheit bestehenden Probleme in Bezug auf die Sicherheit sind durch neue Werkstoffe und Herstellungsverfahren weitgehend gelöst.The drive of vehicles with flywheel motors, with a suitable design, allows almost unlimited performance, which can be both delivered and stored. In addition, the energy content of a flywheel can be almost completely used for driving. Problems related to aging of the flywheel and a working temperature range are low. Past safety issues have also been largely addressed by new materials and manufacturing processes.

Schwungräder weisen jedoch den entscheidenden Nachteil eines in Bezug auf Masse, Volumen und Kosten geringen spezifischen Energiegehaltes auf. Die Kapazität des Schwungrades kann aufgrund des benötigten Bauraums und der für Straßenfahrzeuge nachteiligen Kreiselkräfte nicht so groß gewählt werden, dass sich mit einem üblichen Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor vergleichbare Reichweiten erzielen lassen.Flywheels, however, have the decisive disadvantage of a low energy content in terms of mass, volume and cost. The capacity of the flywheel can not be so large due to the required installation space and the disadvantageous for road vehicles centrifugal forces that can be achieved with a conventional motor vehicle with combustion engine comparable ranges.

Hybridantriebe wurden entwickelt, um die spezifischen Vorteile der genannten Antriebsarten zu kombinieren und nach Möglichkeit deren spezifische Nachteile zu verringern. Das derzeit am meisten genutzte Hybridkonzept besteht aus einer Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem – oder mehreren – Elektromotor und einer Traktionsbatterie. Sofern ein lokal emissionsloser Antrieb mit einer für den Betrieb in sogenannten „Zero-Emissions-Zonen” ausreichenden Reichweite ermöglicht werden soll, ist der elektrische Antriebsstrang jedoch vergleichbar mit einem reinen Elektrofahrzeug auszulegen, womit die oben genannten Probleme reiner Elektrofahrzeuge weitgehend bestehen bleiben. Lediglich das Problem der für Langstreckenfahrten nicht ausreichenden Reichweite entfällt durch das zusätzliche Vorsehen eines Verbrennungsmotors.Hybrid drives have been developed to combine the specific advantages of these drive types and, if possible, to reduce their specific disadvantages. Currently the most widely used hybrid concept is a combination of an internal combustion engine with one or more electric motors and a traction battery. However, if a locally emission-free drive with a range sufficient for operation in so-called "zero-emission zones" is to be made possible, the electric drive train should be designed to be comparable to a pure electric vehicle, whereby the above-mentioned problems of pure electric vehicles largely remain. Only the problem of not sufficient for long distance driving range deleted by the additional provision of an internal combustion engine.

Bereits in Serie gebaute Hybridfahrzeuge weisen zumeist nur eine für eine geringe Reichweite von wenigen Kilometern ausreichende Batteriekapazität auf, wobei im Betrieb der Einsatz des Verbrennungsmotors und des Elektromotors kombiniert wird. Dies hat den Vorteil, dass sowohl die Leistung des verbrennungsmotorischen als auch des elektrischen Antriebsstranges geringer als bei einem Fahrzeug mit nur einer Antriebsart ausgelegt werden können und insbesondere auch die Kapazität der Traktionsbatterie relativ gering sein kann, diese allerdings stark beansprucht wird. In Phasen mit geringem Leistungsbedarf kann wahlweise nur eine der beiden Antriebsarten verwendet werden. Dennoch muss der verbrennungsmotorische Antriebsstrang relativ groß dimensioniert werden und ein Betrieb in größeren Zero-Emissions-Zonen ist nicht sinnvoll möglich. Um bei Hybridfahrzeugen eine Rekuperation zu ermöglichen, sind zugehörige elektrische Antriebsmotoren üblicherweise als Elektromaschinen realisiert.Already mass-produced hybrid vehicles usually have only sufficient for a small range of a few kilometers battery capacity, the operation of the use of the internal combustion engine and the electric motor is combined. This has the advantage that both the performance of the internal combustion engine and the electric drive train can be designed lower than in a vehicle with only one drive and in particular, the capacity of the traction battery can be relatively low, but this is heavily used. In phases with low power requirements, either only one of the two drive types can be used. Nevertheless, the internal combustion engine drivetrain must be relatively large dimensions and operation in larger zero-emission zones is not meaningful. In order to enable recuperation in hybrid vehicles, associated electric drive motors are usually realized as electric machines.

Es wurden bereits einige Antriebskonzepte vorgeschlagen, die ein Schwungrad, eine elektrische Antriebsmaschine, eine Traktionsbatterie und einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeugantrieb kombinieren.Some drive concepts have already been proposed which combine a flywheel, an electric drive machine, a traction battery and an internal combustion engine in a vehicle drive.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2007 015 050 U1 ist ein Hybrid-Kraftfahrzeug mit einer Schwungradanordnung bekannt, das außerdem einen Verbrennungsmotor sowie einen Elektromotor mit einer Bordbatterie aufweist. Dabei sind alle drei Antriebe über einen Kettenwandler oder ein automatisches Getriebe an eine zentrale Antriebswelle des Fahrzeugs ankuppelbar. Das dort vorgestellte Hybrid-Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei Schwungräder vorhanden sind, die mit gleicher Umdrehungszahl entgegengesetzt zueinander umlaufen. Gemäß einem dort genannten Ausführungsbeispiel kann der Antriebsstrang für ein Fahrzeuggesamtgewicht von 2000 kg so ausgelegt sein, dass die Schwungräder auf eine Drehzahl von 9.600 bzw. 12.000 Umdrehungen pro Minute gebracht werden können und dann einen ausreichenden Energieinhalt besitzen, um das Fahrzeug einmalig von 0 auf ca. 70 km/h zu beschleunigen. Der Elektromotor soll mit einer Leistung von 10–12 kW ausreichend dimensioniert sein, um den Rollwiderstand auf ebenem Gelände auszugleichen, während die Dynamik durch die Schwungräder abgedeckt wird. Der Elektromotor soll dabei von der Bordbatterie gespeist werden. Da das Gewicht der Bordbatterie bei Auslegung für längere Fahrten ohne Verbrennungsmotor zu groß wäre, ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor nach Bedarf mit dem Elektromotor koppelbar ist, um die Batterie wieder aufzuladen und um höhere Fahrgeschwindigkeiten als 70 km/h zu erreichen. Die Leistung des Verbrennungsmotors kann auf ca. 30 kW begrenzt sein.From the German utility model DE 20 2007 015 050 U1 a hybrid motor vehicle with a flywheel assembly is known, which also has an internal combustion engine and an electric motor with an on-board battery. In this case, all three drives via a chain converter or an automatic transmission to a central drive shaft of the vehicle can be coupled. The presented there hybrid motor vehicle is characterized by the fact that at least two flywheels are present, which rotate opposite to each other with the same number of revolutions. According to an embodiment mentioned there, the drive train for a total vehicle weight of 2000 kg can be designed so that the flywheels can be brought to a speed of 9,600 or 12,000 revolutions per minute and then have sufficient energy content to the vehicle once from 0 to approx To accelerate 70 km / h. The electric motor with a power of 10-12 kW should be sufficiently dimensioned to compensate for the rolling resistance on level terrain, while the dynamics is covered by the flywheels. The electric motor should be powered by the on-board battery. Since the weight of the on-board battery would be too large in design for longer trips without an internal combustion engine, it is provided that the internal combustion engine can be coupled with the electric motor as needed to recharge the battery and to achieve higher speeds than 70 km / h. The power of the internal combustion engine can be limited to approx. 30 kW.

Das in DE 20 2007 015 050 U1 vorgeschlagene Fahrzeug ist damit nicht in der Lage, längere Strecken lokal emissionslos zurückzulegen und weist im emissionslosen Betrieb unakzeptabel geringe Fahrleistungen auf.This in DE 20 2007 015 050 U1 The proposed vehicle is therefore not able to cover longer distances locally without emissions and has unacceptably low driving performance in emission-free operation.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 1 812 480 A1 ist ein Antriebssystem für Fahrzeuge bekannt, welches die Luftverunreinigung vermindern und/oder die Fahrzeugleistung verbessern soll. Dazu ist eine Verbrennungsmaschine vorgesehen, deren Leistung nur für die Aufrechterhaltung der maximalen Verkehrsgeschwindigkeit des Fahrzeugs entsprechend dem Gewicht und der Art des Fahrzeugs ausgelegt ist. Gemäß einem dortigen Ausführungsbeispiel ist für ein als „üblicher Sedan” bezeichnetes, voll beladenes Kraftfahrzeug mit 2200 kg Gesamtgewicht ein Dieselmotor mit 2 Litern Hubraum und 59 PS entsprechend 43,4 KW vorgesehen, der eine ständige Geschwindigkeit bei ebener Straße von 135 km/h ermöglichen soll. In Phasen geringeren Leistungsbedarfes kann Arbeit des Verbrennungsmotors in 12 Schwungrädern mit jeweils 44,3 kg Masse über eine schaltbare mechanische Verbindung zwischengespeichert und bei Bedarf wieder an den Antriebsstrang abgegeben werden. Zusätzlich ist dort eine kleine Elektromaschine mit im Ausführungsbeispiel 4,9 PS entsprechend 3,6 kW vorgesehen, die die Schwungräder beschleunigen kann und aus einer handelsüblichen Batterie gespeist wird, die vom Verbrennungsmotor über eine Lichtmaschine geladen werden kann.From the German patent application DE 1 812 480 A1 For example, a drive system for vehicles is known which is intended to reduce air pollution and / or improve vehicle performance. For this purpose, an internal combustion engine is provided whose performance is designed only for maintaining the maximum traffic speed of the vehicle according to the weight and the type of vehicle. According to a local embodiment is for a "conventional sedan" designated, fully loaded motor vehicle with 2200 kg total weight of a diesel engine with 2 liters of displacement and 59 hp corresponding 43.4 KW provided, which should allow a constant speed on a flat road of 135 km / h. In phases of lower power requirements, work of the internal combustion engine can be cached in 12 flywheels, each with 44.3 kg mass via a switchable mechanical connection and returned to the drive train as needed. In addition, there is a small electric machine with 4.9 horsepower according to 3.6 kW provided in the embodiment, which can accelerate the flywheels and is fed from a commercial battery that can be charged by the engine via an alternator.

Das dortige Fahrzeugantriebssystem weist keine Traktionsbatterie auf, die in der Lage wäre, das Fahrzeug ohne lokale Emissionen über eine nennenswerte Strecke zu bewegen. Die Elektromaschine ist so klein dimensioniert, dass sie eine ausreichende Nachladung des Schwungrades aus der Batterie nicht möglich ist. Zudem erscheint eine Gesamt-Schwungradmasse von über 500 kg verteilt auf 12 Schwungräder für eine Nutzung in einem PKW nicht praktikabel und die Anbindung der Schwungräder über eine getriebelose Rutschkupplung an den Verbrennungsmotor wenig energieeffizient.The local vehicle drive system does not have a traction battery capable of moving the vehicle over a significant distance without local emissions. The electric machine is so small that it is not possible to sufficiently recharge the flywheel from the battery. In addition, a total flywheel mass of over 500 kg distributed on 12 flywheels for use in a car seems impractical and the connection of the flywheels via a gearless slip clutch to the engine little energy efficient.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 197 18 480 A1 offenbart einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und zumindest einer als Motor/Generator einsetzbaren Elektromaschine, bei dem die Beschleunigungsleistung über ein Bordnetz durch eine schwungradgespeiste Elektromaschine erbracht wird. Der Verbrennungsmotor ist zur Nachladung einer Batterie bzw. zur Einhaltung einer Mindestdrehzahl des Schwungrades sowie zur Überwindung des Roll- und Luftwiderstandes des Fahrzeugs vorgesehen. In einem dortigen Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug mit 30 Tonnen Gesamtgewicht sind ein Schwungradspeicher mit 2,5 kWh nutzbarer Energie und einer Leistung von 350 kW und zwei Batterien von jeweils 25 kWh nutzbarer Energie vorgesehen, die eine lokal emissionslose Fahrstrecke von ca. 30 km abdecken sollen. Als Verbrennungsmotor ist ein Dieselaggregat mit 140 kW und als elektrische Antriebsmotoren sind 4 Elektromaschinen mit jeweils etwa 200 kW Spitzenleistung vorgesehen.The German patent application DE 197 18 480 A1 discloses a hybrid drive for a vehicle having an internal combustion engine and at least one electric motor that can be used as a motor / generator, in which the acceleration power is provided via a vehicle electrical system by a flywheel-fed electric machine. The internal combustion engine is provided to recharge a battery or to maintain a minimum speed of the flywheel and to overcome the rolling and air resistance of the vehicle. In one embodiment there for a rail vehicle with a total weight of 30 tons flywheel storage with 2.5 kWh of usable energy and a power of 350 kW and two batteries of 25 kWh of usable energy are intended to cover a locally emission-free route of about 30 km , As combustion engine is a diesel engine with 140 kW and electric drive motors are 4 electric machines, each with about 200 kW peak power provided.

Ein Dimensionierungsvorschlag für erheblich leichtere Fahrzeuge wird dort nicht gemacht. Bei einer linearen Skalierung auf ein Fahrzeug mit 1000 kg Gesamtgewicht würde sich ein nutzbarer Energieinhalt des Schwungrades von nur 0,083 kWh und nur 11,6 kW Leistung und eine nutzbare Batteriekapazität von nur 1,66 kWh ergeben.A sizing proposal for significantly lighter vehicles is not made there. A linear scaling to a vehicle with a total weight of 1000 kg would result in a usable energy content of the flywheel of only 0.083 kWh and only 11.6 kW of power and a usable battery capacity of only 1.66 kWh.

Obwohl unterschiedliche Hybridantriebe unter Einbeziehung von Schwungrädern, Verbrennungsmotoren, Elektromotoren, Batterien und Brennstoffzellen bekannt sind, fehlt es an einer vorteilhaften Dimensionierung und Abstimmung der genannten Komponenten, die eine Erreichung der in der Aufgabenstellung benannten Ziele erlaubt.Although different hybrid drives with the involvement of flywheels, internal combustion engines, electric motors, batteries and fuel cells are known, there is a lack of advantageous dimensioning and tuning of the above components, which allows achieving the objectives specified in the task.

Um im Folgenden eine einheitliche Terminologie und ein einfaches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, werden zunächst einige zentrale Begriffe definiert:In order to enable a consistent terminology and a simple understanding of the invention in the following, a few key terms are first defined:

Eine Maschine mit instationärem Leistungsbedarf ist eine Maschine oder ein Aggregat, dessen Leistungsabgabe bei üblichem, bestimmungsgemäßem Betrieb starken Schwankungen von wenigstens einem Faktor 3 der im kurzfristigen zeitlichen Mittel abgegebenen Leistung unterliegt, insbesondere ein radgetriebenes Straßenfahrzeug.A machine with unsteady power requirement is a machine or an aggregate, the power output in normal, normal operation subject to strong fluctuations of at least a factor of 3 in the short-term time output power, in particular a wheel-driven road vehicle.

Der Begriff Hybridfahrzeug bezeichnet zunächst und vor allem ein radgetriebenes Straßenfahrzeug mit einer Kombination aus zumindest zwei unterschiedlichen motorischen Antrieben. Der Begriff soll im Rahmen dieser Schrift jedoch weder auf radgetriebene Fahrzeuge noch auf Straßenfahrzeuge eingeschränkt sein, sodass beispielsweise Ketten- und schraubengetriebene Fahrzeuge ebenso mit umfasst sind wie Landfahrzeuge, die abseits befestigter Straßen bewegt werden sowie Wasser- und Luftfahrzeuge. Weiter soll der Begriff weder durch den Zweck des Fahrzeugs noch durch seine typische Größe beschränkt sein, sodass z. B. auch Spielzeug- oder Modellfahrzeuge, fahrerlose Transportsysteme, und selbstfahrende Arbeitsmaschinen vollständig mit umfasst sind. Zur besseren Verständlichkeit wird im Folgenden stets auf ein Hybrid-Straßenfahrzeug abgestellt, ohne dass damit eine Einschränkung in Bezug auf die Art der Maschine oder des Fahrzeugs beabsichtigt ist.The term hybrid vehicle initially and above all refers to a wheel-driven road vehicle with a combination of at least two different engine drives. However, the term should not be limited to wheeled vehicles or road vehicles in the context of this document, so that, for example, chain and screw driven vehicles are included as well as land vehicles that are moved off paved roads and water and air vehicles. Next, the term should not be limited by the purpose of the vehicle nor by its typical size, so z. B. also toy or model vehicles, driverless transport systems, and self-propelled machines are completely covered. For the sake of clarity, the following always refers to a hybrid road vehicle, without it being intended to restrict the type of machine or vehicle.

Der Begriff Antriebsmittel umfasst neben einem antreibbaren Rad (Antriebsrad) eines Fahrzeugs auch äquivalente Elemente wie Fahrketten, Schrauben oder Propeller. Der Begriff umfasst auch eine Mehrzahl antreibbarer Räder oder deren Äquivalente, die zum Vortrieb eines Fahrzeugs oder zum Antrieb weiterer Einrichtungen vorgesehen sind.The term drive means includes not only a drivable wheel (drive wheel) of a vehicle but also equivalent elements such as chains, screws or propellers. The term also includes a plurality of drivable wheels or their equivalents provided for propelling a vehicle or for propelling other devices.

Ein chemisch-mechanischer Energiewandler wandelt chemische Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit um. Dazu gehören beispielsweise ein Verbrennungsmotor sowie auch die Kombination aus einer Brennstoffzelle und einer Elektromaschine und dergleichen.A chemical-mechanical energy converter converts chemical energy into mechanical energy or work. These include, for example, an internal combustion engine as well as the combination of a fuel cell and an electric machine and the like.

Unter einem Verbrennungsmotor wird im allgemeinen Sprachgebrauch ein Motor mit innerer Verbrennung verstanden, insbesondere nach Art eines mit Gas oder flüssigem Kraftstoff wie Diesel oder Benzin betriebenen Kolbenmotors. Im Rahmen dieser Schrift soll der Begriff des Verbrennungsmotors weiter sämtliche Motoren umfassen, bei denen ein chemischer Energieträger durch Oxidation mechanische Energie „erzeugt”. Damit sind neben Wankelmotoren und Vielstoffmotoren beispielsweise auch Freikolbenmotoren und Turbinenmotoren mit umfasst.Under an internal combustion engine is generally understood a motor with internal combustion, in particular in the manner of a with gas or liquid fuel such as diesel or gasoline powered piston engine. In the context of this document, the term "internal combustion engine" shall further include all engines in which a chemical energy source "generates" mechanical energy through oxidation. Thus, in addition to Wankel engines and multi-fuel engines, for example, free-piston engines and turbine engines are also included.

Der optimale Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors bezieht sich auf einen Leistungsbereich, in dem der Verbrennungsmotor unter Beachtung von Randbedingungen im Bereich maximalen Wirkungsgrades betrieben werden kann. Die Größe des optimalen Arbeitsbereiches kann beispielsweise durch Vorgabe eines akzeptablen Mehrverbrauchs pro abgegebener Leistung festgelegt werden, der beispielsweise maximal +10%, bevorzugt jedoch nicht mehr als +5% betragen kann. Die zu beachtenden Randbedingungen beziehen sich in erster Linie auf den Verschleiß und den Schadstoffausstoß des Verbrennungsmotors, beispielsweise die Temperaturen des Motors, Motoröls und Kühlwassers und die Temperatur und den Beladungsgrad von Katalysatoren und/oder Partikelfiltern sowie die Kraftstoffqualität, kann jedoch auch weiter Grüßen wie beispielsweise den Luftdruck berücksichtigen. Der optimale Arbeitsbereich kann zudem unter Einbeziehung der Wirkungsgrade von Nebenaggregaten bestimmt und/oder in Bezug auf das Gesamtfahrzeug definiert werden. So kann es beispielsweise bei geringer Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors oder hohem Heizenergiebedarf der Batterie und/oder des Fahrzeuginnenraums energetisch sinnvoll sein, vorübergehend gezielt einen geringeren mechanischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors einzustellen, wenn die Nutzung der durch den Verbrennungsmotor erzeugten Abwärme in Bezug auf das gesamte Fahrzeug energetisch effektiver als alternative Arten der Wärmeerzeugung sind.The optimum operating range of the internal combustion engine relates to a power range in which the internal combustion engine can be operated under consideration of boundary conditions in the region of maximum efficiency. The size of the optimum working range can be determined, for example, by specifying an acceptable additional consumption per delivered power, which may be, for example, a maximum of + 10%, but preferably not more than + 5%. The boundary conditions to be considered relate primarily to the wear and emissions of the internal combustion engine, such as the temperatures of the engine, engine oil and cooling water and the temperature and the degree of loading of catalysts and / or particulate filters and the fuel quality, but can also continue to greet such as take the air pressure into account. The optimal working range can also be determined by including the efficiencies of ancillaries and / or defined in relation to the overall vehicle. So it may be energetically useful, for example, at low operating temperature of the engine or high heating energy demand of the battery and / or the vehicle interior, temporarily targeted to set a lower mechanical efficiency of the engine when the use of waste heat generated by the engine with respect to the entire vehicle energetically effective as alternative types of heat generation are.

Unter einer Brennstoffzelle wird eine Vorrichtung verstanden, in der aus einem chemischen Energieträger direkt, also ohne Umwandlung in mechanische Energie bzw. Arbeit, elektrische Energie gewonnen wird. Die meisten Brennstoffzellen arbeiten mit Wasserstoffgas und Luftsauerstoff und sollen im Rahmen dieser Schrift in Kombination mit einem Elektromotor als lokal emissionslose Antriebe oder wie vorstehend erwähnt als Äquivalent eines Verbrennungsmotors verstanden werden. Sofern der Wasserstoff jedoch zunächst an Bord des Fahrzeugs aus einem kohlenstoffhaltigen Energieträger, insbesondere Methan oder Benzin unter Emission von CO2 erfolgt, kann das System aus Reformer, Brennstoffzelle und elektrischem Motor als chemisch-mechanischer Energiewandler betrieben werden Einige Brennstoffzellen erlauben eine Umkehrung des Prozesses oder sind mit Systemen gekoppelt, die eine Gewinnung eines chemischen Energieträgers durch Einsatz von elektrischer Energie erlauben. Eine derartige reversible Umwandlung stellt ein funktionales Äquivalent zu einer Batterie dar. Dabei umfasst der Begriff der reversiblen Brennstoffzelle auch eine Kombination aus einer nicht-reversibel arbeitenden Brennstoffzelle und einer Vorrichtung zur Erzeugung eines chemischen Energieträgers aus elektrischer Energie.A fuel cell is understood to be a device in which electrical energy is obtained directly from a chemical energy source, ie without conversion into mechanical energy or work. Most fuel cells work with hydrogen gas and atmospheric oxygen and are to be understood in the context of this document in combination with an electric motor locally as emissionless drives or as mentioned above as the equivalent of an internal combustion engine. However, if the hydrogen is initially carried on board the vehicle from a carbonaceous energy source, in particular methane or gasoline with the emission of CO2, the system of reformer, fuel cell and electric motor can be operated as a chemical-mechanical energy converter Some fuel cells allow a reversal of the process or are coupled with systems that allow recovery of a chemical energy carrier by using electrical energy. Such a reversible transformation represents a functional equivalent to a battery. The term reversible fuel cell also includes a combination of a non-reversible fuel cell and a device for generating a chemical energy source from electrical energy.

Ein Hochleitungsenergiespeicher ist ein Energiespeicher, der eine im Verhältnis zu herkömmlichen, elektrochemischen Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Zellen eine in Bezug auf die Energiekapazität sehr hohe Be- und Entladeleistung bei geringer Alterung ermöglicht und dabei bevorzugt nur eine geringe, als Wärme anfallende Verlustleistung aufweist und zudem bevorzugt einen im Vergleich zu herkömmlichen, elektrochemischen Energiespeichern großen nutzbaren Anteil der nominellen Kapazität aufweist. Dies sind in erster Linie mechanische Energiespeicher und besonders Schwungräder können aber auch bestimmte Kondensatorbatterien, die die entsprechenden Eigenschaften aufweisen, insbesondere bestimmte Doppelschicht-Kondensatoren wie sogenannte Super- oder Ultracaps.A Hochleitungsenergiespeicher is an energy storage, which allows in relation to conventional electrochemical energy storage such as lithium-ion cells with respect to the energy capacity very high loading and unloading performance with low aging and preferably has only a small amount of heat dissipated power loss and moreover, it preferably has a large usable fraction of the nominal capacity in comparison with conventional electrochemical energy stores. These are primarily mechanical energy storage and especially flywheels but can also certain capacitor batteries that have the appropriate properties, in particular certain double-layer capacitors such as so-called super or ultracaps.

Ein mechanischer Energiespeicher kann insbesondere eine Schwungradanordnung, ein mechanischer Federspeicher, ein pneumatischer bzw. hydro-pneumatischer Druckspeicher oder dergleichen sein.A mechanical energy store may in particular be a flywheel arrangement, a mechanical spring store, a pneumatic or hydro-pneumatic pressure store or the like.

Eine Schwungradanordnung, die ein oder mehrere Schwungräder enthalten kann, kann mittels einer rotierenden Masse Energie aufnehmen und abgeben. Der Energieinhalt des Schwungrades (bzw. mehrerer Schwungräder) wird als Prozentsatz der maximal speicherbaren, tatsächlich nutzbaren Energie des Schwungrades angegeben und als State of Charge (SOC) bezeichnet.A flywheel assembly, which may include one or more flywheels, can receive and deliver energy by means of a rotating mass. The energy content of the flywheel (or more flywheels) is given as a percentage of the maximum storable, actually usable energy of the flywheel and called State of charge (SOC).

Ein elektrischer Energiespeicher ist insbesondere ein Elektroschwungrad, ein elektrischer Kondensator, eine Batterie, ein reversibel arbeitendes Brennstoffzellen-System oder dergleichen.An electrical energy store is in particular an electric flywheel, an electrical capacitor, a battery, a reversibly operating fuel cell system or the like.

Ein Elektroschwungrad ist üblicherweise eine funktionale Kombination aus einem Schwungrad und einer Elektromaschine, wobei die Elektromaschine physikalisch einen Teil des Elektroschwungrades bilden und bevorzugt in das Gehäuse des Schwungrades integriert sein kann. Ein elektrischer Kondensator kann insbesondere auch ausgebildet sein als ein kapazitiver Hochleistungsspeicher auf Basis von Doppelschichtkondensatoren, wie sogenannte Super- oder Ultracaps, mit entsprechender Ansteuerungselektronik. Derartige Super- oder Ultracaps sind insofern mit einem Elektroschwungrad vergleichbar, da sich beide Komponenten bei ähnlichem maximalem Energieinhalt im Rahmen des vorgestellten Antriebskonzeptes aufgrund der relevanten Eigenschaften (geringe Alterung und Erwärmung bei großen ein- und ausgespeicherten Leistungen bei gutem Wirkungsgrad, nahezu vollständig nutzbare nominelle Kapazität, großer Arbeitstemperaturbereich, Selbstentladungsverhalten) gegen einander austauschen lassen.An electric flywheel is usually a functional combination of a flywheel and an electric machine, wherein the electric machine physically form part of the flywheel and may preferably be integrated into the housing of the flywheel. In particular, an electrical capacitor can also be designed as a capacitive high-performance memory based on double-layer capacitors, such as so-called supercaps or ultracaps, with corresponding control electronics. Such super or ultracaps are comparable with an electric flywheel insofar as both components are similar Maximum energy content in the context of the proposed drive concept due to the relevant characteristics (low aging and heating at high input and output stored power with good efficiency, almost fully usable nominal capacity, large working temperature range, self-discharge behavior) can be exchanged against each other.

Im Rahmen dieser Schrift umfasst der Begriff der Batterie einen Speicher für elektrische Energie auf Basis einer reversiblen elektrochemischen Umwandlung und darüber hinaus auch äquivalent wirksame Speicher für elektrische Energie, insbesondere auf Basis von elektrischen oder magnetischen Feldern. Bei elektrochemischen Batterien ist zu beachten, dass der nutzbare Ladungsbereich üblicher Weise nur ca. 50% der nominellen Kapazität der Batterie beträgt, da die Batterie zur Verringerung der Alterung in einem Ladungsbereich von ca. 40–90% der maximal möglichen Ladungsmenge gehalten werden soll.In the context of this document, the term of the battery includes a memory for electrical energy based on a reversible electrochemical conversion and moreover also equivalent effective storage for electrical energy, in particular based on electrical or magnetic fields. For electrochemical batteries, it should be noted that the usable charge range is usually only about 50% of the nominal capacity of the battery, since the battery is to be kept in a charge range of about 40-90% of the maximum possible charge amount to reduce aging.

Im Folgenden wird, soweit nichts anderes angegeben ist, bei Angaben über den als State of Charge (SOC) bezeichneten, nutzbaren Energieinhalt einer Batterie nicht auf die nominelle Kapazität der Batterie Bezug genommen, sondern auf die tatsächlich in der Praxis nutzbare Kapazität einer nicht gealterten Batterie unter üblichen Betriebsbedingungen. Eine nominelle Batteriekapazität von z. B. 15 kWh entspricht daher bei einem angenommenen nutzbaren Ladungsbereich von 50% einer tatsächlich nutzbaren Kapazität von 7,5 kWh. Ein SOC von 33% entspricht daher einer entnehmbaren Energie von 2,5 kW. In besonderen Betriebszuständen kann der nutzbare Anteil der nominellen Batteriekapazität temporär erweitert werden, weshalb in diesen Fällen auch ein SOC von unter 0% oder über 100% grundsätzlich möglich ist, beispielsweise um bei einem Ausfall des verbrennungsmotorischen Antriebsstranges das Fahrziel bzw. eine Werkstatt erreichen zu können (sogen. Limb home), oder bei sehr hohen Fahrleistungsanforderungen (Kick down) trotz Erreichen der Entladegrenze der Batterie erhöhte Fahrleistungen zu ermöglichen.Unless otherwise indicated, the following is the reference to what is known as the state of charge (SOC), usable energy content of a battery not to the nominal capacity of the battery, but on the actually usable in practice capacity of an unaltered battery under normal operating conditions. A nominal battery capacity of z. B. 15 kWh therefore corresponds to an assumed usable charge range of 50% of a usable actual capacity of 7.5 kWh. An SOC of 33% therefore corresponds to a removable energy of 2.5 kW. In special operating conditions, the usable portion of the nominal battery capacity can be temporarily extended, which is why in these cases, a SOC of less than 0% or over 100% is basically possible, for example, to reach the destination or a workshop in case of failure of the internal combustion engine powertrain (so-called limb home), or to allow increased driving performance despite very high driving performance requirements (kick down) despite reaching the discharge limit of the battery.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb von Maschinen mit instationärem Leistungsbedarf, wie insbesondere von Kraftfahrzeugen, vorzustellen, wobei eine derart angetriebene Maschine

  • – eine ausgezeichnete Energieeffizienz aufweist,
  • – hohe dynamische Fahrleistungen bereitstellen kann,
  • – sich für den lokal emissionslosen Betrieb in größeren Zero-Emissions-Zonen eignet,
  • – sich für den Langstreckenbetrieb mit unterbrechungsfreier Fahrt von zumindest einigen hundert Kilometern eignet,
  • – eine geringe und relativ langzyklische Belastung der Batterie durch geringe spezifische Be- und Entladeströme erlaubt, sowie
  • – eine hohe Ausfallsicherheit gegen sogenannte Liegenbleiber bietet.
The object of the invention is to present a drive device for driving machines with unsteady power requirements, such as in particular of motor vehicles, wherein a thus driven machine
  • - has excellent energy efficiency,
  • - can provide high dynamic performance,
  • - is suitable for locally emission-free operation in larger zero emission zones,
  • - is suitable for long-distance operation with uninterrupted travel of at least several hundred kilometers,
  • - A low and relatively long-cycle load on the battery by low specific loading and unloading allowed, as well
  • - Offers a high level of reliability against so-called Lying.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Fahrzeug mit einer entsprechenden Antriebsvorrichtung. Durch den letzten unabhängigen Anspruch wird außerdem eine Anzeigevorrichtung vorgestellt, die für die Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung von großem Vorteil ist. Durch die abhängigen Ansprüche werden vorteilhafte Weiterentwicklungen unter Schutz gestellt.This object is achieved by a drive device according to claim 1 or by a vehicle with a corresponding drive device. By the last independent claim, a display device is also presented, which is for the use of the drive device according to the invention of great advantage. By the dependent claims advantageous developments are put under protection.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 dient zum Antrieb einer Maschine mit instationärem Leistungsbedarf, wie beispielsweise von einem Kraftfahrzeug. Dabei ist zunächst ein erster chemisch-mechanischer Energiewandler, der beispielsweise und bevorzugt als Kolben-Verbrennungsmotor, aber z. B. auch als Turbinenmotor oder Motor sonstiger Bauart zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus einem chemischen Energieträger ausgestaltet sein kann, und/oder eine erste Brennstoffzelle enthalten, die ggf. auch reversibel arbeiten kann oder durch Zuordnung eines Reformers eine reversibel betreibbare Brennstoffzellen-Systemkomponente bilden kann. Weiterhin ist ein erster elektrischer Energiespeicher enthalten, der bevorzugt als elektrochemische, reversible Batterie, insbesondere auf Lithium-Ionen-Basis oder als ähnlich wirkender, reversibler elektrischer Speicher gestaltet sein kann und/oder eine zweite Brennstoffzelle bzw. eine zweite Brennstoffzellen-Systemkomponente enthalten.The drive device according to the invention according to claim 1 is used to drive a machine with unsteady power requirements, such as from a motor vehicle. Here, first, a first chemical-mechanical energy converter, for example, and preferably as a piston internal combustion engine, but z. B. may also be configured as a turbine engine or engine of any other type for generating mechanical work from a chemical energy source, and / or contain a first fuel cell, which may possibly work reversibly or by assigning a reformer can form a reversibly operable fuel cell system component. Furthermore, a first electrical energy store is included, which may preferably be designed as an electrochemical, reversible battery, in particular lithium-ion-based or as a similarly acting, reversible electrical storage and / or contain a second fuel cell or a second fuel cell system component.

Weiter ist als für die Erfindung zentrale Komponente ein Hochleistungsenergiespeicher vorgesehen, der sich wie vorstehend definiert dadurch auszeichnet, dass er im Vergleich zu derzeit bekannten elektrochemischen Energiespeichern bezogen auf den maximalen Energieinhalt sehr hohe Leistungen bei geringer Alterung und mit gutem Wirkungsgrad einspeichern und abgeben kann. Zudem erlaubt der Hochleistungsenergiespeicher bevorzugt im Vergleich zu bekannten elektrochemischen Batterien auf Lithium-Ionen Basis die Nutzung eines sehr großen SOC-Bereichs bei geringer Alterung. In konkreten Ausgestaltungen besteht dieser Hochleistungsenergiespeicher bevorzugt aus einem mechanischen Energiespeicher und besonders einer Schwungradanordnung. Alternativ oder ergänzend können für diesen mechanischen Energiespeicher auch ein Federspeicher, ein pneumatischer bzw. hydro-pneumatischer Druckspeicher oder dergleichen enthalten sein. Den mechanischen Energiespeichern ist dabei eine zweite Elektromaschine zugeordnet, die bevorzugt auf die vorgesehene Leistung des mechanischen Energiespeichers ausgelegt ist und vorteilhaft als Elektromaschine eines Elektroschwungrads ausgebildet sein kann. Bei der Verwendung einer Schwungradanordnung kann genau ein oder alternativ mehrere Schwungräder vorgesehen werden, die in diesem Fall zur Auslöschung fahrdynamischer Einflüsse der Schwungräder durch Kreiselkräfte bevorzugt geradzahlig und hälftig gegenläufig ausgebildet sind. Daneben sind jedoch auch andere Ausgestaltungen, insbesondere auf Basis von die vorgenannten Kriterien erfüllenden Hochleistungskondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren und hier besonders sogenannten Super- oder Ultracaps und Hybridkondensatoren möglich,Next is provided as a central component for the invention, a high-performance energy storage, as defined above, characterized in that it can store and deliver compared to currently known electrochemical energy storage based on the maximum energy content very high performance with low aging and good efficiency. In addition, the high-performance energy storage preferably allows the use of a very large SOC range with low aging in comparison to known lithium-ion based electrochemical batteries. In specific embodiments, this high-performance energy storage device preferably consists of a mechanical energy store and in particular a flywheel arrangement. Alternatively or additionally, a spring accumulator, a pneumatic or hydro-pneumatic accumulator or the like may be included for this mechanical energy storage. The mechanical energy storage is associated with a second electric machine, which is preferably designed for the intended performance of the mechanical energy storage and advantageous as Electric machine of an electric flywheel may be formed. When using a flywheel assembly, exactly one or alternatively a plurality of flywheels may be provided, which are preferably formed evenly and in half in opposite directions in this case to extinguish dynamic driving influences of the flywheels by centrifugal forces. In addition, however, other embodiments, in particular on the basis of the aforementioned criteria fulfilling high-performance capacitors, in particular double-layer capacitors and especially so-called super or ultracaps and hybrid capacitors are possible here,

Da diese Hochleistungsenergiespeicher im Vergleich zu üblichen elektrochemischen Energiespeichern pro Energiespeicherkapazität sehr teuer sind, ist ihr Einsatz als erster elektrischer Energiespeicher, zum Beispiel an Stelle einer Lithium-Ionenbatterie, nicht wirtschaftlich möglich und würde bei Ausgestaltung als mechanischer Energiespeicher zudem erhebliche Probleme in Bezug auf Gewicht, benötigten Bauraum und im Fall eines Schwungrad-Moduls ggf. in Bezug auf große, für die Fahrdynamik nachteilige Kreiselkräfte aufwerten.Since these high-performance energy storage devices are very expensive per energy storage capacity compared to conventional electrochemical energy storage devices, their use as the first electrical energy storage device, for example instead of a lithium-ion battery, is not economically feasible and, in the case of a design as a mechanical energy storage device, would also result in considerable problems in terms of weight, increase space required and in the case of a flywheel module, if necessary, in relation to large, for the driving dynamics disadvantageous centrifugal forces.

Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zumindest ein Antriebsmittel, insbesondere ein oder mehrere Antriebsräder und die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist so gestaltet und deren vorgenannte Komponenten sind so angeordnet, dass sie – soweit in einer konkreten Ausgestaltung vorhanden – das oder die Antriebsmittel mechanisch und/oder elektrisch antreiben können.Finally, the drive device according to the invention comprises at least one drive means, in particular one or more drive wheels and the drive device according to the invention is designed and their aforementioned components are arranged so that they - if present in a specific embodiment - the drive or the drive means can mechanically and / or electrically drive ,

Für die Lösung der gestellten Aufgabe hat sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Hochleistungsenergiespeicher eine Leistung für den Antrieb der Maschine abgeben kann, die um den Faktor 1,5 bis 8 höher ist als die Summe der Leistungen des ersten chemisch-mechanischen Energiewandlers im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich und/oder der ersten Brennstoffzelle. Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass ein Faktor innerhalb des Bereiches von 2 bis 6 besonders gut ist und ein Optimum um den Wert 4 liegt, wobei Werte innerhalb einer Spanne von 3 bis 5 auch sehr gut geeignet sind. Dabei versteht es sich von selbst, dass unter der Leistung der ersten Brennstoffzelle hier deren auslegungsgemäße maximale bzw. maximale Dauerleistung unter Berücksichtigung üblicher Randbedingungen wie der Alterung verstanden werden soll, da eine Dimensionierung bezogen auf eine beliebig einstellbare Teilleistung oder eine nur kurzzeitig realisierbare Überlast-Leistung keinen Sinn ergeben würde.To achieve the object has been found that it is particularly advantageous if the high-performance energy storage can deliver a power for driving the machine, which is higher by a factor of 1.5 to 8 than the sum of the benefits of the first chemical-mechanical Energy converter in the consumption-optimal operating range and / or the first fuel cell. It has also been found that a factor within the range of 2 to 6 is particularly good and an optimum around the value 4, whereby values within a range of 3 to 5 are also very well suited. It goes without saying that under the performance of the first fuel cell here their design maximum or maximum continuous power is to be understood taking into account usual conditions such as aging, as a dimensioning based on an arbitrarily adjustable partial power or only briefly realizable overload power would make no sense.

Die vorgenannte Dimensionierung ist deshalb besonders vorteilhaft, weil sie bei einer als auslegungsgemäß als gegeben angesehenen, maximalen Gesamtleistung der Maschine bzw. des Kraftfahrzeugs eine vorteilhaft kleine Dimensionierung des chemisch-mechanischen Energiewandlers bzw. der ersten Brennstoffzelle, bei gleichzeitig hoher Gesamtleistung erlaubt, ohne den ersten elektrischen Energiespeicher unerwünscht groß auslegen oder unerwünscht stark beanspruchen zu müssen. Dies wird insbesondere mit Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel weiter unten detailliert ausgeführt.The above-mentioned dimensioning is therefore particularly advantageous because, given a maximum overall output of the machine or of the motor vehicle considered as designed, it allows an advantageously small dimensioning of the chemical-mechanical energy converter or the first fuel cell, at the same time as high overall power, without the first electrical energy storage undesirable large or unwanted heavy load. This will be detailed below with particular reference to the second embodiment.

Im Folgenden werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile näher erläutert. Dabei wird sie an vielen Stellen so beschrieben, dass anstelle von allgemeinen Begriffen, wie „chemisch-mechanischer Wandler” und „Hochleistungsenergiespeicher” konkrete Ausführungen genannt werden, wie „Verbrennungsmotor” bzw. „Schwungrad-Modul” oder „Schwungradanordnung”. Es sei darauf hingewiesen, dass dies lediglich der einfacheren Beschreibung dienen und keinesfalls eine Beschränkung der Erfindung darstellen soll.In the following, the present invention and its advantages are explained in more detail. It is described in many places so that instead of general terms, such as "chemical-mechanical converter" and "high-performance energy storage" concrete versions are called, such as "internal combustion engine" or "flywheel module" or "flywheel assembly". It should be noted that this is for convenience of description only and is not intended to be a limitation on the invention.

Durch die erfindungsgemäße vorteilhafte Dimensionierung wird ein extrem verbrauchs- und emissionsarmer Antrieb für Maschinen mit stark instationärem Leistungsbedarf und insbesondere für Kraftfahrzeuge ermöglicht, da sie bei kleiner Dimensionierung des Verbrennungsmotors die Bereitstellung einer hohen Antriebsleistung ermöglicht, ohne dabei erhebliche Probleme in Bezug auf den für das Schwungrad-Modul benötigten Bauraum und dessen Kosten aufzuwerfen und gleichzeitig die fahrdynamischen Einflüsse des Schwungrad-Moduls durch Kreiselkräfte noch ausreichend gering sind.The advantageous dimensioning according to the invention enables an extremely low-consumption and low-emission drive for machines with highly transient power requirements and in particular for motor vehicles, since it enables the provision of a high drive power with small dimensions of the internal combustion engine without significant problems in relation to that for the flywheel Module required space and raise its costs and at the same time the driving dynamics influences of the flywheel module by centrifugal forces are still sufficiently low.

Da die Gesamtleistung der Maschine bzw. des Kraftfahrzeugs ein wesentliches Auslegungskriterium darstellt, kann sie für eine bestimmte Maschine oder Kraftfahrzeug als weitgehend gegeben angesehen werden. Damit führt die erfindungsgemäße Dimensionierung der Leistung der Schwungradanordnung und des Verbrennungsmotors bzw. ihrer äquivalenten Ausgestaltungen dazu, dass der Verbrennungsmotor (gerundet) nur für 11,1–40%, bevorzugt 14,3–33,3% besonders bevorzugt 16,7–25% und am meisten bevorzugt ca. 20% der Gesamtleistung aus Schwungrad-Modul und Verbrennungsmotor im verbrauchsoptimalen Bereich auszulegen ist. Diese Aufteilung der Leistungen der Hauptantriebsquellen ist geeignet, um den Verbrennungsmotor so klein auszulegen, dass er vollständig oder zumindest weit überwiegend in einem verbrauchsoptimalen Betriebsbereich betrieben werden kann bzw. im Fall einer Brennstoffzelle eine in Bezug auf deren hohe leistungsbezogene Kosten wirtschaftlich sinnvolle Auslegung zu akzeptablen Gesamtkosten überhaupt erst ermöglicht wird.Since the overall performance of the engine or motor vehicle is an essential design criterion, it can be considered as largely given for a particular engine or motor vehicle. Thus, the inventive dimensioning of the performance of the flywheel assembly and the internal combustion engine or their equivalent configurations to the fact that the engine (rounded) only for 11.1-40%, preferably 14.3-33.3%, particularly preferably 16.7-25 % and most preferably about 20% of the total output of flywheel module and internal combustion engine is to be interpreted in the consumption-optimal range. This division of the performance of the main drive sources is suitable to make the internal combustion engine so small that it can be operated completely or at least predominantly in a consumption-optimal operating range or in the case of a fuel cell in terms of their high performance-related costs economically meaningful design at an acceptable total cost is made possible in the first place.

Bei einem bekannten Einsatz einer elektrochemischen Batterie zur Speicherung überschüssiger Leistung des Verbrennungsmotors und als Haupt-Antriebsquelle des Fahrzeugs würden sich erhebliche Probleme in Bezug auf große Be- und Entladungsströme ergeben, die entweder das Vorsehen einer sehr groß dimensionierten Batterie mit entsprechenden Nachteilen in Bezug auf benötigten Bauraum, Gewicht und Kosten erfordern oder eine sehr große Belastung der Batterie durch hohe spezifische Be- und Entladeströme C und damit erhebliche Probleme in Bezug auf deren Temperierung und Alterung bedingen würden.In a known use of an electrochemical battery for storing excess power of the internal combustion engine and as The main drive source of the vehicle would result in significant problems in terms of large discharge and discharge currents, which either require the provision of a very large battery with corresponding disadvantages in terms of required space, weight and cost or a very high load on the battery by high specific loading and unloading C and thus would cause significant problems in terms of their temperature and aging.

Würde die Leistung der Schwungradanordnung im Verhältnis zur Leistung des Verbrennungsmotors kleiner gewählt, würde dessen Leistung so groß, dass der Betrieb im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich in vielen Betriebsphasen, insbesondere im Stadtverkehr nur durch nachteilig hohe Ladeströme in die Batterie möglich wäre. Sofern die Batterie nicht sehr groß und damit unerwünscht schwer und teuer ausgelegt würde, könnte der Verbrennungsmotor (bzw. eine Brennstoffzelle, usw.) aufgrund der begrenzten Aufnahmefähigkeit der Batterie und der Schwungradanordnung nur für kurze Zeiträume betrieben werden. Damit würde der Anteil der Betriebszeit des Verbrennungsmotors und einer zugeordneten Abgasreinigungsanlage in einem nicht ausreichenden Temperaturbereich unerwünscht hoch, oder der Verbrennungsmotor müsste im in Bezug auf den Verbrauch und die Abgasemissionen sehr nachteiligen Teillastbereich betrieben werden. Zudem wären der Verbrennungsmotor (bzw. eine Brennstoffzelle, usw.) im Vergleich zu einer erfindungsgemäßen Dimensionierung durch ein unvorteilhaft großes Gewicht und einen unvorteilhaft großen Bauraumbedarf und unnötig hohe Kosten gekennzeichnet.If the power of the flywheel assembly chosen smaller in relation to the performance of the engine, its power would be so large that the operation in the consumption-optimal operating range in many phases of operation, especially in city traffic would be possible only by disadvantageously high charging currents in the battery. Unless the battery were made very large and therefore undesirably heavy and expensive, the internal combustion engine (or fuel cell, etc.) could only be operated for short periods due to the limited capacity of the battery and the flywheel assembly. Thus, the proportion of the operating time of the internal combustion engine and an associated emission control system in an insufficient temperature range undesirably high, or the internal combustion engine would have to be operated in terms of consumption and exhaust emissions very disadvantageous partial load range. In addition, the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) in comparison to a dimensioning according to the invention would be characterized by an unfavorably large weight and a disadvantageously large space requirement and unnecessarily high costs.

Würde die Leistung der Schwungradanordnung im Verhältnis zur Leistung des Verbrennungsmotors größer gewählt, könnte der Verbrennungsmotor bei einer Auslegung auf eine sinnvolle Gesamt-Antriebsleistung in vielen Situationen keinen ausreichenden Beitrag zum Antrieb des Fahrzeugs, etwa auf Langstrecken-Autobahnfahrten oder zur Nachladung der Batterie leisten, da seine Leistung bereits bei moderaten Fahrleistungsanforderungen vollständig für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt würde. Um dies zu verhindern, und den Verbrennungsmotor (bzw. eine Brennstoffzelle, usw.) dennoch ausreichend groß zu dimensionieren, um auch bei entladener Batterie ausreichende Fahrleistungen und ein Nachladen der Batterie zu ermöglichen, müsste die Schwungradanordnung so groß dimensioniert werden, dass sich daraus für den Betrieb des Fahrzeugs keine oder nahezu keine Vorteile mehr ergeben. Eine solche Dimensionierung würde demnach einen in Bezug auf Kosten und Bauraumbedarf unnützen Aufwand darstellen.If the performance of the flywheel assembly chosen to be greater in relation to the performance of the engine, the internal combustion engine in many situations could not make a sufficient contribution to the drive of the vehicle, such as on long-distance highway driving or recharging the battery in a design for a meaningful overall drive power since its performance would be required completely for the drive of the vehicle even at moderate driving requirements. To prevent this, and the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) nevertheless dimensioned sufficiently large to allow sufficient performance and recharging the battery even when the battery is discharged, the flywheel assembly would have to be sized so that it the operation of the vehicle no or almost no benefits. Such dimensioning would therefore represent a cost unnecessary in terms of cost and space requirements.

Wenn der Hochleistungsenergiespeicher einen mechanischen Energiespeicher insbesondere in Form einer Schwungradanordnung enthält, kann ein besonders leistungsstarker und langlebiger Hochleistungsenergiespeicher mit sehr gutem Wirkungsgrad und sehr großem nutzbarem SOC-Bereich realisiert werden, der zudem in hohem Maße temperaturunabhängig ist und sich im Betrieb durch geringe Verlustwärme auszeichnet und zudem auf einer ausgereiften, in der Praxis erprobten Technik beruht.If the high-performance energy storage contains a mechanical energy storage, in particular in the form of a flywheel assembly, a particularly powerful and durable high-performance energy storage can be realized with very high efficiency and very large usable SOC range, which is also highly independent of temperature and characterized by low heat loss during operation and It is also based on a well-engineered, field-proven technology.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierfür mindestens ein schnelldrehendes, gewickeltes Schwungrad verwendet wird, das weiter bevorzugt in einem weitgehenden Vakuum oder einer druckreduzierten Atmosphäre und/oder in einem leichten Gas läuft, da gewickelte Schwungräder im Vergleich zu anderen Ausführungen erhebliche Sicherheitsvorteile im Versagensfall besitzen und eine hohe Auslegungsdrehzahl einen sehr erheblichen Einfluss auf die Masse und das Volumen des Schwungrades hat und damit die Integration in beengte Bauraumverhältnisse erleichtert bzw. erst sinnvoll ermöglicht. Unter einem schnelldrehenden Schwungrad sollen hier Schwungräder mit maximal wenigstens 20.000, bevorzugt wenigstens 35.000 Umdrehungen pro Minute verstanden werden. Eine Anordnung des oder der Schwungräder in einem Teilvakuum bzw. einer druckreduzierten Atmosphäre und/oder einem leichten Gas verringert die Reibung und damit die Energieverluste des bzw. der Schwungräder erheblich.It is particularly advantageous if at least one fast-rotating, wound flywheel is used which more preferably runs in an extensive vacuum or a reduced-pressure atmosphere and / or in a light gas, since wound flywheels have considerable safety advantages in the event of a failure compared to other embodiments a high design speed has a very significant influence on the mass and volume of the flywheel and thus facilitates the integration in confined space conditions or makes sense only. Under a high-speed flywheel here flywheels are to be understood with a maximum of at least 20,000, preferably at least 35,000 revolutions per minute. An arrangement of the flywheel or wheels in a partial vacuum or a reduced-pressure atmosphere and / or a light gas reduces the friction and thus the energy losses of the flywheel or the flywheel considerably.

Wenn dieser mechanische Energiespeicher bzw. diese Schwungradanordnung – wobei wie beschrieben auch eine Aufteilung auf mehrere Schwungräder möglich ist – mit einer zweiten Elektromaschine bzw. Elektromaschinen mechanisch gekoppelt ist, kann auf eine mechanische Übertragung von Leistung zu oder aus dem Schwungrad-Modul ganz oder wahlweise teilweise verzichtet und damit der bauliche Aufwand reduziert werden und insbesondere auf einfache Weise Energie zwischen der Batterie und dem Schwungrad bzw. Schwungrad-Modul übertragen werden.If this mechanical energy storage or this flywheel arrangement - whereby a division into several flywheels is possible as described - is mechanically coupled to a second electric machine or electric machines, may be on a mechanical transmission of power to or from the flywheel module entirely or optionally partially dispensed with and thus the structural complexity can be reduced and in particular easily transferred energy between the battery and the flywheel or flywheel module.

Alternativ und genauso bevorzugt kann der Hochleistungsenergiespeicher ein Speicher auf Basis von Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren und besonders bevorzugt Superkondensatoren oder Hybridkondensatoren sein. Diese drei Kondensatorengruppen werden auch gemeinsam als elektrochemische Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Doppelschichtkondensatoren sind Kondensatoren, deren im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren sehr hohe spezifische Kapazität zumindest großteils auf dem physikalischen Phänomen der Helmholtz-Doppelschichten beruht. Die besonders hohen spezifischen Kapazitäten von Superkondensatoren, auch Ultrakondensatoren oder kurz Super- bzw. Ultracaps genannt, nutzen im Vergleich zu herkömmlichen Doppelschichtkondensatoren in höherem Maße die Effekte einer elektrochemischen bzw. faradayschen Pseudokapazität. Hybridkondensatoren, beispielsweise Lithium-Ionen-Kondensatoren, weisen zudem asymmetrische, d. h. unterschiedlich aufgebaute Elektroden auf.Alternatively and just as preferably, the high-performance energy store may be a memory based on capacitors, in particular double-layer capacitors and particularly preferably supercapacitors or hybrid capacitors. These three groups of capacitors are also collectively referred to as electrochemical double layer capacitors. Double-layer capacitors are capacitors whose very high specific capacitance, in comparison to electrolytic capacitors, is based at least largely on the physical phenomenon of the Helmholtz double layers. The particularly high specific capacities of supercapacitors, also called ultracapacitors or super or ultracaps in short, use to a greater extent the effects of an electrochemical compared to conventional double-layer capacitors or Faraday pseudocapacity. Hybrid capacitors, for example lithium-ion capacitors, also have asymmetrical, ie differently constructed electrodes.

Den elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren ist gemein, dass sie im Vergleich zu Batteriezellen auf Lithium-Ionenbasis eine erheblich höhere Lebensdauer, sowohl in Jahren als auch und besonders in Bezug auf die Anzahl der Be- und Entladezyklen und zudem eine überlegene Leistungsdichte aufweisen, wodurch sie sich in Kombination mit großen möglichen Kapazitäten pro Kondensator als Hochleistungsenergiespeicher im Sinne dieser Schrift besonders gut eignen. Die Verwendung von Super- oder Hybridkondensatoren ist aufgrund ihrer im Vergleich zu Doppelschichtkondensatoren höheren Energiedichte bevorzugt, wobei Hybridkondensatoren die höchsten Leistungsdichten aufweisen, was In Bezug auf benötigten Bauraum und Gewicht vorteilhaft ist. Dagegen weisen Superkondensatoren Vorteile in Bezug auf den Wirkungsgrad auf, was in Bezug auf eine möglichst energieeffiziente Antriebsvorrichtung aufgrund der hohen und häufigen Be- und Entladeleistungen des Hochleistungsenergiespeichers von besonderem Vorteil ist.Common to the electrochemical double-layer capacitors is that they have a significantly longer life compared to lithium-ion battery cells, both in years and, especially, in number of charge and discharge cycles, and also have superior power density, thus combining them with large possible capacities per capacitor as a high performance energy storage in the sense of this document are particularly well suited. The use of super or hybrid capacitors is preferred due to their higher energy density compared to double layer capacitors, with hybrid capacitors having the highest power densities, which is advantageous in terms of required space and weight. In contrast, supercapacitors have advantages in terms of efficiency, which is particularly advantageous in terms of an energy-efficient drive device due to the high and frequent loading and unloading the high-performance energy storage.

Im Vergleich zu Schwungrädern weisen Kondensatoren den Vorteil auf, dass keine rotierenden Massen und daher auch keine fahrdynamischen Auswirkungen durch Kreiselkräfte auftreten, die bei Schwungrädern vorgesehene Elektromaschine entfallen, bzw. durch eine Leistungselektronik ersetzt werden kann und ihre Selbstentladung bei den bevorzugten elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren geringer ist. Allerdings sind sie zur Zeit im Vergleich zu Schwungrädern bezogen auf den Energieinhalt noch teurer und erfordern für die hier benötigten Energieinhalte und Leistungen eine Zusammenschaltung einer Vielzahl von Einzelkondensatoren und damit eine aufwändige Steuerungs- und Überwachungselektronik.Compared to flywheels, capacitors have the advantage that no rotating masses and therefore no driving dynamics effects by centrifugal forces occur, which accounts for flywheels provided electric machine, or can be replaced by power electronics and their self-discharge is lower in the preferred electrochemical double-layer capacitors. However, compared to flywheels, they are currently even more expensive compared to flywheels and require an interconnection of a large number of individual capacitors for the energy contents and outputs required here, and thus an elaborate control and monitoring electronics.

Es hat sich weiter gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der chemisch-mechanische Energiewandler mechanisch mit einer ersten Elektromaschine gekoppelt ist, weil dies eine Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie ermöglicht, die erheblich leichter auf verschiedenen Energieabnehmer wie insbesondere die Antriebsräder, die Batterie und das Schwungrad-Modul zu übertragen ist, wodurch der bauliche Aufwand erheblich reduziert werden kann.It has further been shown that it is particularly advantageous if the chemical mechanical energy converter is mechanically coupled to a first electric machine, because this allows a conversion of the mechanical energy into electrical energy, which is considerably easier on different energy consumers, in particular the drive wheels Battery and the flywheel module is to be transferred, whereby the structural complexity can be significantly reduced.

Wenn das Antriebsmittel bzw. das oder die Antriebsräder mechanisch mit mindestens einer dritten Elektromaschine verbunden ist bzw. sind, kann ebenfalls der bauliche Aufwand zur Übertragung mechanischer Leistung reduziert werden, und insbesondere bei Bedarf auch elektrische Leistung aus oder in die Batterie ohne weitere, besonders dafür vorzusehende Umwandlungseinheiten an die und von den Antriebsrädern übertragen werden. Die Kombination aus Antriebsmittel, mechanischer Verbindung und dritter Elektromaschine kann insbesondere auch in Form von Radnabenmotoren realisiert sein, die den in der Felge ohnehin vorhandene Bauraum vorteilhaft nutzen und die Leistungsübertragung insbesondere bei gelenkten Rädern erheblich vereinfachen und damit ebenfalls den baulichen Aufwand verringern.If the drive means or the drive wheels or is mechanically connected to at least one third electric machine or, the structural complexity for the transmission of mechanical power can also be reduced, and especially if required, electric power from or into the battery without further, especially for it to be provided to the conversion units to and from the drive wheels. The combination of drive means, mechanical connection and third electric machine can also be realized in particular in the form of wheel hub motors, which make advantageous use of the available space in the rim anyway and greatly simplify the power transmission, especially in steered wheels and thus also reduce the structural complexity.

Wenn weiter der erste elektrischer Energiespeicher bzw. die Batterie mit der ersten und/oder der zweiten Elektromaschine des Verbrennungsmotor-Moduls bzw. des Schwungrad-Moduls elektrisch verbunden ist, so dass der erste elektrische Energiespeicher bzw. die Batterie von dort elektrische Energie aufnehmen und dorthin abgeben kann, ergibt sich ein besonders flexibles System mit vielfältigen Möglichkeiten der Leitung und Speicherung von Leistung, ebenfalls bei im Vergleich zu mechanischer Leitungsübertragungen stark vermindertem baulichem Aufwand.Furthermore, if the first electrical energy store or the battery is electrically connected to the first and / or the second electric machine of the internal combustion engine module or the flywheel module, then the first electrical energy store or the battery absorb electrical energy from there and there can give off, results in a particularly flexible system with many opportunities for the management and storage of power, also in comparison to mechanical line transmissions greatly reduced structural complexity.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die erste Brennstoffzelle und/oder die zweite Brennstoffzelle als reversible Brennstoffzellen ausgebildet sind, die zusammen mit einem zugehörigen Kraftstofftank ein als elektrischer Energiespeicher fungierendes erstes und/oder zweites Brennstoffzellen-Modul bilden. Dieses bildet ein funktionales Äquivalent zu einer Batterie und ermöglicht somit bei Bedarf den Wegfall der elektrochemischen Batterie, wobei zusätzlich bei Bedarf durch Betankung des Kraftstofftanks sehr schnell ein Energievorrat aufgenommen werden kann. Wenn die zweite Brennstoffzelle reversibel ausgebildet ist und für eine der abgeforderten Batterieleistung entsprechende Leistung ausgelegt ist, kann die Batterie daher entfallen oder kleiner ausgebildet werden. Wenn die erste Brennstoffzelle reversibel ausgebildet ist, kann sie bei entsprechend leistungsstarker Auslegung nicht nur den Verbrennungsmotor und die diesem zugeordnete erste Elektromaschine ersetzen, sondern zusätzlich die Funktion der Batterie ganz oder teilweise mit übernehmen. Allerdings sind Brennstoffzellen zur Zeit noch in Bezug auf die spezifischen Kosten und die Lebensdauer sowie die Notwendigkeit der sorgfältigen Kontrolle der Umgebungsbedingungen Verbrennungsmotoren und auch elektrochemischen Batterien weit unterlegen, weshalb diese Optionen hauptsächlich bei zukünftigen, weiterentwickelten Brennstoffzellen attraktiv erscheinen.Further advantages result if the first fuel cell and / or the second fuel cell are designed as reversible fuel cells which, together with an associated fuel tank, form a first and / or second fuel cell module functioning as an electrical energy store. This forms a functional equivalent to a battery and thus makes it possible, if necessary, to omit the electrochemical battery, and if necessary by refueling of the fuel tank, an energy reserve can be absorbed very quickly. If the second fuel cell is formed reversible and designed for a requested battery power corresponding performance, the battery can therefore be omitted or made smaller. If the first fuel cell is formed reversible, it can not only replace the internal combustion engine and associated with this first electric machine with a correspondingly powerful design, but also take over the function of the battery in whole or in part. However, fuel cells are still far inferior to internal combustion engines and also to electrochemical batteries in terms of specific cost and durability, as well as the need for careful environmental control, which makes these options attractive primarily for future advanced fuel cells.

Zusätzlich ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verbrennungsmotor (bzw. eine Brennstoffzelle, usw.) im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich (bzw. maximaler bzw. optimaler Dauerleistung) dazu ausgelegt sind, in Summe eine Leistung abzugeben, die der Summe des Leistungsbedarfs üblicher im Betrieb aktiver Nebenverbraucher und des Leistungsbedarfs zur Aufrechterhaltung einer konstanten Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in der Ebene bei einer gewünschten Dauerhöchstgeschwindigkeit entspricht, die bevorzugt im Bereich zwischen 90 km/h und 150 km/h besonders bevorzugt zwischen 110 km/h und 140 km/h und am meisten bevorzugt bei ca. 120 km/h bis 130 km/h liegt.In addition, it is particularly advantageous if the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) in the consumption-optimal operating range (or maximum or optimal continuous power) are designed to deliver in total a power that is the sum of the power consumption more usual Operation of active auxiliary consumers and the power requirement for maintaining a constant driving speed of the motor vehicle in the plane at a desired maximum maximum speed corresponds, preferably in the range between 90 km / h and 150 km / h, more preferably between 110 km / h and 140 km / h and am most preferably at about 120 km / h to 130 km / h.

Durch diese Auslegung ist das Kraftfahrzeug in der Lage, unabhängig vom Ladezustand der Batterie weite, nur durch die Kapazität eines Kraftstofftanks begrenzte Strecken mit einer gewünschten, hohen Geschwindigkeit zurückzulegen. Damit werden auch lange Urlaubsfahrten auf Autobahnen ermöglicht, ohne die Fahrt zum Laden der Batterie oder deren Austausch gegen eine geladene Batterie unterbrechen zu müssen und auf eine entsprechende Infrastruktur angewiesen zu sein. Außerdem hat sich gezeigt, dass eine solche Auslegung in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Dimensionierung der Leistung der Schwungradanordnung und des Verbrennungsmotors (bzw. einer Brennstoffzelle, usw.) einerseits eine erwünscht hohe Gesamtantriebsleistung des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann und zudem auch bei Autobahnfahrten unter Praxisbedingungen eine ausreichende Nachladung der Batterie und/oder der Schwungradanordnung durch den Verbrennungsmotor (bzw. Brennstoffzelle, usw.) ermöglicht, um das Schwungrad unter normalen Bedingungen stets in einem ausreichenden Ladezustand zu halten, um die erwünschte, hohe maximale Antriebsleistung sicher zur Verfügung stellen zu können.By this design, the motor vehicle is able, regardless of the state of charge of the battery wide, covered only by the capacity of a fuel tank limited distances with a desired high speed. This allows long holiday trips on highways, without having to interrupt the journey to charge the battery or their replacement for a charged battery and to rely on an appropriate infrastructure. In addition, it has been found that such a design in conjunction with the above-described dimensioning of the performance of the flywheel assembly and the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) on the one hand can provide a desirably high total drive power of the motor vehicle and also sufficient for highway driving under field conditions Recharging of the battery and / or the flywheel assembly by the internal combustion engine (or fuel cell, etc.) allows to keep the flywheel under normal conditions always in a sufficient state of charge in order to provide the desired, high maximum drive power safely available.

Die Wahl der Dauerhöchstgeschwindigkeit kann dabei von der auslegungsgemäßen oder vermuteten Nutzung des Kraftfahrzeugs und zulässigen oder in der Praxis möglichen Höchstgeschwindigkeiten auf Autobahnen abhängig gemacht werden. Handelt es sich beispielsweise um ein für den Stadtverkehr konzipiertes Fahrzeug, das nur für den gelegentlichen Betrieb auf Autobahnen konzipiert ist, kann die Dauerhöchstgeschwindigkeit niedriger angesetzt werden, als bei einem Fahrzeug, das gerade für Langstreckenfahrten auf Autobahnen konzipiert ist. Eine Dimensionierung auf eine Dauerhöchstgeschwindigkeit von weniger als ca. 90 km/h würde jedoch bereits bei längeren Steigungen zu einem Einbruch der verfügbaren Antriebsleistung führen und ist daher für Kraftfahrzeuge mit universeller Nutzbarkeit nicht bevorzugt.The choice of the maximum continuous speed can be made dependent on the design or assumed use of the motor vehicle and permissible or in practice possible maximum speeds on highways. For example, if the vehicle is designed for city traffic and designed for occasional use on motorways, the maximum permissible speed can be set lower than for a vehicle that has just been designed for long-distance driving on motorways. However, dimensioning to a maximum steady-state speed of less than about 90 km / h would already lead to a collapse of the available drive power on longer inclines and is therefore not preferred for motor vehicles with universal usability.

Ein Kraftfahrzeug für Länder mit einer generellen Höchstgeschwindigkeit von z. B. 100 km/h kann sinnvoll auf diese Dauerhöchstgeschwindigkeit, ggf. mit einem Zuschlag von z. B. 10% ausgelegt werden. Selbst ein Kraftfahrzeug, das für Langstreckenfahrten auf deutschen Autobahnen ohne generelle Geschwindigkeitsbegrenzung ausgelegt ist, kann sinnvoll auf eine Dauerhöchstgeschwindigkeit von 130 km/h, für sehr sportlich ausgelegte Fahrzeuge maximal 150 km/h ausgelegt werden, da höhere Geschwindigkeiten für begrenzte Strecken durch aus der Batterie entnommene und bevorzugt in der Schwungradanordnung zwischengespeicherte Leistungen möglich sind und eine noch höhere Durchschnittsgeschwindigkeit über lange Fahrstrecken aufgrund von streckenbezogenen Höchstgeschwindigkeiten und realen Verkehrsverhältnissen nicht realistisch erscheint. Einzig für Hochgeschwindigkeits-Rennbetrieb ausgelegte Fahrzeuge oder Fahrzeuge, die für einen regelmäßigen Anhängerbetrieb ausgelegt sind, kann eine noch höhere auslegungsbestimmende Dauerhöchstgeschwindigkeit im Einzelfall sinnvoll sein.A motor vehicle for countries with a general maximum speed of z. B. 100 km / h can be useful to this maximum maximum speed, possibly with a surcharge of z. B. 10% are designed. Even a motor vehicle, which is designed for long-distance driving on German motorways without general speed limit, can be meaningfully set to a maximum speed of 130 km / h, for very sporty vehicles up to 150 km / h, as higher speeds for limited distances through from the battery taken and preferably stored in the flywheel arrangement achievements are possible and even higher average speed over long distances because of distance-based maximum speeds and real traffic conditions does not seem realistic. Only vehicles designed for high-speed racing or vehicles that are designed for regular trailer operation can make an even higher design-determining permanent maximum speed sensible in individual cases.

Wenn der Hochleistungsenergiespeicher bzw. die Schwungradanordnung eine maximale nutzbare Energiemenge speichern kann, die ausreicht, um die Maschine bzw. das Kraftfahrzeug ohne Rekuperation zumindest zwei mal, bevorzugt mindestens drei mal und besonders bevorzugt zwischen 3,5 und 5 mal aus dem Stillstand auf die Dauerhöchstgeschwindigkeit zu beschleunigen, ergibt sich eine in Bezug auf Bauraum, Kosten und bei Kraftfahrzeugen mit Schwungradanordnung in Bezug auf Einflüsse auf die Fahrdynamik durch Kreiselkräfte besonders vorteilhafte Dimensionierung, da die Schwungradanordnung so groß bemessen ist, dass einerseits stets eine so erhebliche Energiemenge aus der Schwungradanordnung für den Antrieb zur Verfügung gestellt werden kann, dass deren tatsächliche Begrenztheit durch einen Fahrer unter normalen Betriebsbedingungen nicht wahrgenommen werden kann und gleichzeitig der SOC der Schwungradanordnung stets so gewählt werden kann, dass (soweit technisch möglich) die gesamte kinetische Energie des Fahrzeugs in den Hochleistungsenergiespeicher bzw. die Schwungradanordnung rekuperiert werden kann. Die genaue Dimensionierung kann wiederum sinnvoll von den vermuteten realen Einsatzbedingungen des Kraftfahrzeugs abhängig gemacht werden. So bedingt eine Auslegung auf eine höhere Dauerhöchstgeschwindigkeit eine verhältnismäßig große Auslegung der Kapazität der Schwungradanordnung. Kann andererseits angenommen werden, dass das Fahrzeug im Normalfall mit verhältnismäßig geringen Beschleunigungs- und Verzögerungsleistungen gefahren werden wird, kann die Kapazität der Schwungradanordnung geringer gewählt werden als bei einem Fahrzeug, welches für eine sportliche Fahrweise ausgelegt ist.If the high-performance energy storage or the flywheel assembly can store a maximum usable amount of energy sufficient to bring the machine or the motor vehicle without recuperation at least twice, preferably at least three times, and more preferably between 3.5 and 5 times from standstill to the maximum continuous speed To accelerate, resulting in terms of space, cost and motor vehicles with flywheel arrangement with respect to influences on the driving dynamics by centrifugal forces particularly advantageous dimensioning, since the flywheel assembly is dimensioned so large that on the one hand always such a significant amount of energy from the flywheel assembly for the Drive can be provided that their actual limitation can not be perceived by a driver under normal operating conditions and at the same time the SOC of the flywheel assembly can always be chosen so that (as far as technically possible), the entire kineti cal energy of the vehicle in the high-performance energy storage or the flywheel assembly can be recuperated. The exact dimensioning in turn can be meaningfully made dependent on the assumed real operating conditions of the motor vehicle. Thus, a design for a higher continuous maximum speed requires a relatively large design of the capacity of the flywheel assembly. If, on the other hand, it can be assumed that the vehicle will normally be driven with relatively low acceleration and deceleration powers, the capacity of the flywheel arrangement can be selected to be lower than in the case of a vehicle designed for a sporty driving style.

Wenn die Batterie dazu ausgelegt ist, im Normalbetrieb der Maschine mit Leistungen von maximal 2 C, bevorzugt maximal 1,5 C und besonders bevorzugt maximal 1 C belastet zu werden, wobei die Be- und Entladung im Vergleich zum Leistungsbedarf der Maschine sehr gleichmäßig erfolgt, kann die Alterung der Batterie und der notwendige Aufwand für deren Temperierung sehr gering gehalten werden. Zudem ist es möglich, einen im Verhältnis mit stärker belasteten Batterien größeren Bereich der nominellen Batteriekapazität ohne Nachteile in Bezug auf das Alterungsverhalten zu nutzen. Diese vorteilhafte Dimensionierung wird dadurch ermöglicht, dass die Batterie im vorgestellten Antriebskonzept in erster Linie dazu verwendet wird, um die sich im Betrieb ergebenden Energieverluste des Schwungrades auszugleichen, was nicht nur geringe Be- und Entladeströme, sondern auch im Verhältnis zum zeitlichen Fahrleistungsprofil eines Kraftfahrzeugs im Stadt- und Überlandbetrieb sehr lange Be- und Entladezyklen ermöglicht.If the battery is designed to be loaded during normal operation of the machine with powers of not more than 2 C, preferably not more than 1.5 C and particularly preferably not more than 1 C, wherein the loading and unloading is very uniform compared to the power requirement of the machine, Can the aging of the battery and the necessary effort for their Temperature control be kept very low. In addition, it is possible to use a larger range of the nominal battery capacity in relation to more heavily loaded batteries without disadvantages with respect to the aging behavior. This advantageous dimensioning is made possible in that the battery is used in the presented drive concept primarily to compensate for the energy losses of the flywheel resulting in operation, which not only low loading and unloading, but also in relation to the temporal performance profile of a motor vehicle in City and overland operation allows very long loading and unloading cycles.

Wenn die nutzbare Kapazität der Batterie so bemessen ist, dass sie zumindest um den Faktor 4, bevorzugt um den Faktor 8 und besonders bevorzugt zumindest um den Faktor 10 größer als die nutzbare Kapazität der Schwungradanordnung ist, können einerseits erwünscht lange, lokal emissionslose Reichweiten erzielt werden und andererseits die ausreichende Nachladung von Energie aus der Batterie in die Schwungradanordnung auch bei sportlicher Fahrweise oder unter schwierigen Umgebungsbedingungen sichergestellt werden, ohne die spezifische Belastung der Batterie unerwünscht erhöhen oder den Verbrennungsmotor bzw. die erste Brennstoffzelle betreiben zu müssen.If the usable capacity of the battery is such that it is at least a factor of 4, preferably by a factor of 8 and more preferably at least by a factor of 10 greater than the usable capacity of the flywheel assembly, on the one hand desired long, locally emission-free ranges can be achieved and on the other hand, the sufficient recharging of energy from the battery in the flywheel assembly can be ensured even in sporty driving or under difficult environmental conditions without undesirable increase the specific load of the battery or operate the internal combustion engine or the first fuel cell.

Wenn die Maschine über einen externen Ladeport verfügt, über den elektrische Energie zwischen einerseits zumindest einem der internen elektrischen Energiespeicher und einem maschinenexternen Stromnetz andererseits ausgetauscht werden kann ist es möglich, die Maschine bzw. das Kraftfahrzeug als Plug-In-Hybridfahrzeug und auf Wunsch in der Praxis auch entsprechend einem Plug-in-Elektrofahrzeug zu betreiben. Der Verbrennungsmotor bzw. die erste Brennstoffzelle können in diesem Fall hauptsächlich für extreme Leistungsanforderungen und sehr lange Fahrten ohne externe Nachladung der Batterie vorgehalten oder – sofern nicht mit derartigen Betriebsbedingungen gerechnet werden muss – auch zeitweise ausgebaut werden. Weiter kann das Fahrzeug bei Bedarf mit Hilfe einer entsprechend ausgelegten Ansteuerung auch Energie und insbesondere Regelenergie in das Stromnetz einspeisen oder fahrzeugexterne Verbraucher betreiben.If the machine has an external charging port, can be exchanged via the electrical energy between on the one hand at least one of the internal electrical energy storage and a machine external power network on the other hand, it is possible to use the machine or the motor vehicle as a plug-in hybrid vehicle and on request in the Practice also according to a plug-in electric vehicle. In this case, the internal combustion engine or the first fuel cell can be maintained mainly for extreme power requirements and very long journeys without external recharging of the battery or, if such operating conditions do not have to be reckoned with, extended at times. Further, the vehicle can, if necessary, with the help of a suitably designed control also feed energy and in particular control energy in the power grid or operate external consumers.

Wenn eine Laderegelungseinrichtung zum Laden zumindest einer der elektrischen Energiespeicher, bevorzugt der Batterie und der Schwungradeinrichtung, vorgesehen ist, deren Dauerleistung so bemessen ist, dass sie einen maximalen Ladestrom für die Batterie in Höhe von mindestens 1 C, bevorzugt von ca. 1.5 C liefern kann, ergeben sich für Netzladungen vorteilhaft kurze, mögliche Ladezeiten von – ausgehend von einer nutzbaren Kapazität von ca. 50% der nominellen Batteriekapazität – ca. 20 bis 30 Minuten. Diese Auslegung ermöglicht weiter im Betrieb des Kraftfahrzeugs einen Betrieb der Laderegelungseinrichtung zur Be- und Entladung der Batterie in einem Bereich mit gutem Wirkungsgrad.If a charge control device for charging at least one of the electrical energy storage, preferably the battery and the flywheel device, is provided whose continuous power is such that it can deliver a maximum charging current for the battery in the amount of at least 1 C, preferably of about 1.5 C. , resulting in network charges advantageously short, possible charging times of - starting from a usable capacity of about 50% of the nominal battery capacity - about 20 to 30 minutes. This design further allows the operation of the motor vehicle operation of the charge control device for loading and unloading of the battery in a range with good efficiency.

Wenn die elektrischen Leitungen zur Übertragung elektrischer Leistungen von und zu der Batterie (bzw. der zweiten Brennstoffzelle) und von und zu der ersten Elektromaschine (bzw. der ersten Brennstoffzelle) sowie dem Hochleistungsenergiespeicher bzw. dessen Elektromaschine, ggf. mit Ausnahme der Leitung von und zu dem externen Ladeport sowie bevorzugt von und zu zumindest einer und besonders bevorzugt allen der mit den Antriebsmitteln mechanisch gekoppelten Elektromaschinen für berührsichere Spannungen ausgelegt sind, wobei Spannungsumsetzer den jeweiligen Komponenten zugerechnet werden und örtlich zugeordnet sind, kann der bei Elektro- und Hybridfahrzeugen bislang notwendige Aufwand zum Schutz von Personen vor elektrischen Schlägen erheblich verringert werden, da lediglich räumlich eng begrenzte Bereiche eine gefährliche Spannung aufweisen.If the electrical lines for transmitting electrical power to and from the battery (or the second fuel cell) and to the first electric machine (or the first fuel cell) and the high-performance energy storage or its electric machine, with the exception of the line of and to the external charging port and preferably from and to at least one and more preferably all of the mechanically coupled to the drive means electric machines are designed for safe voltages, voltage converters are attributed to the respective components and are assigned locally, the hitherto necessary in electric and hybrid vehicles overhead To protect persons from electric shocks are significantly reduced, since only spatially narrow areas have a dangerous voltage.

Dies verringert, insbesondere wenn diese elektrischen Leitungen mit Gleichspannung beaufschlagt werden, auch den erforderlichen Aufwand für eine elektromagnetischen Abschirmung erheblich. Da die Batterie bei Auslegung auf eine berührsichere Spannung bei abgestelltem Fahrzeug nicht aus Sicherheitsgründen vollständig vom Fahrzeugnetz getrennt zu werden braucht, erlaubt diese Auslegung auch die Aufrechterhaltung einer gewünschten Drehzahl der Schwungradanordnung bei geparktem Fahrzeug. Eine separate Niedervolt-Bordnetzbatterie zum Betrieb von Komponenten, die auch bei abgestelltem Fahrzeug versorgbar sein sollen, kann damit vorteilhaft entfallen. Es versteht sich dabei von selbst, dass nicht alle der genannten elektrischen Leitungen vorhanden sein müssen und weitere elektrische Leitungen bei Bedarf vorgesehen werden können. Das vorstehend vorgestellte Antriebskonzepte ermöglicht jedoch, die Leistungsflüsse zwischen der ersten Elektromaschine und/oder der ersten Brennstoffzelle, der Batterie und/oder der zweiten Brennstoffzelle, sowie dem Hochleistungsenergiespeicher und bevorzugt zumindest teilweise den Antriebs-Elektromaschinen auf Leistungen von weniger als 30 kW zu begrenzen, was bei einer Spannung von 100 Volt bzw. 120 Volt Gleichspannung zwar hohe, aber noch vertretbare Dauerstromstärken von maximal 300 Ampere bedingt. Die dafür benötigten Leitungsquerschnitte und Leitungsverluste sind zwar nicht vernachlässigbar, jedoch durch die genannten Vorteile gerechtfertigt.This reduces, especially when these electrical lines are subjected to DC voltage, the required effort for an electromagnetic shield considerably. Since the battery does not need to be completely disconnected from the vehicle network for safety reasons when it is designed for contact-safe voltage when the vehicle is parked, this design also allows maintaining a desired speed of the flywheel assembly when the vehicle is parked. A separate low-voltage electrical system battery for operating components that should be able to be supplied even when the vehicle is turned off, can thus advantageously be dispensed with. It goes without saying that not all of the electrical lines mentioned must be present and other electrical lines can be provided if necessary. However, the drive concept presented above makes it possible to limit the power flows between the first electric machine and / or the first fuel cell, the battery and / or the second fuel cell, and the high-performance energy storage and preferably at least partially the drive electric machines to powers of less than 30 kW, Although at a voltage of 100 volts or 120 volts DC high, but still reasonable continuous currents of up to 300 amps conditional. The required cable cross-sections and line losses are not negligible, but justified by the advantages mentioned.

Wenn das Kraftfahrzeug zumindest zwei Achsen mit Antriebsmitteln, wie insbesondere Antriebsrädern, aufweist, welche von den dritten Elektromaschinen (hier auch Antriebselektromaschinen genannt) antreibbar und unter Erzeugung von Rekuperationsenergie bremsbar sind, ist es vorteilhaft, diese Antriebselektromaschinen besonders auszulegen. Es ist dabei besonders günstig, wenn die Summe der Leistungen der Antriebselektromaschinen der vorderen Achse und die der hinteren Achse ein Verhältnis zwischen 80:20 und 60:40, bevorzugt ca. 70:30 aufweist. Dabei ergibt sich eine insbesondere für eine Rekuperation bei hohen Bremsverzögerungen vorteilhafte Aufteilung der Antriebsleistungen auf die Achsen des Kraftfahrzeugs und bei einer bevorzugten Anordnung des Hochleistungsenergiespeichers bzw. der Schwungradanordnung und der mit ihr mechanisch gekoppelten zweiten Elektromaschine im Vorderwagen eine vorteilhaft kurze Länge der besonders hoch belasteten elektrischen Leitungen zwischen der zweiten Elektromaschine und den Antriebs-Elektromaschinen der Vorderachse. Insbesondere im Fall einer vorstehend erläuterten Auslegung der elektrischen Leitungen zwischen der zweiten Elektromaschine und der Antriebselektromaschine auf eine berührsichere Spannung von beispielsweise 100 Volt Gleichspannung können das Gewicht der Leitungen und die elektrischen Verluste zudem vorteilhaft begrenzt werden.If the motor vehicle has at least two axles with drive means, such as in particular drive wheels, which can be driven by the third electric machines (here also called drive electric motors) and produced Recuperation energy are braked, it is advantageous to design these drive electrical machines particularly. It is particularly favorable if the sum of the powers of the drive electronics of the front axle and that of the rear axle has a ratio of between 80:20 and 60:40, preferably approximately 70:30. This results in a particularly advantageous for recuperation at high braking delays distribution of drive power to the axles of the motor vehicle and a preferred arrangement of the high-performance energy storage or the flywheel assembly and mechanically coupled with her second electric machine in the front of an advantageously short length of the particularly highly loaded electrical Lines between the second electric machine and the drive electric machines of the front axle. In particular, in the case of an above-described design of the electrical lines between the second electric machine and the drive electric machine to a contact-safe voltage, for example, 100 volts DC, the weight of the lines and the electrical losses can also be advantageously limited.

Dabei sollte die Summe der Leistungen der Antriebselektromaschinen vorteilhaft weiter so bemessen sein, dass diese zumindest über einen Zeitraum von 10 Sekunden, bevorzugt über eine Zeitraum von 20 Sekunden und besonders bevorzugt zeitlich unbegrenzt eine elektrische Leistung aufnehmen und abgeben können, die zumindest der maximalen Leistung des Hochleistungsenergiespeichers bzw. der zweiten Elektromaschine entspricht. Es ist allerdings von weiterem Vorteil, wenn die Summe der Leistungen der Antriebselektromaschinen deutlich höher ist als die maximale Leistung der zweiten Elektromaschine, nämlich wenigstens um den Wert der maximalen elektrischen Leistung, die von dem Verbrennungsmotor – zusammen mit der ersten Elektromaschine – und der gegebenenfalls vorhandenen ersten Brennstoffzelle erzeugt wird. Es ist außerdem ein besonderer Vorteil, wenn die Leistungssumme der Antriebselektromaschinen noch höher ist, nämlich etwa um den Wert derjenigen Leistung, die dem Entladestrom der Batterie bei 1 C entspricht.In this case, the sum of the powers of the drive electric machines should advantageously be further dimensioned such that they can absorb and deliver at least over a period of 10 seconds, preferably over a period of 20 seconds and particularly preferably indefinitely, an electrical power which is at least the maximum power of the High-performance energy storage and the second electric machine corresponds. However, it is of further advantage if the sum of the powers of the drive electric machines is significantly higher than the maximum power of the second electric machine, namely at least the value of the maximum electric power of the internal combustion engine - together with the first electric machine - and possibly existing first fuel cell is generated. It is also a particular advantage if the power sum of the drive electric machines is even higher, namely about the value of that power that corresponds to the discharge current of the battery at 1 C.

Die Summe der Leistungen der Antriebselektromaschinen soll von diesen für zumindest 10 Sekunden, bevorzugt mindestens 20 Sekunden und besonders bevorzugt zeitlich unbegrenzt aufgebracht werden können. Durch diese Auslegung kann selbst bei einer verhältnismäßig schwachen Auslegung der (Dauer-)Leistungen der Antriebselektromaschinen eine Antriebsleistung bereitgestellt werden, die der Antriebsleistung heutiger Kraftfahrzeuge vergleichbar ist. Eine Auslegung der Antriebs-Elektromotoren auf eine Leistung, die in Summe nicht einmal kurzfristig, beispielsweise für Überholmanöver wenigstens der maximalen Leistung der zweiten Elektromaschine der Schwungradanordnung entspricht, würde eine nicht sinnvolle Überdimensionierung der Leistung dieser zweiten Elektromaschine bzw. des Hochleistungsenergiespeichers bedeuten. Für diese kurzzeitige Spitzenleistung wird eine Zeitspanne von 10 Sekunden für die kürzeste vertretbare Zeitspanne gehalten, wobei wenigstens 20 Sekunden für sinnvoll gehalten werden, um eine Überlastung von Komponenten oder einen für den Fahrer unvorhergesehenen Leistungseinbruch zu vermeiden. Besonders bevorzugt wird jedoch, dass zumindest diese Leistung der zweiten Elektromaschine zeitlich unbegrenzt von der Summe der Antriebs-Elektromaschinen aufgenommen und abgegeben werden kann. Da der verbrennungsmotorische Antriebsstrang gemäß dem hier vorgestellten Antriebskonzept insbesondere bei Langstreckenfahrten mit hohen Fahrgeschwindigkeiten zugeschaltet wird, ist es weiter bevorzugt, wenn die von den Antriebs-Elektromaschinen in Summe aufnehmbare Leistung wenigstens um die maximale elektrische Leistung des verbrennungsmotorischen Antriebsstranges größer als diese Leistung ist, da so für Fahrsituationen mit besonders hohem Leistungsbedarf bei geringen Aufwand zusätzliche Leistungsreserven bereitgestellt werden können. Schließlich ist es sinnvoll diese maximale Leistung der Summe der Antriebs-Elektromaschinen nochmals um die elektrische Leistung zu erhöhen, die dem Entladestrom der Batterie bei 1 C entspricht, da diese Leistung aus der Batterie entnommen werden kann, ohne diese übermäßig stark zu belasten.The sum of the powers of the drive electric machines should be able to be applied by them for at least 10 seconds, preferably at least 20 seconds and particularly preferably indefinitely. By this design, even with a relatively weak interpretation of the (continuous) performance of the drive electric motors, a drive power can be provided which is comparable to the drive power of today's motor vehicles. An interpretation of the drive electric motors to a power that in sum not even short term, for example for overtaking maneuvers at least the maximum power of the second electric machine of the flywheel assembly would mean an inappropriate oversizing the performance of this second electric machine or the high-performance energy storage. For this short-term peak performance, a period of 10 seconds is considered to be the shortest acceptable period of time, with at least 20 seconds being thought to be reasonable in order to avoid overloading of components or an unforeseen loss of power to the driver. However, it is particularly preferred that at least this power of the second electric machine can be recorded and delivered indefinitely in time from the sum of the drive electric machines. Since the internal combustion engine drive train according to the drive concept presented here is switched on at high speeds especially in long-distance driving, it is further preferred if the power that can be absorbed by the drive electric machines is greater than this power at least by the maximum electric power of the internal combustion engine drive train so additional power reserves can be provided for driving situations with particularly high power requirements at low cost. Finally, it makes sense to increase this maximum power of the sum of the drive electric machines again by the electrical power corresponding to the discharge current of the battery at 1 C, as this power can be removed from the battery without burdening them excessively.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ermöglicht weiterhin, auf einfache Weise in einem zugehörigen Fahrzeug einen Stromgenerator zu realisieren. Dafür werden der Verbrennungsmotor und die erste Elektromaschine und/oder das erste Brennstoffzellen-Modul baulich zu einem entsprechenden Modul verbaut. Dieses kann derart gestaltet und angeordnet werden, dass es innerhalb kurzer Zeit ohne Fachkenntnisse aus dem Fahrzeug entfernt werden kann. Dabei wird das Fahrzeug entsprechend leichter und es wird ein Raum frei, der auf verschiedene Weise genutzt werden kann, wie beispielsweise als Gepäck- oder Stauraum. Es ist bei Vorhandensein entsprechender mechanischer und elektrischer Mittel auch möglich, eine zusätzliche Batterie oder eine Brennstoffzelle einzubauen und so die lokal emissionsfreie Reichweite des Fahrzeugs z. B. für einen Betrieb in sehr großen Zero-Emissionszonen weiter erhöhen. Schließlich ermöglicht ein solches, entfernbares Modul auch eine Zweitnutzung der darin enthaltenen Bauteile, etwa als stationärer Stromgenerator, der beispielsweise bei Bedarf Regelenergie für ein elektrisches Versorgungsnetz zur Verfügung stellen kann.The drive device according to the invention also makes it possible to realize a power generator in a simple manner in an associated vehicle. For the internal combustion engine and the first electric machine and / or the first fuel cell module are structurally installed to a corresponding module. This can be designed and arranged so that it can be removed within a short time without expertise from the vehicle. The vehicle is correspondingly lighter and it is a space free, which can be used in various ways, such as luggage or storage space. It is also possible in the presence of appropriate mechanical and electrical means to install an additional battery or a fuel cell and so the locally emission-free range of the vehicle z. B. for operation in very large zero-emission zones continue to increase. Finally, such a removable module also allows a secondary use of the components contained therein, such as a stationary power generator, which can provide, for example, when required control energy for an electrical supply network.

Es hat sich außerdem gezeigt, dass für die Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung eine speziell darauf abgestimmte Signalvorrichtung sinnvoll ist, die einen wesentlichen Einfluss auf die Betriebssicherheit aufweist und ein technisches Problem löst, welches sich erstmals aus dem vorgestellten Antriebskonzept ergibt.It has also been found that for the use of the drive device according to the invention a specially matched Signal device makes sense, which has a significant impact on the reliability and solves a technical problem, which results for the first time from the presented drive concept.

Gerade weil ein Nutzer im Normalbetrieb nur sehr selten an die Leistungsgrenzen des Systems stoßen wird, wird er von einer ständigen Verfügbarkeit der maximalen Antriebsleistung ausgehen. Da es jedoch insbesondere bei starken Beschleunigungen auf hohe Geschwindigkeiten vorkommen kann, dass der Energieinhalt des Hochleistungsenergiespeichers bzw. des Schwungradmoduls nicht zur Bereitstellung dieser maximalen Leistung bzw. Arbeit genügt, kann es ohne ein durch den Nutzer leicht und intuitiv wahrnehmbares Signal der kurzzeitig möglichen Leistungs- bzw. Arbeitsabgabe zu gefährlichen Situationen durch einen für den Nutzer unvorhergesehenen Leistungseinbruch kommen.Precisely because a user will seldom encounter the performance limits of the system in normal operation, he will assume constant availability of the maximum drive power. Since, however, high speeds may occur, especially in the case of strong accelerations, the energy content of the high-performance energy store or flywheel module is insufficient to provide this maximum power or work, and it can, without an easily and intuitively perceptible signal by the user, provide the short-term possible performance. or work to dangerous situations by a user unforeseen loss of power come.

Erfindungsgemäß wird zunächst die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt, die mit Hilfe der derzeitig in dem Hochleistungsenergiespeicher bzw. dem Schwungradmodul gespeicherten Energie und deren bereitstellbaren Leistungen erreichbar ist und für eine vorbestimmte Strecke aufrechterhalten werden kann. Hierbei kann bevorzugt bei laufendem oder startbarem Verbrennungsmotor auch dessen Leistung mit berücksichtigt werden. Dabei können auch verschiedene Parameter berücksichtigt werden, wie die Beschaffenheit der Landschaft (Gefälle, Steigung, Straßenbelag, usw.), Beladung des Fahrzeugs (Anzahl der Insassen, deren Gewicht, Gepäck, Dachgepäck, usw.), Wetterverhältnisse (Temperatur, Wind, usw.) und/oder dergleichen.According to the invention, first of all the maximum speed of the vehicle is determined which can be achieved with the aid of the energy currently stored in the high-energy energy store or the flywheel module and their deliverable powers and can be maintained for a predetermined distance. In this case, its performance can also be taken into account, preferably when the internal combustion engine is running or can be started. Different parameters can be taken into account, such as the nature of the landscape (gradient, slope, pavement, etc.), vehicle load (number of occupants, their weight, luggage, roof luggage, etc.), weather conditions (temperature, wind, etc .) and / or the like.

Der erfindungsgemäßen Signalvorrichtung werden Signale zugeführt, die ein Maß sind für die oben genannte Höchstgeschwindigkeit. Abhängig von dieser Geschwindigkeit werden entsprechende optische und/oder akustische Signale ausgegeben.The signal device according to the invention signals are supplied, which are a measure of the above-mentioned maximum speed. Depending on this speed corresponding optical and / or acoustic signals are output.

Es hat sich herausgestellt, dass eine entsprechende optische Anzeige besonders gut geeignet ist. Diese weist dafür geeignete optische Mittel auf, wie beispielsweise ein Kreissegment, einen Zeiger, einen Balken oder dergleichen. Diese können mechanisch realisiert sein, als LCD, als LED oder in sonstiger geeigneter Weise. Um die Anzeige für den Nutzer so intuitiv verständlich und leicht wahrnehmbar wie möglich zu gestalten, ist es besonders günstig, die kurzfristig zur Verfügung stehenden Leistungsreserven in Form einer Darstellung im Tachometer oder räumlich dazu benachbart darzustellen und Auskunft über die derzeit erzielbare und für eine vorbestimmte Strecke aufrechterhaltbare Höchstgeschwindigkeit zu geben.It has been found that a corresponding optical display is particularly well suited. This has suitable optical means, such as a circle segment, a pointer, a beam or the like. These can be realized mechanically, as LCD, as LED or in any other suitable way. In order to make the display as intuitively understandable and easily perceived as possible for the user, it is particularly favorable to present the power reserves available in the short term in the form of a representation in the speedometer or spatially adjacent thereto and information about the currently achievable and for a predetermined distance to give a maintainable top speed.

Bevorzugt wird der erfindungsgemäßen Signalvorrichtung weiter ein Signal über die aktuell gefahren Geschwindigkeit bzw. die Position einer Tachometer-Geschwindigkeitsanzeige übermittelt und zumindest das optische Signal erst ab einer dieser Geschwindigkeit bzw. Tachometerposition entsprechenden Position aktiviert. Hierdurch wird einerseits ein Erkennen der momentanen Fahrgeschwindigkeit durch den Fahrer nochmals erleichtert und andererseits auch das Erkennen der zur Verfügung stehenden Leistungsreserven zum Erreichen der genannten Höchstgeschwindigkeit verbessert.Preferably, the signal device according to the invention is further transmitted a signal on the currently driven speed or the position of a speedometer speed display and activated at least the optical signal from a position corresponding to this speed or speedometer position. As a result, on the one hand recognition of the current driving speed by the driver is further facilitated and on the other hand also improves the recognition of the available power reserves to achieve the said maximum speed.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigen:Further features and advantages of the present invention are described below with reference to preferred embodiments. Showing:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Blockdiagramms, 1 A first embodiment of the drive device according to the invention with reference to a block diagram,

2 ein zweites, konkreteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Blockdiagramms, 2 A second, more concrete embodiment of the drive device according to the invention with reference to a block diagram,

3 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung verschiedener Betriebsphasen und – Modi der Antriebsvorrichtung, insbesondere in Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel, 3 FIG. 2 a block diagram to illustrate various operating phases and modes of the drive device, in particular with regard to the second embodiment, FIG.

4 eine Darstellung einer Anzeigevorrichtung für die Antriebsvorrichtung. 4 an illustration of a display device for the drive device.

1 zeigt ein symbolisches Blockdiagramm für ein erstes Ausführungsbeispiel mit den wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung. Dieses erste Ausführungsbeispiel betrifft einen Antriebsstrang, bevorzugterweise für ein hier nicht dargestelltes Hybridfahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, und dient insbesondere dazu, die Bandbreite möglicher Ausprägungen darzustellen. 1 shows a symbolic block diagram for a first embodiment with the essential components of a drive device according to the invention. This first embodiment relates to a drive train, preferably for a hybrid vehicle, not shown here, in particular road vehicle, and serves in particular to represent the range of possible characteristics.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung von für das Verständnis nicht zentralen Komponenten und Wirkverbindungen verzichtet. So versteht es sich von selbst, dass die verschiedenen Komponenten durch eine oder mehrere nicht dargestellte Steuerungseinheiten gesteuert und/oder geregelt und/oder überwacht werden können. Ebenso sind übliche Einrichtungen zur Übertragung und Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie wie beispielsweise Getriebe, Wellen, Kupplungen, Gleich- und Wechselrichter sowie weitere übliche Komponenten und Nebenaggregate wie beispielsweise Kraftstoffpumpen, Klimaanlagen, Komfortsysteme und ähnliches nicht gezeigt, da der Fachmann diese ohne eigene erfinderische Leistung nach den jeweiligen Erfordernissen ergänzen wird. Es sei auch darauf hingewiesen, dass bei anderen Ausführungsbeispielen nicht alle hier gezeigten Komponenten enthalten sein müssen. Außerdem ist es möglich, dass zumindest einzelne dieser Komponenten bei anderen Ausführungen integriert sind. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind im Folgenden einzelne Komponenten zu Modulen zusammen gefasst. Es versteht sich, dass bei anderen Ausführungen die in den Modulen zusammengefassten Komponenten auch einzeln oder in anderen Kombinationen miteinander realisiert werden können.For reasons of clarity, the presentation of components and active compounds that are not central to understanding has been dispensed with. Thus, it goes without saying that the various components can be controlled and / or regulated and / or monitored by one or more control units, not shown. Likewise, conventional devices for transmission and conversion of mechanical and electrical energy such as gears, shafts, clutches, DC and inverter and other conventional components and ancillaries such as fuel pumps, air conditioners, comfort systems and the like are not shown, since the expert without their own inventive performance according to the respective requirements. It should also be noted that in other embodiments, not all components shown here must be included. Besides, it is possible that at least some of these components are integrated with other designs. To simplify the description, individual components are combined into modules in the following. It is understood that in other embodiments, the components combined in the modules can also be realized individually or in other combinations with each other.

Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel weist ein Verbrennungsmotor-Modul 10 auf, in dem ein Verbrennungsmotor 14, ein zugehöriger erster Tank 20 sowie eine erste Kraftstoffleitung 18 enthalten sind. Ein erstes Brennstoffzellen-Modul 11 enthält eine erste Brennstoffzelle 16, die über eine zweite Kraftstoffleitung 22 mit einem zweiten Tank 24 verbunden ist. In diesen Tanks 20, 24 ist im Normalbetrieb ein chemischer Energieträger enthalten, der üblicherweise flüssig oder gasförmig ist und im Folgenden auch Kraftstoff genannt wird.This in 1 embodiment shown has an internal combustion engine module 10 in which an internal combustion engine 14 , an associated first tank 20 and a first fuel line 18 are included. A first fuel cell module 11 contains a first fuel cell 16 that has a second fuel line 22 with a second tank 24 connected is. In these tanks 20 . 24 In normal operation, a chemical energy carrier is contained, which is usually liquid or gaseous and is also referred to below as fuel.

Ein zweites Brennstoffzellen-Modul 12 enthält eine zweite Brennstoffzelle 28, die über eine dritte Kraftstoffleitung 30 mit einem dritten Tank 32 verbunden ist, in den geeigneter Kraftstoff eingefüllt werden kann. Bei der bevorzugten Ausführung ist die zweite Brennstoffzelle 28 leistungsschwächer als die erste Brennstoffzelle 16.A second fuel cell module 12 contains a second fuel cell 28 that has a third fuel line 30 with a third tank 32 is connected, can be filled in the appropriate fuel. In the preferred embodiment, the second fuel cell is 28 less powerful than the first fuel cell 16 ,

Weiterhin ist eine Batterie 34 vorhanden, die über eine erste elektrische Leitung 36 mit einem externen Ladeport 38 verbunden ist.Furthermore, there is a battery 34 present, via a first electrical line 36 with an external charging port 38 connected is.

Außerdem ist ein Schwungrad-Modul 13 vorgesehen, in dem eine zweite Elektromaschine 40 und eine Schwungradanordnung 42 enthalten sind. Das Schwungrad-Modul 13 kann auch als Elektroschwungrad ausgebildet sein, bei dem die Schwungradanordnung 42 und die zweite Elektromaschine 40 miteinander integriert sind. Die Schwungradanordnung 42 besteht bevorzugterweise aus genau einem Schwungrad oder einer geraden Anzahl von Schwungrädern (hier nicht separat dargestellt), die paarweise gegenläufig sind, wodurch sich Kreiselkräfte weitestgehend gegenseitig aufheben. Das oder die Schwungräder sind bevorzugt als gewickelte, in einer druckreduzierten Umgebung angeordnete Hochgeschwindigkeitsschwungräder mit einer maximalen Umdrehungszahl von wenigstens 20.000, bevorzugt wenigstens 35.000 Umdrehungen pro Minute ausgebildet.There is also a flywheel module 13 provided in which a second electric machine 40 and a flywheel assembly 42 are included. The flywheel module 13 can also be designed as an electric flywheel, wherein the flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 integrated with each other. The flywheel assembly 42 preferably consists of exactly one flywheel or an even number of flywheels (not shown separately here), which are in opposite directions in pairs, whereby centrifugal forces cancel each other as far as possible. The one or more flywheels are preferably formed as a wound, arranged in a reduced-pressure environment high-speed flywheels with a maximum number of revolutions of at least 20,000, preferably at least 35,000 revolutions per minute.

Weiterhin sind in 1 symbolisch eine dritte Elektromaschine 44 – im Folgenden auch als Antriebs-Elektromaschine bezeichnet – und Antriebsräder 46 dargestellt. Die Antriebs-Elektromaschine 44 kann auch eine Mehrzahl von Elektromaschinen umfassen, die beispielsweise auf unterschiedliche Achsen des Fahrzeugs oder auf einzelne Antriebsräder 46 wirken, beispielsweise in Form von auch als Radnabenmotoren bezeichneten Radnabenelektromaschinen. Die Elektromaschinen 26, 40, 44 sind jeweils derart gestaltet, dass sie sowohl als elektrischer Motor als auch als Generator betrieben werden können. Die Anzahl der Antriebsräder 46 hängt von der Art des verwendeten Fahrzeugs ab. Es können also – obwohl in dieser Beschreibung üblicherweise von Antriebsrädern die Rede ist – mehrere Antriebsräder oder auch nur ein einziges davon vorgesehen sein. Bei einem typischen Personenkraftwagen beträgt deren Anzahl 2 oder 4.Furthermore, in 1 symbolically a third electric machine 44 - Also referred to below as the drive electric machine - and drive wheels 46 shown. The drive electric machine 44 may also include a plurality of electric machines, for example, on different axes of the vehicle or on individual drive wheels 46 act, for example in the form of also called wheel hub motors wheel hub electric machines. The electric machines 26 . 40 . 44 are each designed such that they can be operated both as an electric motor and as a generator. The number of drive wheels 46 depends on the type of vehicle used. Thus, although drive wheels are usually referred to in this description, a plurality of drive wheels or even only one of them may be provided. In a typical passenger car whose number is 2 or 4 ,

Der Verbrennungsmotor 14 ist über einen ersten mechanischen Antrieb 48 mit der ersten Elektromaschine 26 und über einen zweiten mechanischen Antrieb 50 mit den Antriebsrädern 46 verbunden, wobei der zweite mechanische Antrieb 50 äquivalent auch mit dem ersten mechanischen Antrieb 48 verbunden oder mit diesem integriert sein oder an der Welle der ersten Elektromaschine 26 angreifen kann. Diese beiden Antriebe 48, 50 erlauben es, dass mechanische Energie vom Verbrennungsmotor 14 an die Komponenten 26 bzw. 46 abgegeben werden kann. Diese Komponenten können andererseits mechanische Leistung an den Verbrennungsmotor 14 übertragen, insbesondere um diesen anzulassen und/oder um den Verbrennungsmotor 14 zu schleppen und damit als Motorbremse zu nutzen, was jedoch aufgrund der damit verbundenen Energieverluste nur in wenigen Ausnahmefällen bevorzugt wird, beispielsweise bei sehr langen Bergabfahrten, wenn keine weitere Ladung der Schwungradanordnung 42 und der Batterie 34 mehr möglich bzw. erwünscht ist.The internal combustion engine 14 is via a first mechanical drive 48 with the first electric machine 26 and a second mechanical drive 50 with the drive wheels 46 connected, the second mechanical drive 50 Equivalent to the first mechanical drive 48 connected or integrated with this or on the shaft of the first electric machine 26 can attack. These two drives 48 . 50 allow it, that mechanical energy from the internal combustion engine 14 to the components 26 respectively. 46 can be delivered. On the other hand, these components can provide mechanical power to the internal combustion engine 14 transferred, in particular to start this and / or the internal combustion engine 14 to drag and thus use as an engine brake, which is preferred due to the associated energy losses only in a few exceptional cases, for example, in very long downhill, if no further charge the flywheel assembly 42 and the battery 34 more is possible or desired.

Die Schwungradanordnung 42 ist über einen dritten mechanischen Antrieb 52 mit der zweiten Elektromaschine 40 und über einen vierten mechanischen Antrieb 54 mit den Antriebsrädern 46 verbunden, wobei der vierte mechanische Antrieb 54 äquivalent auch mit dem dritten mechanischen Antrieb 52 verbunden oder mit diesem integriert sein oder an der Welle der zweiten Elektromaschine 40 angreifen kann. Ein fünfter mechanischer Antrieb 56 besteht zwischen der dritten Elektromaschine 44 und den Antriebsrädern 46. Diese drei Antriebe 52, 54, 56 erlauben es, mechanische Energie bi-direktional zwischen der Schwungradanordnung 42 und der zweiten Elektromaschine 40, zwischen der Schwungradanordnung 42 und den Antriebsrädern 46 bzw. zwischen der dritten Elektromaschine 44 und den Antriebsrädern 46 zu übertragen.The flywheel assembly 42 is via a third mechanical drive 52 with the second electric machine 40 and a fourth mechanical drive 54 with the drive wheels 46 connected, the fourth mechanical drive 54 Equivalent to the third mechanical drive 52 connected or integrated with this or on the shaft of the second electric machine 40 can attack. A fifth mechanical drive 56 exists between the third electric machine 44 and the drive wheels 46 , These three drives 52 . 54 . 56 allow mechanical energy bi-directional between the flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 , between the flywheel assembly 42 and the drive wheels 46 or between the third electric machine 44 and the drive wheels 46 transferred to.

Die erste Brennstoffzelle 16 ist über eine zweite elektrische Leitung 57 mit der dritten Elektromaschine 44, über eine dritte elektrische Leitung 58 mit der ersten Elektromaschine 26 und über eine vierte elektrische Leitung 60 mit der zweiten Elektromaschine 40 verbunden. Elektrische Energie kann über die vierte elektrische Leitung 60 und eine weitere, fünfte elektrische Leitung 64 zwischen der ersten Elektromaschine 40 und der Batterie 34 und auch zwischen der ersten Elektromaschine 26 und der Batterie 34 bzw. umgekehrt übertragen werden, wofür äquivalent auch eine eigene, sechste elektrische Leitung 72 vorgesehen werden kann. Die zweite Elektromaschine 40 ist außerdem über eine siebte elektrische Leitung 62 mit der zweiten Brennstoffzelle 28 und über eine achte elektrische Leitung 66 mit der dritten Elektromaschine 44 verbunden. Über die zwischen der ersten Elektromaschine 26 und der Batterie 34 angeordnete elektrische Leitung 72 kann die Batterie 34 durch die erste Elektromaschine 26 geladen werden und die erste Elektromaschine 26 kann zum Starten des Verbrennungsmotors 14 betrieben werden. Über die elektrischen Leitungen 72 und 64 ist auch eine Übertragung elektrischer Energie zwischen der ersten Elektromaschine 26 und der zweiten Elektromaschine 40 möglich, wofür äquivalent auch eine in 2 dargestellte, separate zwölfte elektrische Leitung 84 vorgesehen werden kann. Die Antriebs-Elektromaschine 44 ist weiter über eine neunte elektrische Leitung 68 mit der ersten Elektromaschine 26 und über eine zehnte elektrische Leitung 70 mit der Batterie 34 verbunden, die außerdem über eine elfte elektrische Leitung 74 mit der zweiten Brennstoffzelle 28 verbunden ist.The first fuel cell 16 is via a second electrical line 57 with the third electric machine 44 , via a third electrical line 58 with the first electric machine 26 and a fourth electrical line 60 with the second electric machine 40 connected. Electrical energy can be via the fourth electrical line 60 and another, fifth electrical line 64 between the first electric machine 40 and the battery 34 and also between the first electric machine 26 and the battery 34 or vice versa, for which equivalent also a separate, sixth electrical line 72 can be provided. The second electric machine 40 is also via a seventh electrical line 62 with the second fuel cell 28 and an eighth electrical line 66 with the third electric machine 44 connected. About the between the first electric machine 26 and the battery 34 arranged electrical line 72 can the battery 34 through the first electric machine 26 be charged and the first electric machine 26 can be used to start the internal combustion engine 14 operate. About the electrical wires 72 and 64 is also a transfer of electrical energy between the first electric machine 26 and the second electric machine 40 possible, for which equivalent also a in 2 shown, separate twelfth electrical line 84 can be provided. The drive electric machine 44 is still on a ninth electrical line 68 with the first electric machine 26 and over a tenth electrical line 70 with the battery 34 connected, which also has an eleventh electrical line 74 with the second fuel cell 28 connected is.

Die hier vorhandenen mechanischen Antriebe 48, 50, 52, 54, 56 können auf verschiedene Weise gestaltet sein. So können sie beispielsweise durchgehend ausgeführt und/oder auch mit elektromagnetischen oder anderen Kupplungen versehen sein. Entscheidend ist hier lediglich, dass sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsgröße mechanisch ist. Daher sind beispielsweise auch hydraulische und pneumatische Übertragungseinrichtungen bei Einsatz entsprechender Wandler und weiterer üblicher Hilfseinrichtungen möglich und sollen mit umfasst sein, da sie im Rahmen dieser Schrift mechanische Wirkverbindungen darstellen.The existing mechanical drives 48 . 50 . 52 . 54 . 56 can be designed in different ways. For example, they can be designed to be continuous and / or provided with electromagnetic or other couplings. The only point here is that both the input and output variables are mechanical. Therefore, for example, hydraulic and pneumatic transmission devices with the use of appropriate converters and other conventional auxiliary equipment are possible and should be included, since they represent mechanical active connections in the context of this document.

Zu der Realisierung des in 1 dargestellten Antriebsstrangs sei noch Folgendes angemerkt.To the realization of in 1 the powertrain illustrated should be noted.

Der Verbrennungsmotor 14 kann die Antriebsräder 46 über den mechanischen Antrieb 50 unter Zwischenschaltung üblicher, nicht dargestellter, Antriebsstrangkomponenten mit Antriebsenergie versorgen und/oder die erste Elektromaschine 26 über den mechanischen Antrieb 48 generatorisch antreiben. Weiter ist es für bestimmte Betriebszustände, insbesondere zum Anlassen des Verbrennungsmotors 14 und/oder für dessen schnelle Beschleunigung auf eine gewünschte Drehzahl auch möglich, mechanische Energie von der ersten Elektromaschine 26 über den ersten mechanischen Antrieb 48 oder, sofern gewünscht, von den Antriebsrädern 46 über den zweiten mechanischen Antrieb 50 an den Verbrennungsmotor 14 zu leiten.The internal combustion engine 14 can drive the wheels 46 over the mechanical drive 50 provide drive energy with the interposition of conventional, not shown, powertrain components and / or the first electric machine 26 over the mechanical drive 48 driving generatively. It is also for certain operating conditions, in particular for starting the internal combustion engine 14 and / or for its rapid acceleration to a desired speed also possible mechanical energy from the first electric machine 26 over the first mechanical drive 48 or, if desired, the drive wheels 46 over the second mechanical drive 50 to the internal combustion engine 14 to lead.

Schließlich kann bei geeigneter Auslegung mechanische Energie von den Antriebsrädern 46 über den zweiten und ersten mechanischen Antrieb 50, 48 an die erste Elektromaschine 26 geleitet werden, wobei der Verbrennungsmotor 14 bevorzugt über eine nicht gezeigte Kupplung oder einen Freilauf abgekuppelt werden oder alternativ zur Realisierung einer Motorbremse mitlaufen kann. Dadurch kann eine zusätzliche Rekuperationsleistung durch die erste Elektromaschine 26 mit oder ohne gleichzeitige Motorbremswirkung des Verbrennungsmotors 14 erzielt werden. Wie erwähnt ist es als äquivalente Ausgestaltung auch möglich, den zweiten mechanischen Antrieb 50 mit der Welle der ersten Elektromaschine 26 zu koppeln, wodurch sich, ggf. unter Zwischenschaltung einer nicht gezeigten schaltbaren Kupplung, mit dem ersten mechanischen Antrieb 48 eine der Funktion der gezeigten mechanischen Koppelung 50 äquivalente Ausgestaltung ergibt. Weiter kann die erste Elektromaschine 26 so ausgebildet werden, dass sie eine Drehzahlübersetzung zwischen dem mechanischen Antrieb 48 und dem wie vorstehend beschriebenen abgewandelten mechanischen Antrieb 50 vornehmen kann, womit die erste Elektromaschine 26 zugleich die Funktion eines Wechselgetriebes und ggf. einer schaltbaren Kupplung übernehmen kann. Diese äquivalenten Ausgestaltungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt.Finally, with appropriate design mechanical energy from the drive wheels 46 over the second and first mechanical drive 50 . 48 to the first electric machine 26 be directed, the internal combustion engine 14 preferably can be decoupled via a clutch, not shown, or a freewheel or alternatively can run to realize an engine brake. As a result, an additional recuperation power by the first electric machine 26 with or without simultaneous engine braking effect of the internal combustion engine 14 be achieved. As mentioned, it is also possible as an equivalent embodiment, the second mechanical drive 50 with the shaft of the first electric machine 26 to couple, thereby, possibly with the interposition of a switchable coupling, not shown, with the first mechanical drive 48 one of the function of the mechanical coupling shown 50 equivalent embodiment results. Next, the first electric machine 26 be designed so that they have a speed ratio between the mechanical drive 48 and the modified mechanical drive as described above 50 can make what the first electric machine 26 at the same time can take over the function of a change gear and possibly a switchable clutch. These equivalent embodiments are for reasons of clarity in FIG 1 not shown.

Weiter ist es möglich, dass der Verbrennungsmotor 14 über eine nicht gezeigte mechanische Koppelung das Schwungrad 42 antreiben und/oder dass das Schwungrad 42 durch diese mechanische Koppelung den Verbrennungsmotor 14 antreiben und insbesondere starten kann.Next it is possible that the internal combustion engine 14 via a mechanical coupling, not shown, the flywheel 42 drive and / or that the flywheel 42 by this mechanical coupling the internal combustion engine 14 drive and in particular can start.

Sofern an Stelle des Verbrennungsmotors 14 – oder zusätzlich zu diesem – eine erste bzw. leistungsstarke Brennstoffzelle 16 vorgesehen wird, kann diese mit Hilfe des im zweiten Tank 24 gespeicherten Kraftstoffs elektrische Energie erzeugen. Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl die erste Brennstoffzelle 16 als auch den Verbrennungsmotor 14 vorzusehen, wobei die Leistungen beider Leistungsquellen 14, 16 beliebig aufgeteilt werden können, jedoch in Summe zumindest die für eine Dauerhöchstgeschwindigkeit benötigte Leistung bereitstellen können sollen.If in place of the internal combustion engine 14 - or in addition to this - a first or high-performance fuel cell 16 is provided, this can be done with the help of the second tank 24 stored fuel generate electrical energy. Of course it is also possible, both the first fuel cell 16 as well as the internal combustion engine 14 providing the services of both sources of supply 14 . 16 can be divided as desired, but in total should be able to provide at least the power required for a maximum steady-state speed.

Die elektrische Leistung der ersten Elektromaschine 26 und/oder der ersten Brennstoffzelle 16 kann wahlweise zum Antrieb der Antriebsräder 46 verwendet werden, indem die elektrische Energie über die elektrischen Leitungen 68 und/oder 57 an die Antriebs-Elektromaschine 44 übertragen wird. Eine mechanische Wirkverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 14 und den Antriebsrädern 46 ist in diesem Fall nicht erforderlich, kann jedoch zusätzlich vorgesehen werden.The electrical power of the first electric machine 26 and / or the first fuel cell 16 Optionally for driving the drive wheels 46 Be used by the electrical energy through the electrical wires 68 and or 57 to the drive electric machine 44 is transmitted. A mechanical operative connection between the internal combustion engine 14 and the drive wheels 46 is not required in this case, but may be provided additionally.

Momentan nicht für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte Energie des verbrennungsmotorischen Antriebsstranges 10 kann bevorzugt verwendet werden, um das Schwungrad 42 bei Bedarf über eine nicht dargestellte mechanische Koppelung und/oder über die mechanische Koppelung 48, die erste Elektromaschine 26 und die elektrischen Leitungen 72, 64 bzw. die elektrischen Leitungen 60, 64 sowie die zweite Elektromaschine 40 und die mechanische Koppelung 52 zu beschleunigen und/oder die Batterie 34 zu laden. Currently not required for the drive of the vehicle energy of the internal combustion engine powertrain 10 can preferably be used to flywheel 42 if necessary via a mechanical coupling, not shown, and / or via the mechanical coupling 48 , the first electric machine 26 and the electrical wires 72 . 64 or the electrical lines 60 . 64 as well as the second electric machine 40 and the mechanical coupling 52 to accelerate and / or the battery 34 to load.

Ist zumindest eine der möglichen beiden Brennstoffzellen 16, 28 als reversible Brennstoffzelle ausgelegt oder ist als äquivalente Ausgestaltung eine zusätzliche Syntheseeinrichtung vorgesehen, kann elektrische Energie von einer oder mehrerer der Elektromaschinen 26, 44, 40 alternativ ganz oder teilweise auch zur Synthese von Kraftstoff eingesetzt und der Brennstoff in einem zugeordneten Tank 24, 32 gespeichert werden. Grundsätzlich ist anzumerken, dass die drei Tanks 20, 24, 32 nach praktischen Gesichtspunkten auch teilweise oder insgesamt vereinigt werden können, soweit die Art des Brennstoffs dies erlaubt.Is at least one of the possible two fuel cells 16 . 28 designed as a reversible fuel cell or is provided as an equivalent embodiment of an additional synthesis device, can electrical energy from one or more of the electric machines 26 . 44 . 40 alternatively used in whole or in part for the synthesis of fuel and the fuel in an associated tank 24 . 32 get saved. Basically, it should be noted that the three tanks 20 . 24 . 32 from a practical point of view may also be partially or totally combined, as far as the type of fuel permits.

Die Batterie 34 des schwungradbasierten Antriebsstrangs 12 kann bevorzugt über den externen Ladeport 38 aufladbar sein. Dieser kann bevorzugt auch dafür ausgelegt sein, die Schwungradanordnung 42 über die zweite Elektromaschine 40 zu laden oder eine regenerative Brennstoffzelle 28, 16 bzw. eine Synthesevorrichtung mit Energie zur Synthese von Kraftstoff zu versorgen und/oder bei Bedarf dafür ausgelegt sein, wahlweise auch Energie an einen externen Verbraucher oder ein externes Stromnetz abzugeben. Die zweite Brennstoffzelle 28 kann zusätzlich zu der Batterie 34 vorgesehen sein (wie in 1 dargestellt) oder auch alternativ dazu.The battery 34 the flywheel-based powertrain 12 can preferably via the external charging port 38 be rechargeable. This may preferably also be designed for the flywheel assembly 42 over the second electric machine 40 to charge or a regenerative fuel cell 28 . 16 or to supply a synthesis device with energy for the synthesis of fuel and / or be designed as needed, optionally also to deliver energy to an external consumer or an external power grid. The second fuel cell 28 can in addition to the battery 34 be provided (as in 1 shown) or alternatively.

Die zweite Brennstoffzelle 28 ist bevorzugterweise leistungsschwächer als die erste Brennstoffzelle 16, weil sie für den Fall, dass sie an Stelle der Batterie 34 vorgesehen wird, im Wesentlichen die Leistung der Batterie 34 an die zweite Elektromaschine 40 zum Antrieb der Schwungradanordnung 42 ersetzt. Diese Leistung kann, wie nachfolgend genauer ausgeführt wird, deutlich kleiner sein als die Leistung des Verbrennungsmotors 14 im optimalen Arbeitsbereich bzw. der den Verbrennungsmotor 14 ersetzenden ersten Brennstoffzelle 16.The second fuel cell 28 is preferably less powerful than the first fuel cell 16 because in the event that they are in place of the battery 34 is provided, essentially the performance of the battery 34 to the second electric machine 40 for driving the flywheel assembly 42 replaced. This performance can, as will be explained in more detail below, be significantly smaller than the power of the internal combustion engine 14 in the optimal working area or the internal combustion engine 14 replacing the first fuel cell 16 ,

Die Summe der auslegungsrelevanten maximalen Leistungen der Batterie 34 und der zweiten Brennstoffzelle 28 ist im Wesentlichen konstant und bemisst sich nach der voraussichtlichen maximalen, über die zweite Elektromaschine 40 in die Schwungradanordnung 42 auslegungsgemäß im zeitlichen Mittel einzuspeisenden Netto-Nachladeleistung der Schwungradanordnung 42, ggf. zuzüglich des zu erwartenden Leistungsbedarfs weiterer elektrischer Verbraucher, wie beispielsweise elektrischen Heizungen, Beleuchtungen, Klimaanlagen, Komfortsystemen und Steuerungen (nicht dargestellt). Die zweite Elektromaschine 40 kann jedoch bei Bedarf und bevorzugt auch deutlich leistungsstärker ausgelegt werden, um die mechanische Leistungsübertragung über den mechanischen Antrieb 54 zwischen der Schwungradanordnung 42 und den Antriebsrädern 46 teilweise oder bevorzugt vollständig durch eine mechanische Kopplung 52 zwischen der Schwungradanordnung 42 und der zweiten Elektromaschine 40 sowie eine elektrische Kopplung 66 zwischen dieser und der mit den Antriebsrädern 46 gekoppelten Antriebs-Elektromaschine 44 zu ersetzen.The sum of the design relevant maximum power of the battery 34 and the second fuel cell 28 is essentially constant and measured by the expected maximum, on the second electric machine 40 in the flywheel assembly 42 according to the design, the net recharging capacity of the flywheel arrangement to be fed in on average over time 42 , possibly plus the expected power consumption of other electrical consumers, such as electric heaters, lighting, air conditioning, comfort systems and controls (not shown). The second electric machine 40 However, if necessary and preferably also be designed much more powerful, the mechanical power transmission via the mechanical drive 54 between the flywheel assembly 42 and the drive wheels 46 partially or preferably completely by a mechanical coupling 52 between the flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 and an electrical coupling 66 between this and the one with the drive wheels 46 coupled drive electric machine 44 to replace.

Obwohl die Schwungradanordnung 42 und die zweite Elektromaschine 40 hier funktional als zwei Komponenten dargestellt sind, können beide Komponenten 42, 40 bevorzugt in einer Baueinheit integriert werden. Dies bietet neben Vorteilen in Bezug auf Bauraum und Gewicht bei einem bevorzugten, in einem weitgehenden Vakuum laufenden, Schwungrad auch Vorteile in Bezug auf einen Entfall einer Wellenabdichtung und eine Verringerung der Verluste der zweiten Elektromaschine 40, die in diesem Fall ebenfalls im weitgehenden Vakuum angeordnet sein kann.Although the flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 Here functionally represented as two components, both components can 42 . 40 preferably be integrated in a structural unit. This offers advantages in terms of space and weight in a preferred, running in a substantial vacuum flywheel also benefits in terms of a waiver of a shaft seal and a reduction in the losses of the second electric machine 40 , which in this case can also be arranged in a substantial vacuum.

Hauptfunktion der Batterie 34 und/oder der zweiten Brennstoffzelle 28 ist die Abgabe von elektrischer Energie an die zweite Elektromaschine 40, um das Schwungrad – oder auch mehrere – der Schwungradanordnung 42 in ein gewünschtes Drehzahlband zu bringen bzw. dort zu halten. Die Schwungradanordnung 42 dient als wesentliche Energiequelle bzw. Energiespeicher für den dynamischen Antrieb des Fahrzeugs. Sofern gewünscht oder erforderlich kann die durch die zweite Elektromaschine 40 erzeugte elektrische Energie jedoch auch für andere Zwecke verwendet werden, insbesondere zur Ladung der Batterie 34 und/oder zur Erzeugung von Brennstoff in einer reversiblen Brennstoffzelle 28, 16, zum Anlassen des Verbrennungsmotors 14 über die erste Elektromaschine 26 oder einen nicht gezeigten elektrischen Startermotor oder eine nicht gezeigte Starter-Generator-Elektromaschine, oder auch zum Betrieb weiterer Verbraucher oder zur Abgabe elektrischer Energie an ein fahrzeugexternes Stromnetz über den externen Ladeport 38.Main function of the battery 34 and / or the second fuel cell 28 is the delivery of electrical energy to the second electric machine 40 to the flywheel - or more - the flywheel assembly 42 to bring in a desired speed range or to hold there. The flywheel assembly 42 serves as an essential energy source or energy storage for the dynamic drive of the vehicle. If desired or required, that can be done by the second electric machine 40 However, electrical energy generated can also be used for other purposes, in particular for charging the battery 34 and / or for producing fuel in a reversible fuel cell 28 . 16 , for starting the internal combustion engine 14 over the first electric machine 26 or an electric starter motor, not shown, or a starter-generator electric machine, not shown, or for the operation of other consumers or to deliver electrical energy to an external power grid via the external charging port 38 ,

Weiter kann der Verbrennungsmotor 14 über die erste Elektromaschine 26 und/oder kann die erste Brennstoffzelle 16 elektrische Energie zur Ladung der Batterie 34 und/oder über die zweite Elektromaschine 40 zur Ladung der Schwungradanordnung 42 und/oder für den reversiblen Betrieb zumindest der zweiten Brennstoffzelle 28 und/oder ggf. der ersten Brennstoffzelle 16 erzeugen. Schließlich kann auch ein Moment von den Antriebsrädern 46 abgenommen und über die Antriebs-Elektromaschine 44 und/oder über die erste Elektromaschine 26 in elektrische Energie umgewandelt werden und, alternativ oder zusätzlich zu einem mechanischen Antrieb 54 der Schwungradanordnung 42 durch die Antriebsräder 46, ebenfalls zum Antrieb der Schwungradanordnung 42 über die zweite Elektromaschine 40, zum Laden der Batterie 34 und/oder zum reversiblen Betrieb zumindest einer der Brennstoffzellen 28, 16 verwendet werden.Next, the internal combustion engine 14 over the first electric machine 26 and / or may be the first fuel cell 16 electrical energy to charge the battery 34 and / or the second electric machine 40 for charging the flywheel assembly 42 and / or for the reversible operation of at least the second fuel cell 28 and / or possibly the first fuel cell 16 produce. Finally, a moment may also be from the drive wheels 46 removed and via the drive electric machine 44 and / or the first electric machine 26 be converted into electrical energy and, alternatively or in addition to a mechanical drive 54 the flywheel assembly 42 through the drive wheels 46 , also to drive the flywheel assembly 42 over the second electric machine 40 , for charging the battery 34 and / or for the reversible operation of at least one of the fuel cells 28 . 16 be used.

Die verschiedenen Elektromaschinen 26, 40, 44 können auch kombiniert oder auf mehrere Elektromaschinen aufgeteilt werden und müssen nicht zwingend physikalisch eigenständige Maschinen bilden, sofern alternative Ausgestaltungen die aufgeführten Funktionen erfüllen können.The different electric machines 26 . 40 . 44 can also be combined or split between several electric machines and do not necessarily have to be physically independent machines, as far as alternative configurations can fulfill the listed functions.

Die anhand der 1 dargestellten, vielfältigen möglichen Auslegungen und Verknüpfungen der Komponenten des Antriebsstranges machen deutlich, dass es sich bei dem vorgestellten Antriebskonzept weniger um eine bestimmte konstruktive bzw. physikalische Verknüpfung von Komponenten handelt, sondern um ein Konzept, das Entwicklern eine Vielzahl unterschiedlicher konkreter Ausgestaltungen und damit eine umfangreiche Optimierung in Bezug auf gewünschte Antriebskonzepte und Randbedingungen erlaubt.The basis of the 1 illustrated, diverse possible interpretations and links of the components of the drive train make it clear that it is the proposed drive concept is less about a specific constructive or physical connection of components, but a concept, the developers a variety of different specific designs and thus a comprehensive Optimization in relation to desired drive concepts and boundary conditions allowed.

Zu diesen Randbedingungen zählen insbesondere die jeweiligen Kosten der im konkreten Einzelfall verwendeten Komponenten, deren Bedarf an Bauraum, deren Gewicht und nicht zuletzt auch frei wählbare Einflussgrößen wie beispielsweise die Entscheidung für oder gegen eine Verwendung von Brennstoffzellen. Entsprechend ergeben sich die Vorteile der Erfindung nicht aus der Auswahl der Art der Komponenten oder deren konkreter Verknüpfung, sondern erst aus der relativen Auslegung der Komponenten in Bezug auf die Leistungen und die nutzbaren speicherbaren Energieinhalte.These boundary conditions include, in particular, the respective costs of the components used in the specific individual case, their requirement for installation space, their weight and, last but not least, freely selectable parameters such as, for example, the decision for or against the use of fuel cells. Accordingly, the advantages of the invention do not result from the selection of the type of components or their concrete link, but only from the relative design of the components in terms of the services and the usable storable energy contents.

1 und die vorstehende Beschreibung dienen damit im Wesentlichen der Verdeutlichung der jeweiligen Äquivalenzbereiche, sodass in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen jeweils auf eine konkrete Ausgestaltung abgestellt werden kann, ohne diese Äquivalenzbereiche stets mit erwähnen zu müssen, wodurch das Verständnis wesentlich erleichtert wird. 1 and the above description thus serve essentially to clarify the respective equivalence ranges, so that in the following exemplary embodiments in each case can be turned to a specific embodiment, without always having to mention these equivalence areas, whereby the understanding is much easier.

2 zeigt ein Blockdiagramm für ein zweites Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um eine gegenüber dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel vereinfachte bzw. konkretere Ausgestaltung des Antriebskonzeptes. Gleiche oder funktional ähnliche Komponenten sind mit den in 1 verwendeten Bezugszeichen gekennzeichnet und auf diese wird nur insoweit eingegangen, wie es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig ist. 2 shows a block diagram for a second embodiment. This is a simplified or more concrete embodiment of the drive concept compared to the embodiment described above. Same or functionally similar components are with the in 1 used reference numerals and these will be discussed only insofar as it is necessary for the understanding of the present invention.

In dem Ausführungsbeispiel von 2 wurden die Brennstoffzellen 16, 28 und die zugehörigen Tanks 24, 32 weggelassen. Außerdem ist eine zusätzliche elektrische Leitung 84 zwischen den beiden Elektromaschinen 26 und 40 dargestellt.In the embodiment of 2 were the fuel cells 16 . 28 and the associated tanks 24 . 32 omitted. There is also an additional electrical line 84 between the two electric machines 26 and 40 shown.

Die Schwungradanordnung 42 und die mit dieser über den dritten mechanischen Antrieb 52 gekoppelte zweite Elektromaschine 40 sind bevorzugt als Schwungrad mit integrierter Elektromaschine ausgebildet, und werden – anders als in 1 – im Folgenden als Elektroschwungrad 43 bezeichnet. Durch die Integration von Schwungradanordnung 42 und zweiter Elektromaschine 40 kann der Bauraum effizienter genutzt werden und Probleme in Bezug auf eine Wellendurchführung zu dem in einem weitgehendem Vakuum laufenden Schwungrad vermieden sowie die Verluste der Elektromaschine 40 durch Verwirbelungen stark verringert werden.The flywheel assembly 42 and with this over the third mechanical drive 52 coupled second electric machine 40 are preferably designed as a flywheel with integrated electric machine, and are - unlike in 1 - in the following as electric flywheel 43 designated. Through the integration of flywheel assembly 42 and second electric machine 40 The space can be used more efficiently and avoided problems with respect to a shaft passage to the running in a substantial vacuum flywheel and the losses of the electric machine 40 be greatly reduced by turbulences.

Der Verbrennungsmotor 14 ist mit der ersten Elektromaschine 26 durch die bidirektionale mechanische Koppelung 48 baulich zu einem Stromaggregat 15 zusammengefasst, das optional zur Vermeidung von Umwandlungsverlusten über eine bevorzugt bidirektionale mechanische Kopplung 82 mit dem Antriebsrad 46 verbunden sein kann, wobei eine nicht gezeigte, schaltbare Kupplung und ein nicht gezeigtes Getriebe mit stufenloser oder gestuft-wechselbarer Übersetzung vorgehen sein können. Bevorzugt können die Funktionen der Kupplung und des Getriebes durch eine geeignete Ausgestaltung der ersten Elektromaschine 26 übernommen werden. Wie bereits angemerkt, kann die mechanische Koppelung 82 auch zwischen Antriebsrad 46 und Verbrennungsmotor 14 erfolgen, wenn eine zusätzliche Kupplung oder ein Freilauf und ein zusätzliches Getriebe vorgesehen werden, entsprechend der mechanischen Koppelung 50 der 1. Auch ist es möglich, den Rotor der ersten Elektromaschine 26 auf einer durchgängigen mechanischen Kopplung, bestehend aus den mechanischen Koppelungen 48 und 82, anzuordnen.The internal combustion engine 14 is with the first electric machine 26 through the bidirectional mechanical coupling 48 structurally to a generator 15 summarized, the optional to avoid conversion losses via a preferably bidirectional mechanical coupling 82 with the drive wheel 46 may be connected, wherein a switchable clutch, not shown, and a not shown gear can proceed with stepless or stepped-interchangeable translation. Preferably, the functions of the clutch and the transmission by a suitable embodiment of the first electric machine 26 be taken over. As already noted, the mechanical coupling can 82 also between drive wheel 46 and internal combustion engine 14 take place when an additional clutch or a freewheel and an additional gear are provided, according to the mechanical coupling 50 of the 1 , It is also possible to use the rotor of the first electric machine 26 on a continuous mechanical coupling, consisting of the mechanical couplings 48 and 82 to arrange.

Die Antriebs-Elektromaschine 44 ist hier bevorzugt als in die Antriebsräder 46 integrierte Elektromaschine ausgebildet und die Kombination aus Antriebsrad 46 und Antriebs-Elektromaschine 44 sowie deren mechanischer Koppelung 56 kann als ein Radnabenmotor 45 ausgestaltet sein. Es sei darauf hingewiesen, dass es ebenfalls möglich ist, ein Antriebsrad 46 vorzusehen, das ausschließlich durch die mechanische Koppelung 82 bzw. 50 und/oder ausschließlich durch die Antriebselektromaschine 44 angetrieben wird. Wie bereits erwähnt, sind bei einem Fahrzeug normalerweise mehrere der Antriebsräder 46 vorgesehen. Das gilt in gleicher Weise auch für die Anzahl der Radnabenmotoren 45 und der darin enthaltenen Elektro-Maschinen 44, auch wenn im Folgenden die Elemente 44, 45 und 46 üblicherweise nur im Singular genannt sind.The drive electric machine 44 is preferred here as in the drive wheels 46 integrated electric machine formed and the combination of drive wheel 46 and drive electric machine 44 as well as their mechanical coupling 56 can as a hub motor 45 be designed. It should be noted that it is also possible to have a drive wheel 46 to provide that solely by the mechanical coupling 82 respectively. 50 and / or exclusively by the drive electric machine 44 is driven. As already mentioned, in a vehicle are usually more of the drive wheels 46 intended. This applies equally to the Number of wheel hub motors 45 and the electric machines contained therein 44 even though below the elements 44 . 45 and 46 Usually called only in the singular.

Zur Erleichterung des Verständnisses sei gedanklich von einem bereits im Jahr 2000 in Serie gebauten Audi A2 1.2 TDI ausgegangen, der bei einem Cw-Beiwert von 0,25 und einem Leergewicht von 855 kg durch einen abgasturbogeladenen Dieselmotor mit 1191 cm3 Hubraum mit einer maximalen Leistung vom 45 kW angetrieben wird. Das Fahrzeug bietet Platz für 4 Personen und ein Gepäckraumvolumen von maximal 350 Litern. Im Betrieb weist es einen Normverbrauch von 3 Litern pro 100 km und eine CO2-Emission von 81–86 g/km auf. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 168 km/h, wobei ein Eco-Modus vorgesehen ist, bei dem die Motorleistung auf maximal ca. 31,5 kW gedrosselt ist und die Höchstgeschwindigkeit auf 160 km/h begrenzt wird, die mit dieser Leistung sicher erreicht wird.For ease of understanding was mentally assume a built in 2000 in series Audi A2 1.2 TDI, which in a Cd coefficient of 0.25 and a curb weight of 855 kg by an exhaust turbo-charged diesel engine with 1,191 cm3 displacement with a maximum power powered by 45 kW. The vehicle can accommodate 4 people and a luggage capacity of up to 350 liters. In operation, it has a standard consumption of 3 liters per 100 km and a CO 2 emission of 81-86 g / km. The top speed is 168 km / h, with an Eco mode is provided, in which the engine power is throttled to a maximum of about 31.5 kW and the maximum speed is limited to 160 km / h, which is safely achieved with this power.

Das erfindungsgemäße Antriebskonzept sieht vor, dass das Stromaggregat 15 in einem optimalen Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors 14 eine Leistung abgeben kann, die zuzüglich zu der mittleren Leistungsaufnahme von üblicher Weise im Fahrzeug betriebenen Verbrauchern der Summe der Fahrwiderstände bei einer gewünschten, durch die konstruktive Auslegung bestimmten, Dauerhöchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht. Konkret soll die Leistung des Verbrennungsmotors 14 hier so bemessen sein, dass das Fahrzeug ausschließlich durch Energie des Stromaggregats 15 unter normalen Betriebs- und Umgebungsbedingungen in der Ebene eine Dauerhöchstgeschwindigkeit von beispielsweise 130 km/h aufrecht erhalten und dabei gleichzeitig übliche Nebenaggregate betreiben kann.The drive concept according to the invention provides that the generator set 15 in an optimal working range of the internal combustion engine 14 can deliver a power which, in addition to the average power consumption of conventionally operated in the vehicle consumers corresponds to the sum of the driving resistances at a desired, determined by the design design, maximum continuous speed of the vehicle. Specifically, the performance of the internal combustion engine 14 be sized here so that the vehicle is powered solely by the power of the generator 15 Under normal operating and environmental conditions in the plane maintain a maximum speed of, for example, 130 km / h and at the same time can operate conventional ancillaries.

Überschlägig wird hier von einem Verbrennungsmotor 14 mit 25 kW im optimalen Betriebsbereich ausgegangen. Die elektrische Leistung des Stromaggregats 15 kann je nach Bedarf über die elektrische Leitung 68 an den Radnabenmotor 45 und/oder über die elektrischen Leitungen 72, 84 an die Batterie 34 und/oder an die Elektromaschine 40 des Elektroschwungrades 43 abgegeben werden. Die elektrischen Leitungen sind jeweils bi-direktional ausgelegt.It turns out that here is an internal combustion engine 14 with 25 kW in the optimum operating range. The electric power of the generator 15 can be as needed via the electrical line 68 to the wheel hub motor 45 and / or over the electrical wires 72 . 84 to the battery 34 and / or to the electric machine 40 the electric flywheel 43 be delivered. The electrical lines are each designed bi-directional.

Die erste Elektromaschine 26 kann bevorzugt auch als Startermotor für den Verbrennungsmotor 14 dienen, der Verbrennungsmotor 14 kann bei fahrendem Fahrzeug jedoch auch durch Vorsehen der optionalen mechanischen Kopplung 82 durch Schließen der nicht dargestellten schaltbaren Kupplung durch Abnahme eines Momentes von dem Antriebsrad 46 gestartet werden.The first electric machine 26 may also be preferred as a starter motor for the internal combustion engine 14 serve, the internal combustion engine 14 However, when the vehicle is moving, it can also be provided by providing the optional mechanical coupling 82 by closing the switchable coupling, not shown, by removing a moment from the drive wheel 46 to be started.

Sofern die optionale mechanischen Koppelung 82 zwischen dem Stromaggregat 15 und dem Antriebsrad 46 vorgesehen ist, kann die erste Elektromaschine 26 auf eine geringere Leistung von beispielsweise 15 kW oder weniger ausgelegt werden bzw. durch einen üblichen Startermotor oder Starter-Generator ersetzt werden, um Bauraum, Gewicht und Bauteilkosten zu verringern. In diesem Fall wird bevorzugt, den Verbrennungsmotor 14 nur oder zumindest überwiegend bei fahrendem Fahrzeug zu betreiben, wenn dabei zumindest überwiegend eine Leistung an das Antriebsrad 46 abgegeben werden kann, die der Differenz zwischen der Leistung des Verbrennungsmotors 14 und der Leistung der ersten Elektromaschine 26 bzw. dem Starter-Generator entspricht. Aufgrund der geringen Mehrkosten einer Auslegung der ersten Elektromaschine 26 auf die Leistung des Verbrennungsmotors 14 wird dies zwar nicht bevorzugt, soll jedoch erfindungsgemäß mit umfasst sein.Unless the optional mechanical coupling 82 between the generator 15 and the drive wheel 46 is provided, the first electric machine 26 be designed for a lower power of for example 15 kW or less or be replaced by a conventional starter motor or starter generator to reduce installation space, weight and component costs. In this case, the internal combustion engine is preferred 14 to operate only or at least predominantly when the vehicle is moving, if at least predominantly a power to the drive wheel 46 can be given, which is the difference between the power of the internal combustion engine 14 and the power of the first electric machine 26 or the starter generator corresponds. Due to the low extra cost of a design of the first electric machine 26 on the performance of the internal combustion engine 14 Although this is not preferred, it should be included according to the invention.

Der Begriff „optimaler Arbeitsbereich” schließt ein, dass die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors 14 um z. B. 20% variierbar ist. Der konkrete Leistungsbereich wird dabei durch die in Kauf genommene prozentuale Verschlechterung des Wirkungsgrades bestimmt, die wie vorstehend beschrieben bis zu 10% betragen kann, bevorzugt jedoch 5% nicht bzw. nur in Ausnahmefällen überschreiten sollte.The term "optimal work area" includes that the power output of the internal combustion engine 14 to z. B. 20% is variable. The concrete performance range is determined by the accepted percentage degradation of the efficiency, which may be as described above up to 10%, but preferably should not exceed 5% or only in exceptional cases.

Nicht für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte Leistung des Verbrennungsmotors 14, die nicht von der Elektromaschine 26 bzw. dem Starter-Generator aufgenommen werden kann, kann bei sich drehendem Antriebsrad 46 über den mechanischen Antrieb 82 an das Antriebsrad 46 geleitet werden und von diesem durch die Antriebs-Elektromaschine 44 des Radnabenmotors 45 wieder abgenommen und zum Laden des Elektroschwungrades 43 und/oder der Batterie 34 verwendet werden. Bei Stillstand oder sehr geringer Drehgeschwindigkeit des Antriebsrads 46 ist abzuwägen, ob der Verbrennungsmotor 14 vorübergehend gestoppt werden oder vorübergehend in der Leistung gedrosselt und damit ausnahmsweise kurzzeitig außerhalb des optimalen Arbeitsbereiches betrieben werden soll. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Betriebsphase bevorzugt zur Einstellung besonderer Betriebszustände genutzt werden, um beispielsweise eine Erwärmung des Verbrennungsmotors 26 auf eine gewünschte Betriebstemperatur zu beschleunigen, Nutzwärme zur Temperierung eines Fahrgastraumes und/oder der Batterie 34 zu erzeugen oder eine Regeneration von Katalysatoren oder Partikelfiltern durchzuführen.Not required for driving the vehicle power of the engine 14 that is not from the electric machine 26 or the starter-generator can be recorded, with rotating drive wheel 46 over the mechanical drive 82 to the drive wheel 46 and from this by the drive electric machine 44 the wheel hub motor 45 taken off again and to load the electric flywheel 43 and / or the battery 34 be used. At standstill or very low rotational speed of the drive wheel 46 is to weigh whether the internal combustion engine 14 be temporarily stopped or temporarily throttled in the performance and thus exceptionally briefly operated outside the optimal work area. Alternatively or additionally, such an operating phase can preferably be used for setting special operating states, for example by heating the internal combustion engine 26 to accelerate to a desired operating temperature, useful heat for temperature control of a passenger compartment and / or the battery 34 to produce or perform a regeneration of catalysts or particulate filters.

Weiter ist vorgesehen, dass die Kapazität der Schwungradanordnung 42 0,75 kWh und die von der Schwungradanordnung 42 bzw. dem Elektroschwungrad 43 abgebbare und aufnehmbare Leistung ca. 100 kW beträgt. Würde der in 1 gezeigte, vierte mechanische Antrieb 54 ergänzt, könnte die Auslegung der zweiten Elektromaschine 40 auf eine Leistung verringert werden, die wenigstens dem zeitlich gemittelten Netto-Leistungsbedarf im Stadt- und Landstraßenverkehr entspricht und hier mit maximal 10 kW angenommen wird. Grob überschlägig kann von einem Gewicht des Elektroschwungrades 43 von ca. 35 kg bei einem Volumen von ca. 25 dm3 ausgegangen werden.It is further provided that the capacity of the flywheel assembly 42 0.75 kWh and that of the flywheel assembly 42 or the electric flywheel 43 deliverable and recordable power is about 100 kW. Would the in 1 shown, fourth mechanical drive 54 supplemented, could be the design of the second electric machine 40 be reduced to a power that corresponds at least to the time-averaged net power requirements in urban and rural road traffic and is assumed here with a maximum of 10 kW. Roughly predictable may be a weight of the electric flywheel 43 of about 35 kg at a volume of about 25 dm 3 are assumed.

Die Batterie 34 weist in diesem Beispiel eine nutzbare Kapazität von 7,5 kWh auf, was bei einem angenommenen nutzbaren SOC-Bereich von 50% einer nominellen Kapazität der Batterie 34 von 15 kWh entspricht, wobei hier ein auf die nominelle Kapazität bezogener, nutzbarer SOC-Bereich von z. B. 40% bis 90% zu Grunde gelegt wird. Auf Basis ausgereifter Lithium-Ionen-Batteriezellen kann die Batterie 34 mit ca. 130 kg bei ca. 60 dm3 Bauraum angenommen werden.The battery 34 has a usable capacity of 7.5 kWh in this example, assuming a useable SOC range of 50% of a nominal capacity of the battery 34 of 15 kWh, which is a nominal capacitance-related, usable SOC range of z. B. 40% to 90% is based. Based on mature lithium-ion battery cells, the battery 34 be accepted with about 130 kg at about 60 dm 3 space.

In den bevorzugten Ausführungsformen sind zwei oder vier Radnabenmotoren 45 mit einer elektrischen Auslegungsleistung von insgesamt 140 KW enthalten, wobei zur Erzielung einer optimalen Rekuperation entweder nur die Räder der Vorderachse elektrisch antreibbar sind oder bei einer bevorzugten Ausgestaltung als Vierradantrieb die Leistung ca. im Verhältnis 70:30 zwischen den Antriebsrädern 46 der Vorderachse und der Hinterachse aufgeteilt wird, wodurch sich eine Leistung der beiden vorderen Radnabenmotoren 45 von jeweils ca. 50 kW und der beiden hinteren Radnabenmotoren 45 von jeweils ca. 20 kW ergibt. Dies ermöglicht auch bei geringen Antriebs- und Rekuperationsleistungen einen Betrieb der Radnabenmotoren und deren Ansteuerungselektronik in einem Bereich guten Wirkungsgrades. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Räder einer Achse durch eine gemeinsame Elektromaschine 44 anzutreiben.In the preferred embodiments, there are two or four wheel hub motors 45 with a total electrical design power of 140 KW included, to achieve optimal recuperation either only the wheels of the front axle are electrically driven or in a preferred embodiment as a four-wheel drive, the power approximately in the ratio 70:30 between the drive wheels 46 the front axle and the rear axle is split, resulting in a performance of the two front wheel hub motors 45 each about 50 kW and the two rear wheel hub motors 45 each gives about 20 kW. This allows operation of the wheel hub motors and their control electronics in a range of good efficiency even with low drive and recuperation services. Of course it is also possible, the wheels of an axle by a common electric machine 44 drive.

Gegenüber dem gedanklichen Ausgangsfahrzeug kann überschlägig von einem Gewicht der zusätzlichen Komponenten von 130 Kg für die Batterie 34 und 35 kg für das Elektroschwungrad 43 ausgegangen werden. Hinzu kommt das Gewicht der Radnabenmotoren 45 sowie der notwendigen Steuerungseinrichtungen, elektrischen Leistungsverbindungen und weiterer kleiner Komponenten, das mit insgesamt ca. 150 kg angesetzt wird.Opposite the mental starting vehicle can be estimated from a weight of the additional components of 130 kg for the battery 34 and 35 kg for the electric flywheel 43 be assumed. Added to this is the weight of the wheel hub motors 45 and the necessary control equipment, electrical power connections and other small components, which is estimated at a total of about 150 kg.

Diesem zusätzlichen Gewicht von insgesamt ca. 315 kg stehen Gewichtseinsparungen durch einen deutlich verkleinerten Verbrennungsmotor 14 und bevorzugt den Entfall des Getriebes, der schaltbaren Reibkupplung und des mechanischen Antriebsstranges 82 zu den Antriebsrädern 46 gegenüber. Weiter kann die Bordnetzbatterie erheblich kleiner auslegt werden oder ganz entfallen sowie ein kleinerer Kraftstofftank und eine verkleinerte Abgasanlage verwendet werden, wodurch sich das Mehrgewicht im Vergleich zum gedanklichen Ausgangsfahrzeug Audi A2 1.2 TDI auf ca. 200 kg reduziert.This additional weight of about 315 kg total weight savings are due to a much smaller internal combustion engine 14 and prefers the omission of the transmission, the shiftable friction clutch and the mechanical drive train 82 to the drive wheels 46 across from. Next, the on-board battery can be interpreted significantly smaller or omitted altogether and a smaller fuel tank and a smaller exhaust system can be used, which reduces the extra weight compared to the initial idea vehicle Audi A2 1.2 TDI to about 200 kg.

Zusammenfassend ist das Beispielfahrzeug durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

  • – 5-türiger Minivan für 4 oder 5 Personen mit ca. 1050 kg Gewicht
  • – Verbrennungsmotorischer Antriebsstrang in Form eines Stromaggregats 15 mit einem Diesel-Verbrennungsmotor 14 mit 25 KW Leistung im optimalen Arbeitsbereich und einem zugeordneten Kraftstofftank für beispielsweise 10 Liter Kraftstoff sowie einer ersten Elektromaschine 26 mit ebenfalls ca. 25 kW Leistung
  • – Schwungradbasierter Antriebsstrang mit einem Elektroschwungrad 43 mit 0,75 kWh nutzbarer Kapazität der Schwungradanordnung 42 und 100 kW maximaler Leistung der integrierten Elektromaschine 40, einer Batterie 34 mit 7,5 kWh nutzbarer Kapazität und einem externen Ladeport 38
  • Vier Radnabenmotoren 45, wobei die auf die Antriebsräder 46 der Vorderachse wirkenden Elektromaschinen 44 eine Leistung von jeweils 50 kW und die auf die Antriebsräder 46 der Hinterachse wirkenden Elektromaschinen 44 eine Leistung von jeweils 20 kW aufweisen.
In summary, the example vehicle is characterized by the following properties:
  • - 5-door minivan for 4 or 5 people with about 1050 kg weight
  • - Internal combustion engine driveline in the form of a generator 15 with a diesel internal combustion engine 14 with 25 KW power in the optimal working range and an associated fuel tank for example, 10 liters of fuel and a first electric machine 26 also with about 25 kW power
  • - Flywheel-based powertrain with an electric flywheel 43 with 0.75 kWh of usable flywheel assembly capacity 42 and 100 kW maximum power of the integrated electric machine 40 , a battery 34 with 7.5 kWh of usable capacity and an external charging port 38
  • - Four wheel hub motors 45 , being on the drive wheels 46 the front axle acting electric machines 44 a power of 50 kW each and on the drive wheels 46 the rear axle acting electric machines 44 each having a power of 20 kW.

Es sei angemerkt, dass die Leistungsangabe der ersten Elektromaschine 26 eine Dauerleistung ist, während sich die Leistungsangaben der übrigen Elektromaschinen 40 und 44 sich, sofern Bauraum, Gewicht und Kosten verringert werden sollen, auch auf Spitzenleistungen beziehen können, die über Zeiträume aufgebracht werden können, die sich aus sich aus den Anforderungsprofilen des konkreten Fahrzeugs ergeben aber zumindest ca. 10 Sekunden, bevorzugt wenigstens 20 Sekunden betragen sollten. Die Dauerleistungen können bei Bedarf bis zu ca. 50% niedriger gewählt werden, wodurch sich eine Dauerleistung der Elektromaschine 40 des Elektroschwungrades 43 von minimal 50 kW und eine Gesamtleistung der Radnabenmotoren 45 von minimal ca. 70 kW ergeben.It should be noted that the power specification of the first electric machine 26 is a continuous power while the power specifications of the other electric machines 40 and 44 if space, weight and cost to be reduced, can also relate to excellence that can be applied over periods that arise from the requirement profiles of the specific vehicle but should be at least about 10 seconds, preferably at least 20 seconds. The continuous power can be selected as needed up to about 50% lower, resulting in a continuous power of the electric machine 40 the electric flywheel 43 of at least 50 kW and a total output of the wheel hub motors 45 from a minimum of about 70 kW.

Durch diese erfindungsgemäße Dimensionierung der Komponenten entsteht ein Fahrzeug, welches

  • eine Dauerhöchstgeschwindigkeit von 130 km/h unter ausschließlicher Nutzung des Verbrennungsmotors 14 aufweist,
  • – Bei ausreichendem SOC der Batterie 34 eine erweiterte Dauerhöchstgeschwindigkeit von ca. 170 km/h aufweist,
  • – eine maximale dynamische Antriebsleistung von 140 KW aufweist, wobei das Stromaggregat 15 ca. 25 kW und das Elektroschwungrad 43 ca. 100 kW Leistung bereitstellen können und die zu 140 KW fehlenden 15 KW bei Bedarf aus der Batterie 34 entnommen werden können,
  • – bei voll geladener Batterie 34 und einem angenommenen durchschnittlichen Leistungsbedarf unter Berücksichtigung weitgehend vollständiger Rekuperation von 7,5 kW eine lokal emissionsfreie Fahrzeit von ca. einer Stunde aufweist,
  • – die Batterie 34 aufgrund der im Normalbetrieb lediglich zur Nachladung der Schwungradanordnung 42 bzw. des Elektroschwungrades 43 benötigten Leistung von ca. 5 bis 10 kW sehr schonend und mit zeitlich weitgehend konstantem Strom entladen werden kann, was deren Lebensdauer erheblich verlängert, Temperierungsprobleme weitgehend vermeidet und ggf. eine Erweiterung des nutzbaren SOC-Bereiches ermöglicht,
  • – durch die hohe maximale Rekuperationsleistung von 140 kW durch die Radnamenmotoren 45 in nahezu allen Betriebszuständen eine weitgehend vollständige Rekuperation ermöglicht,
  • – eine weitgehend freie Platzierung und Anordnung des Stromaggregates 15, der Batterie 34 und des Elektroschwungrades 43 im Fahrzeug erlaubt,
  • – bei geeigneter Auslegung auf große Teile des bisher notwendigen Aufwandes für eine herkömmliche Bremsanlage verzichten kann.
This inventive dimensioning of the components creates a vehicle which
  • - a maximum continuous speed of 130 km / h with the exclusive use of the internal combustion engine 14 having,
  • - With sufficient SOC of the battery 34 has an extended maximum permissible speed of approx. 170 km / h,
  • - Has a maximum dynamic drive power of 140 KW, the generator 15 about 25 kW and the electric flywheel 43 can provide about 100 kW of power and the 140 KW missing 15 KW if needed from the battery 34 can be taken
  • - with fully charged battery 34 and assuming an average power requirement, taking into account largely complete recuperation of 7.5 kW, a locally emission-free travel time of approximately one hour,
  • - the battery 34 due to the normal operation only for recharging the flywheel assembly 42 or the electric flywheel 43 Required power of about 5 to 10 kW can be discharged very gently and with temporally largely constant current, which significantly prolongs their life, largely avoids Temperierungsprobleme and possibly allows an extension of the usable SOC range,
  • - due to the high maximum recuperation power of 140 kW through the wheel name motors 45 Allows almost complete recuperation in almost all operating states
  • - A largely free placement and arrangement of the generator 15 , the battery 34 and the electric flywheel 43 allowed in the vehicle,
  • - Can dispense with a suitable design to large parts of the hitherto necessary effort for a conventional brake system.

Diese Fahrleistungen sind im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass Leistung und maximaler Energieinhalt des Elektroschwungrades 43 so bemessen werden, dass in nahezu allen Betriebszuständen dessen volle Leistung von 100 kW für den Antrieb zur Verfügung steht oder aus dem Antrieb in das Elektroschwungrad 43 rekuperiert werden kann, während die Batterie 34 im Wesentlichen nur für das Nachladen des Elektroschwungrades 43 zum Ausgleich unvermeidlicher Energieverluste durch Luftwiderstand und Reibung sowie ggf. für den Betrieb von Nebenaggregaten verwendet wird und der Verbrennungsmotor 14 so bemessen ist, dass er bei langen Fahrten bzw. weitgehend entladener Batterie 14 eine für den Ausgleich dieser Verluste bei einer gewünschten Dauerhöchstgeschwindigkeit ausreichende Leistung aufweist, und bei geringeren für den Antrieb des Fahrzeugs angeforderten Leistungen ein Nachladen der Batterie 34 und des Elektroschwungrades 43 ermöglicht.This performance is mainly due to the fact that power and maximum energy content of the electric flywheel 43 be sized so that in almost all operating conditions of its full power of 100 kW for the drive is available or from the drive in the electric flywheel 43 can be recuperated while the battery 34 essentially only for recharging the electric flywheel 43 to compensate for unavoidable energy losses due to air resistance and friction and possibly for the operation of ancillaries is used and the internal combustion engine 14 is dimensioned so that it is on long trips or largely discharged battery 14 has sufficient power to compensate for these losses at a desired maximum steady-state speed, and recharge the battery at lower powers required to drive the vehicle 34 and the electric flywheel 43 allows.

Erst durch die relative Auslegung der Komponenten zueinander wird ein Fahrzeug ermöglicht, welches bei exzellenten dynamischen Fahrleistungen für kürzere, von der nutzbaren Kapazität und dem SOC der Batterie 34 abhängenden Strecken von bis zu ca. 100 km als Schwungrad-Elektrofahrzeug lokal emissionsfrei betreibbar ist und sich gleichzeitig auch für Langstreckenfahrten ohne Einschränkungen eignet. Selbstverständlich kann die nutzbare Kapazität der Batterie 34 bei Bedarf größer oder kleiner gewählt werden, wenn eine größere lokal emissionsfreie Reichweite realisiert werden soll bzw. bzw. eine geringere für ausreichend gehalten wird. Bei einer Verkleinerung der Batterie 34 ist jedoch zu beachten, dass diese so groß ausgelegt werden soll, dass die positiven Effekte einer geringen spezifischen Be- und Entladeleistung C erhalten bleiben und bevorzugt weitestgehend unterhalb von 2 C, bevorzugt unterhalb von 1,5 C und besonders bevorzugt im Normalbetrieb (entsprechend NEFZ Fahrzyklus bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor) unterhalb von 1 C liegen.Only by the relative design of the components to each other a vehicle is possible, which with excellent dynamic performance for shorter, of the usable capacity and the SOC of the battery 34 100 km) as flywheel electric vehicle locally emission-free operable and at the same time also for long-distance journeys without restrictions is suitable. Of course, the usable capacity of the battery 34 be selected larger or smaller if required, if a larger locally emission-free range is to be realized or a lower is considered sufficient. At a reduction of the battery 34 However, it should be noted that this should be interpreted as large that the positive effects of a low specific loading and unloading capacity C are maintained and preferably largely below 2 C, preferably below 1.5 C and particularly preferably in normal operation (according to NEDC Driving cycle with switched off internal combustion engine) below 1 C lie.

Nachfolgend werden mit Bezug zu 3 gemeinsam mit 2 wesentliche Betriebszustände und Betriebsweisen des Beispielfahrzeugs und deren wesentliche Vorteile erläutert, die sich aus der vorteilhaften Dimensionierung der Komponenten ergeben.Hereinafter, with reference to 3 together with 2 Essential operating conditions and modes of operation of the example vehicle and their essential advantages explained that result from the advantageous dimensioning of the components.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm, aus denen die wesentlichen Schritte für den Kaltstart des Fahrzeugs, den Warmstart und den Normalbetrieb des Fahrzeugs im Schwungradmodus, bei erweiterter Dauerhöchstgeschwindigkeit, im Range-Externder- und im Boost-Modus dargestellt sind, wobei die wesentlichen logischen Schritte aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne ggf. erforderliche oder sinnvolle Zwischenschritte dargestellt sind, die der Fachmann bei Bedarf entsprechend der konkreten Ausgestaltung des Fahrzeugs und dessen Auslegungskriterien ergänzen wird. 3 shows a flowchart showing the essential steps for the cold start of the vehicle, the warm start and normal operation of the vehicle in the flywheel mode, extended maximum maximum speed, in range-outboard and in boost mode, the essential logical steps for reasons of Clarity without possibly necessary or meaningful intermediate steps are shown, which will supplement the expert if necessary according to the specific design of the vehicle and its design criteria.

Das Flussdiagramm geht in Schritt S1 von einem Kaltstart des stehenden Fahrzeugs mit abgeschaltetem Verbrennungsmotor 14 und einem sehr geringen SOC des Elektroschwungrades 43 aus. Anschließend wird in Schritt S2 ermittelt, ob der Zustand der Batterie 34 ausreichend ist, damit sie eine Leistung P1 abgeben kann, die größer ist als eine Mindestleistung Pmin1. Diese ist notwendig, um den Verbrennungsmotor 14 mittels der ersten Elektromaschine 26 durch direkt aus der Batterie 34 entnommene Leistung zu starten. Dazu wird der Betriebszustand der Batterie anhand verschiedener Parameter ermittelt, wie insbesondere, der SOC der Batterie 34, deren Temperatur oder deren SOH. Weiterhin wird bevorzugterweise auch die Alterung der Batterie 34 berücksichtigt. Pmin1 kann dabei eine festgelegte Leistung sein, die auch unter ungünstigen Bedingungen für einen sicheren Start des Verbrennungsmotors 14 ausreichend ist. Bei Bedarf kann Pmin1 jedoch auch unter Berücksichtigung von Parametern wie beispielsweise der Außentemperatur, der Motoröltemperatur oder historischen, für den Start des Verbrennungsmotors ermittelten Leistungswerten bestimmt werden.The flowchart proceeds from a cold start of the stationary vehicle with the internal combustion engine switched off in step S1 14 and a very low SOC of the electric flywheel 43 out. Subsequently, in step S2, it is determined whether the state of the battery 34 is sufficient so that it can deliver a power P1, which is greater than a minimum power Pmin1. This is necessary to the internal combustion engine 14 by means of the first electric machine 26 through directly from the battery 34 to start the withdrawn power. For this purpose, the operating state of the battery is determined by means of various parameters, in particular, the SOC of the battery 34 , their temperature or their SOH. Furthermore, the aging of the battery is also preferred 34 considered. Pmin1 can be a fixed power, even under unfavorable conditions for a safe start of the engine 14 is sufficient. If necessary, however, Pmin1 can also be determined taking into account parameters such as the outside temperature, the engine oil temperature, or historical power values determined for the start of the internal combustion engine.

Ist der Batteriezustand nicht ausreichend (P1 < Pmin1), wird zunächst das Elektroschwungrad 43 in Schritt S3 mit einer geringen Leistung aus der Batterie 34 auf einen zum anschließenden Starten des Verbrennungsmotors 14 ausreichenden SOCmin1 beschleunigt und anschließend in Schritt S4 der Verbrennungsmotor 14 mit aus dem Elektroschwungrad 43 entnommener Energie durch die erste Elektromaschine 26 gestartet. Die aus der Batterie 34 in das Elektroschwungrad 43 übertragene Leistung kann dabei wiederum in Abhängigkeit von den vorgenannten Parametern der Batterie so gewählt werden, dass diese zumindest nicht dauerhaft geschädigt wird. Die Leistung kann bei einer sehr stark gealterten, teildefekten, fast vollständig entladenen oder sehr kalten Batterie 34 sehr gering sein und im Extremfall nur einige 10 Watt betragen. Da diese Leistung im Elektroschwungrad 43 gesammelt wird, steht dennoch nach einigen Sekunden und spätestens nach wenigen Minuten im Elektroschwungrad 43 eine ausreichende Energiemenge zur Verfügung, um den Verbrennungsmotor mit der benötigten hohen Leistung sicher starten zu können. Das Fahrzeug ist damit fahrbereit. Somit steht jetzt die Leistung des Verbrennungsmotors 14 zur Verfügung, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel 25 kW beträgt.If the battery condition is not sufficient (P1 <Pmin1), the electric flywheel will first 43 in step S3 with a low power from the battery 34 to one for the subsequent starting of the internal combustion engine 14 accelerates sufficient SOCmin1 and then in step S4 of internal combustion engine 14 with the electric flywheel 43 removed energy through the first electric machine 26 started. The from the battery 34 in the electric flywheel 43 transmitted power can in turn be chosen in dependence on the aforementioned parameters of the battery so that it is at least not permanently damaged. The performance can be a very aged, partially defective, almost completely discharged or very cold battery 34 be very low and in extreme cases only a few 10 watts. Because this power in the electric flywheel 43 collected after a few seconds and at the latest after a few minutes in the electric flywheel 43 a sufficient amount of energy available to safely start the engine with the required high power can. The vehicle is ready to go. Thus, now stands the performance of the internal combustion engine 14 available, which is 25 kW in the preferred embodiment.

Nicht zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Energie wird in Schritt S5 verwendet, um das Elektroschwungrad 43 weiter zu beschleunigen und/oder die Batterie 34 zu laden und/oder zu beheizen, solange diese ihre optimalen SOCs bzw. ihre Arbeitstemperatur noch nicht erreicht haben oder bis der Betrieb des Verbrennungsmotors durch einen Befehl des Fahrers oder einer Einrichtung des Fahrzeugs beendet wird.Energy not required to drive the vehicle is used in step S5 to drive the flywheel 43 continue to accelerate and / or the battery 34 to charge and / or to heat as long as they have not yet reached their optimum SOCs or operating temperature or until the operation of the internal combustion engine is terminated by a command of the driver or a device of the vehicle.

Ergibt die Abfrage in S2, dass der Batteriezustand ausreichend ist, um die nötige Leistung zu liefern (P1 ≥ Pmin1), wird in Schritt S6 zunächst überprüft, ob eine explizite Anforderung für einen Betrieb des Fahrzeugs im verbrennungsmotorischen Modus vorliegt oder ob die Batterie 34 einen SOC, SOH oder eine Batterietemperatur aufweist, die ein Starten des Fahrzeugs in einem Schwungradmodus nicht erlauben oder nicht wünschenswert erscheinen lassen.If the query in S2 indicates that the battery condition is sufficient to provide the required power (P1 ≥ Pmin1), it is first checked in step S6 whether there is an explicit request for operation of the vehicle in the engine-powered mode or if the battery 34 has an SOC, SOH or a battery temperature that does not allow or does not appear desirable to start the vehicle in a flywheel mode.

Falls dies der Fall ist (Ja in Schritt S6), wird zu Schritt S7 übergegangen und der Verbrennungsmotor 14 mit aus der Batterie 34 entnommener Leistung durch die erste Elektromaschine 26 gestartet und das Fahrzeug befindet sich im vorstehend beschriebenen, fahrbereiten Zustand des Schrittes S5.If so (Yes in step S6), it goes to step S7 and the internal combustion engine 14 with out of the battery 34 removed power by the first electric machine 26 started and the vehicle is in the above-described, ready to drive state of step S5.

Im Normalfall sind der SOC der Batterie 34, deren Alterungs- und Gesundheitszustand (State Of Health, SOH) und deren Temperatur jedoch ausreichend, um eine für den Start des Fahrzeugs im Schwungradmodus ausreichende Entladeleistung und Energiemenge bereitzustellen. Sofern in Schritt S6 keine explizite Anforderung für einen Betrieb des Fahrzeugs im verbrennungsmotorischen Modus vorliegt, wird die Abfrage des Schrittes S6 im Normalbetrieb des Fahrzeugs daher meist mit „Nein” beantwortet und es erfolgt ein Sprung zu Schritt S8.Normally the SOC is the battery 34 however, their state of health (SOH) and temperature are sufficient to provide sufficient discharge power and amount of energy to start the vehicle in flywheel mode. If there is no explicit requirement for operation of the vehicle in the combustion engine mode in step S6, the query of step S6 in normal operation of the vehicle is therefore usually answered with "no" and there is a jump to step S8.

Ist dies der Fall, wird in Schritt S9 entschieden, ob die aus der Batterie 34 entnehmbare Leistung P mindestens gleich Pmin2 ist (P ≥ Pmin2), wobei Pmin1 < Pmin2 gilt und Pmin2 einer möglichen Entladeleistung der Batterie 34 entspricht, die einen unmittelbaren Antrieb des Fahrzeugs durch aus der Batterie entnommener Energie ermöglicht, wie unten in den Schritten S12 und S13 beschrieben.If this is the case, it is decided in step S9 whether the out of the battery 34 power P is at least equal to Pmin2 (P ≥ Pmin2), where Pmin1 <Pmin2 and Pmin2 a possible discharging power of the battery 34 which enables direct drive of the vehicle by energy removed from the battery, as described below in steps S12 and S13.

Ist die aus der Batterie 34 entnehmbare Leistung P geringer als Pmin2, beispielsweise 20 kW, wird in Schritt S10 zunächst das Elektroschwungrad 43 mittels aus der Batterie 34 entnommener Energie auf einen für den Beginn des Fahrbetriebs ausreichenden SOCmin2 aufgeladen. Dies kann bei einer ausreichend geladenen Batterie 34 bei sehr niedriger Batterietemperatur der Fall sein, bei der die Entnahmeleistung der Batterie 34 auf zunächst wenige kW begrenzt werden soll, um deren Alterung gering zu halten. Mit Nutzung der Batterie 34 und ggf. zusätzlicher Beheizung erhöht sich deren Leistungsfähigkeit in kurzer Zeit. Eine maximale anfängliche Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs von weniger als z. B. 20 kW soll jedoch aus Gründen der Verkehrssicherheit vermieden werden und würde dem Fahrer zudem ein unangenehmes Fahrgefühl vermitteln.Is that out of the battery 34 Removable power P less than Pmin2, for example, 20 kW, in step S10 first the electric flywheel 43 by means of the battery 34 discharged energy to a sufficient for the start of driving SOCmin2 charged. This can happen with a sufficiently charged battery 34 be the case at very low battery temperature at which the removal power of the battery 34 initially limited to a few kW to keep their aging low. With use of the battery 34 and possibly additional heating increases their performance in a short time. A maximum initial power for driving the vehicle of less than z. B. 20 kW should be avoided for reasons of road safety and would also give the driver an unpleasant driving experience.

Der SOCmin2 des Elektroschwungrades 43 kann dabei fest vorgegeben sein oder bevorzugt auf Grundlage der aus der Batterie 34 entnehmbaren Leistung und einer Einschätzung der Erhöhung dieser Leistung auf Grundlage weiterer Batterieparameter, insbesondere SOC, SOH und Batterietemperatur variabel festgelegt werden. Bei sehr kalter Batterie 34 oder einer aus der Batterie aus anderen Gründen für den Fahrzeugantrieb entnehmbaren Leistung von z. B. maximal nur 5 kW sollte der vor Fahrtantritt erreichte SOC des Elektroschwungrades 43 beispielsweise erheblich höher sein, als bei einer aus der Batterie 34 entnehmbaren Leistung von 10 KW, da die Nachladeleistung der Batterie 34 in das Elektroschwungrad 43 in den ersten Minuten der Fahrt im erstgenannten Fall mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht ausreichend sein wird, um die Energieverluste des Fahrzeugs auszugleichen. Selbstverständlich sind auch aufwändigere Berechnungen des SOCmin2 des Elektroschwungrades 43 unter Einbeziehung z. B. einer in Kauf genommenen Alterung der Batterie 34, der Außentemperatur sowie einer möglichen Heizleistung zur Erwärmung der Batterie 34, eines Batteriemodells, einer Vorhersage über das zu befahrende Streckenprofil und weiterer Einflussfaktoren denkbar und sinnvoll.The SOCmin2 of the electric flywheel 43 can be fixed or preferably based on the battery 34 removable power and an estimate of the increase of this power based on further battery parameters, in particular SOC, SOH and battery temperature can be set variably. In very cold battery 34 or one of the battery for other reasons for the vehicle drive removable power of z. B. maximum of only 5 kW, the achieved before driving SOC of the electric flywheel 43 For example, be considerably higher than one from the battery 34 Removable power of 10 KW, since the recharging capacity of the battery 34 in the electric flywheel 43 in the first few minutes of the journey in the former case, with high probability, will not be sufficient to compensate for the energy losses of the vehicle. Of course, more complex calculations of the SOCmin2 of the electric flywheel are 43 including z. B. an accepted aging of the battery 34 , the outside temperature and a possible heating power to heat the battery 34 , a battery model, a prediction of the route profile to be traveled and other influencing factors conceivable and useful.

Mit Erreichen des SOCmin2 des Elektroschwungrades 43 am Ende von Schritt S10 wird zu Schritt S11 übergegangen, in dem das Fahrzeug im Schwungradmodus fahrbereit ist. In diesem Zustand steht die gesamte durch das Elektroschwungrad abgebbare Leistung von 100 KW, ggf. abzüglich des Leistungsbedarfs von Nebenaggregaten, für den Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung.With reaching the SOCmin2 of the electric flywheel 43 At the end of step S10, step S11 is proceeded to, in which the vehicle is ready to run in flywheel mode. In this condition, the total achievable by the electric flywheel power of 100 KW, possibly minus the Power requirements of ancillaries, available for driving the vehicle.

Es sei angemerkt, dass die bis zur Fahrbereitschaft des Fahrzeugs für das Aufladen des Elektroschwungrades 43 benötigte Zeitspanne sich aus Sicht des Fahrers verkürzen lässt, indem der Beginn des Ladens des Elektroschwungrades 43 beispielsweise bereits bei einer Entriegelung der Fahrzeugtüren, ggf. über eine spezielle Taste, oder bei Annäherung an die Fahrertür mit einem Transponder oder durch eine zeitliche Vorwahl eingeleitet wird. Zur Erhöhung der Zufriedenheit der Nutzer ist es sinnvoll, diesen eine Information über die verbleibende Zeit bis zur Fahrbereitschaft, beispielsweise in Form eines Countdowns einer optischen Anzeige, z. B. durch eine Balkenanzeige, zu geben, wodurch diese eine qualifizierte Entscheidung treffen können, ob sie auf die Fahrbereitschaft im Schwungradmodus warten wollen oder die sofortige Fahrbereitschaft durch eine manuelle Anforderung des verbrennungsmotorischen Modus bevorzugen, was zu einem in der Figur nicht dargestellten Wechsel zu Schritt S7 oder S3 führen würde.It should be noted that the up to the readiness of the vehicle for charging the electric flywheel 43 required time span can be shortened from the perspective of the driver by the beginning of the charging of the electric flywheel 43 For example, already at a release of the vehicle doors, possibly via a special button, or when approaching the driver's door with a transponder or by a time code is initiated. To increase the satisfaction of the users, it makes sense to provide them with information about the remaining time until the vehicle is ready to drive, for example in the form of a countdown of an optical display, for example a car. B. by a bar graph, so that they can make a qualified decision whether they want to wait for the readiness for travel in flywheel mode or prefer immediate driving readiness by a manual request of the internal combustion engine mode, resulting in a not shown in the figure change to step S7 or S3 would lead.

Wird in Schritt S9 entschieden, dass die Entnahme einer hohen Entladeleistung von wenigstens Pmin2 (bevorzugt wenigstens z. B. 20 kW) aus der Batterie für den Antrieb des Fahrzeugs möglich ist und ein verbrennungsmotorischer Modus nicht explizit gewählt wurde, wird zu Schritt S12 übergegangen. In diesem Fall kann auf das Aufladen des Elektroschwungrades 43 auf einen SOC von SOCmin2 und die damit verbundene Wartezeit verzichtet werden. Die Batterie 34 kann hier in Schritt S12 eine für den Antritt der Fahrt ausreichende bzw. akzeptable Leistung für den Antrieb der Radnabenmotoren 45 von in diesem Beispiel ca. 20 kW direkt bereitstellen. Das Fahrzeug ist damit unmittelbar betriebsbereit, wenn auch anfangs nur mit einer geringen maximalen Leistung, die der durch die Batterie 34 abgebbaren Leistung, abzüglich der Leistung der Nebenaggregate entspricht.If it is decided in step S9 that the removal of a high discharge power of at least Pmin2 (preferably at least, for example, 20 kW) from the battery for driving the vehicle is possible and an internal combustion engine mode has not been explicitly selected, step S12 is entered. In this case may be due to charging the electric flywheel 43 be waived on a SOC of SOCmin2 and the associated waiting time. The battery 34 can here in step S12 sufficient for the start of the trip or acceptable performance for the drive of the wheel hub motors 45 of about 20 kW directly in this example. The vehicle is thus immediately ready for use, albeit initially only with a low maximum power, that of the battery 34 deliverable power, less the power of the ancillaries corresponds.

Sobald für den Antrieb des Fahrzeugs eine geringere als die aus der Batterie 34 unter Berücksichtigung von SOC, SOH und Batterietemperatur maximal entnehmbare Leistung abgerufen wird, wird in Schritt S13 in Abhängigkeit vom Zustand der Batterie 34, insbesondere deren SOC, SOH und Temperatur, entweder der SOC des Schwungrades erhöht und/oder die Entnahmeleistung aus der Batterie verringert, um deren Alterung zu minimieren.Once for the drive of the vehicle a lower than that from the battery 34 is obtained in consideration of SOC, SOH and battery temperature maximum extractable power, in step S13, depending on the state of the battery 34 , in particular their SOC, SOH and temperature, either increases the SOC of the flywheel and / or reduces the withdrawal power from the battery to minimize its aging.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Batterie 34 bei Durchführung des Schrittes S13 und ggf. und in geringerem Maße bei Durchführung des nachfolgend erläuterten Schrittes S14 für kurze Zeiträume mit einem höheren Entladestrom als 1 C belastet werden kann.It should be noted that the battery 34 can be charged with a higher discharge current than 1 C for a short period of time when performing the step S13 and possibly and to a lesser extent when performing the step S14 explained below.

Ausgehend von einer nominellen Batteriekapazität von 15 kWh des Beispielfahrzeugs kann bei dafür geeigneten Batteriezuständen, insbesondere Batterietemperatur und SOH beispielsweise kurzzeitig eine maximale Entladeleistung der Batterie von 1,5 C freigegeben werden. Da das Fahrzeug zu Beginn steht, ermöglicht dies auch bei anfangs vollständig entladenem Elektroschwungrad 43 eine sofortige Bereitstellung einer Fahrleistung, die aus Sicht eines Fahrers für Ausparkvorgänge oder das Fahren von einem Parkplatz nicht als eingeschränkt wahrgenommen wird und auch für eine Beschleunigung im Stadtverkehr für wenige Sekunden akzeptabel ist. Das Elektroschwungrad 43 würde z. B. bereits nach 15 Sekunden Ausparkvorgang bei einer Batterieleistung von 1,5 C entsprechend ca. 22 kW und bei durchschnittlich in dieser Zeit zur Ladung des Elektroschwungrades 43 zur Verfügung stehenden Leistung von 18 kW einen Energieinhalt von ca. 0,075 kWh aufweisen, der rechnerisch ausreichen würde, um das Fahrzeug mit einer Leistung von 100 kW alleine aus dem Elektroschwungrad auf eine Geschwindigkeit von ca. 75 km/h zu beschleunigen, wobei zusätzlich aus der Batterie 34 eine Leistung von bis zu 22 kW zur Verfügung steht. Auch unter Berücksichtigung von Umwandlungsverlusten und einer aufgrund geringer Drehzahlen nicht sinnvoll nutzbaren Schwungradladung unterhalb von z. B. 5% SOC ist es daher unwahrscheinlich, dass ein Fahrer die in den ersten Sekunden eines Kaltstarts mit stehender Schwungradanordnung 42 aber ausreichend leistungsfähiger Batterie eingeschränkte Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs überhaupt bemerkt. Dieser erhöhte Entladestom der Batterie beim Start des Fahrzeugs wird jedoch nur benötigt, wenn der Schwungrad-SOC anfangs sehr gering ist, und bildet mit einer Zeitdauer von in der Regel weniger als 30 Sekunden einen im Verhältnis zur Gesamtbetriebszeit des Fahrzeugs vernachlässigbaren Sonderfall.Starting from a nominal battery capacity of 15 kWh of the example vehicle, a maximum discharge capacity of the battery of 1.5 C can be released for a short time at suitable battery states, in particular battery temperature and SOH, for example. Since the vehicle is at the beginning, this also allows for initially completely discharged electric flywheel 43 an immediate provision of a driving performance that is not perceived as restricted from the driver's point of view for out-of-the-way driving or driving out of a parking lot and is also acceptable for city traffic acceleration for a few seconds. The electric flywheel 43 would z. B. after 15 seconds Ausparkvorgang at a battery power of 1.5 C corresponding to about 22 kW and at an average in this time to charge the electric flywheel 43 available power of 18 kW have an energy content of about 0.075 kWh, which would be mathematically sufficient to accelerate the vehicle with a power of 100 kW alone from the electric flywheel to a speed of about 75 km / h, in addition to the battery 34 an output of up to 22 kW is available. Even taking into account conversion losses and due to low speeds not useful usable flywheel charge below z. Thus, for example, 5% SOC, it is unlikely that a driver will be in the first few seconds of a cold start with stationary flywheel assembly 42 but sufficiently powerful battery ever noticed limited vehicle performance. However, this increased discharging current of the battery at the start of the vehicle is required only when the flywheel SOC is initially very low, and forms a period of usually less than 30 seconds negligible relative to the total operating time of the vehicle special case.

Zusammenfassend wird aus den beschriebenen Schritten S1 bis S13 deutlich, dass das Fahrzeug auch bei anfangs entladenem Zustand des Elektroschwungrades 43 stets unmittelbar gestartet werden kann. Ist die mögliche Leistungsabgabe der Batterie 34 so gering, dass sie nicht einmal den Verbrennungsmotor 14 über die Elektromaschine 26 direkt starten kann, wird zunächst das Elektroschwungrad 43 so weit geladen, dass mit dessen Hilfe ein sicherer Start des Verbrennungsmotors 14 erfolgen kann (Schritte S2–S5). Genügt sie für das direkte Anlassen des Verbrennungsmotors 14, wird dieser gemäß den Schritten S6, S7 und S5 direkt gestartet, sofern die mögliche Leistungsabgabe nicht für einen Start des Fahrzeugs im schwungradbasierten Antriebsmodus ausreicht oder durch den Fahrer oder eine Einrichtung des Fahrzeugs explizit der verbrennungsmotorische Antriebsmodus angefordert wurde. Genügt die mögliche Leistungsabgabe der Batterie 34, um das Fahrzeug im schwungradbasierten Antriebsmodus in Betrieb zu nehmen und ist durch den Fahrer oder eine Einrichtung des Fahrzeugs keine Inbetriebnahme im verbrennungsmotorischen Betriebsmodus vorgegeben, wird bei dafür ausreichender Leistungsfähigkeit der Batterie 34 gemäß den Schritten S12 bis S13 die Antriebsleistung des Fahrzeugs in den ersten Sekunden direkt aus der Batterie 34 entnommen und das Elektroschwungrad 43 mit zur Verfügung stehender, nicht für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten benötigter Leistung beschleunigt. Genügt die Batterieleistung hierfür nicht, wird gemäß der Schritte S10 bis S11 zunächst das Elektroschwungrad 43 auf einen zum sichern Antritt der Fahrt ausreichenden SOC aufgeladen.In summary, it is clear from the described steps S1 to S13 that the vehicle is also in the initially discharged state of the electric flywheel 43 always be started immediately. Is the possible power output of the battery 34 so small that they do not even have the internal combustion engine 14 over the electric machine 26 can start directly, is first the electric flywheel 43 loaded so far that with its help a safe start of the internal combustion engine 14 can be done (steps S2-S5). It is sufficient for the direct start of the internal combustion engine 14 , this is started directly according to the steps S6, S7 and S5, unless the possible power output is sufficient for a start of the vehicle in the flywheel-based drive mode or explicitly by the driver or a device of the vehicle, the internal combustion engine drive mode was requested. Suffices the possible power output of the battery 34 to the vehicle in the flywheel-based drive mode in Operation and is set by the driver or a device of the vehicle no commissioning in internal combustion engine operating mode, is sufficient for sufficient performance of the battery 34 according to steps S12 to S13, the driving power of the vehicle in the first seconds directly from the battery 34 removed and the electric flywheel 43 with available, not for the propulsion of the vehicle and the operation of ancillaries required performance accelerated. If the battery power does not suffice for this purpose, according to steps S10 to S11, the electric flywheel first becomes 43 charged to a safe start of the journey sufficient SOC.

Solange das Elektroschwungrad 43 noch nicht auf seinen gewünschten oder optimalen SOC beschleunigt ist, können die im Normalbetrieb gewünschten Fahrleistungen jedoch noch nicht vollständig bereitgestellt werden. Daher wird zur Herstellung der vollen Betriebsbereitschaft anschließend in Schritt S14 das Elektroschwungrad 43 auf einen optimalen SOC (SOCopt) beschleunigt, wofür bei laufendem Stromaggregat 15 die momentan nicht für den Antrieb des Fahrzeugs und der Nebenaggregate benötigte Leistung des Stromaggregates 15 und unter Berücksichtigung von deren Leistungsfähigkeit alternativ oder bei Bedarf zusätzlich die Batterie 34 verwendet werden. Bei abgeschaltetem Stromaggregat 15 wird die Energie unter Berücksichtigung von deren SOC, SOH und der Batterietemperatur alleine aus der Batterie 34 entnommen. Sofern dies nicht möglich oder sinnvoll erscheint, da z. B. der SOC der Batterie gering ist, wird der Verbrennungsmotor analog zu Schritt S7 gestartet. In beiden Fällen wird das Elektroschwungrad zusätzlich bei rekuperativem Bremsen des Fahrzeugs beschleunigt.As long as the electric flywheel 43 is not yet accelerated to its desired or optimal SOC, the desired performance in normal operation, however, can not be fully provided. Therefore, in order to establish the full operational readiness, the electric flywheel is then in step S14 43 accelerated to an optimal SOC (SOCopt), for which while the generator is running 15 the current power not required for the drive of the vehicle and the ancillaries of the generator 15 and taking into account their performance alternatively or if necessary, in addition to the battery 34 be used. With the generator off 15 the energy is taken out of the battery taking into account their SOC, SOH and the battery temperature alone 34 taken. If this is not possible or sensible, because z. B. the SOC of the battery is low, the engine is started analogously to step S7. In both cases, the electric flywheel is additionally accelerated during recuperative braking of the vehicle.

Sollte der Fahrer dies wünschen kann er zur Erhöhung der zur Verfügung stehenden Gesamtleistung, und sofern eine Einrichtung des Fahrzeugs nicht explizit den schwungradbasierten Antriebsmodus vorgibt, jederzeit den Verbrennungsmotor 14 entsprechend Schritt S7 starten. Der verbrennungsmotorische Antriebsmodus kann durch eine Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus auch automatisch gestartet werden, wenn beispielsweise der Bedarf an Energie für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten einen Grenzwert überschreitet oder der SOC der Batterie 34 unter einen Grenzwert fällt.Should the driver so desire, he can increase the available total power, and if a device of the vehicle does not explicitly specify the flywheel-based drive mode, the internal combustion engine at any time 14 Start according to step S7. The internal combustion engine drive mode can also be started automatically by a device for specifying the drive mode, for example, if the demand for energy for driving the vehicle and the operation of ancillary units exceeds a limit or the SOC of the battery 34 falls below a threshold.

Die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus kann beispielsweise auf einer Auswertung des derzeitigen Ortes des Fahrzeugs und dessen Aufenthalt in einer Zone beruhen, in der der Betrieb im verbrennungsmotorischen Modus nicht gestattet ist, aber auch weitere Einflussgrößen berücksichtigen, die insbesondere die Zustandsdaten der verschiedenen Aggregate des Fahrzeugs aber auch weitere Parameter umfassen können. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor 14 automatisch gestartet werden, wenn aufgrund sehr kalter Außen- und/oder Innenraumtemperaturen davon auszugehen ist, dass unmittelbar bei oder nach Fahrtantritt eine erhebliche Leistung für den Betrieb von Heizungen abgerufen wird, wenn aufgrund von aus einem Navigationssystem bekannten Daten geschlossen werden kann, dass unmittelbar nach Fahrtantritt eine erhebliche Steigung befahren werden soll oder wenn aus Daten des Navigationssystems bekannt ist, dass das Fahrzeug in Kürze mit hoher Wahrscheinlichkeit in eine Zero-Emissions-Zone einfahren wird und der Ladegrad der Batterie 34 dafür als nicht ausreichend bewertet wird. Umgekehrt kann die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus beispielsweise den schwungradbasierten Antriebsmodus vorgeben, sofern aus z. B. Daten eines Navigationsgerätes geschlossen werden kann, dass der Betrieb des Verbrennungsmotors nicht gestattet oder erwünscht ist.The device for specifying the drive mode can be based, for example, on an evaluation of the current location of the vehicle and its stay in a zone in which the operation in internal combustion engine mode is not permitted, but also take into account other influencing variables, in particular the state data of the various units of the vehicle but may also include other parameters. For example, the internal combustion engine 14 be started automatically if due to very cold exterior and / or interior temperatures, it can be assumed that a significant performance for the operation of heaters is called immediately after or after departure, if it can be concluded that due to known from a navigation system data immediately after Ride should be driven on a significant slope or if it is known from data of the navigation system that the vehicle will enter in a short time with high probability in a zero-emission zone and the charging of the battery 34 is rated as insufficient. Conversely, the device for specifying the drive mode, for example, specify the flywheel-based drive mode, if from z. B. data from a navigation device can be concluded that the operation of the internal combustion engine is not permitted or desired.

Da das Elektroschwungrad 43 bei geeigneter Auslegung, insbesondere einer Lagerung in einem weitgehenden Vakuum oder einer druckverminderten Wasserstoff- oder Heliumatmosphäre, nur relativ wenig Energie an die Umgebung verliert, kann es nach Vorgabe durch eine nicht gezeigte Steuerungseinrichtung bei üblichen Abstellzeiten des Fahrzeugs von einigen Stunden bis zu wenigen Tagen auf einer zum sofortigen Betrieb des Fahrzeugs im schwungradbasierten Antriebsmodus geeigneten Rotationsgeschwindigkeit gehalten werden. Bei Netzladung über den externen Ladeport 38 kann das Elektroschwungrad 43 parallel oder alternativ zu einem Laden der Batterie 34 auf eine gewünschte Drehzahl beschleunigt und/oder in einem gewünschten Drehzahlbereich gehalten werden. Der in den Schritten S1 bis S13 beschriebene Kaltstart stellt daher im Betrieb des Fahrzeugs einen Sonderfall dar, der in der Praxis je nach Auslegung der Steuerung nur selten, beispielsweise nach Rückkehr aus einem Urlaub auftritt.Because the electric flywheel 43 with a suitable design, in particular a storage in a substantial vacuum or a reduced pressure hydrogen or helium atmosphere, loses relatively little energy to the environment, it can by default by a control device, not shown, at usual parking times of the vehicle from a few hours to a few days a speed of rotation suitable for immediate operation of the vehicle in the flywheel-based drive mode. With mains charging via the external charging port 38 can the electric flywheel 43 parallel or alternatively to a charging of the battery 34 accelerated to a desired speed and / or kept in a desired speed range. The cold start described in steps S1 to S13 therefore represents a special case in the operation of the vehicle, which rarely occurs in practice, depending on the design of the control, for example, after returning from a holiday.

Bei einem Warmstart ist der SOC des Elektroschwungrades 43 für einen unmittelbaren Fahrtantritt ausreichend hoch, womit die in S11 beschriebene Situation vorliegt. Sofern durch den Fahrer oder die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus explizit der verbrennungsmotorische Fahrmodus vorgegeben wird, kann der Verbrennungsmotor entsprechend der in S4 oder S7 beschriebenen Schritte gestartet werden. Anschließend wird der- SOC des Elektroschwungrades 43 wie in Schritt S14 beschrieben, auf einen optimalen SOC oder zumindest einen für die vollständige Fahrbereitschaft mit voller Leistung ausreichenden, minimalen SOC beschleunigt.At a warm start is the SOC of the electric flywheel 43 for an immediate start of the journey sufficiently high, which is the situation described in S11. If the combustion engine driving mode is explicitly specified by the driver or the device for specifying the drive mode, the internal combustion engine can be started in accordance with the steps described in S4 or S7. Subsequently, the SOC of the electric flywheel 43 as described in step S14, to an optimum SOC, or at least a minimum SOC sufficient for full ride-ready, accelerates.

Am Ende von Schritt 14 ist das Fahrzeug vollständig fahrbereit. Das heißt insbesondere, dass der SOC des Elektroschwungrades 43 ausreichend hoch ist, um unter üblichen Betriebsbedingungen keine durch den Fahrer wahrnehmbare Leistungseinschränkungen des Fahrzeugs zu verursachen. In Schritt S15 wird festgestellt, ob der Verbrennungsmotor 14 bzw. das Stromaggregat 15 in Betrieb ist. Ist dies der Fall, wird die erzeugte und nicht durch Nebenaggregate benötigte elektrische Energie in Schritt S16 vorrangig für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet, um die Umwandlungsverluste möglichst gering zu halten. Überschüssige Leistung wird genutzt, um das Elektroschwungrad 43 und/oder die Batterie 34 zu laden, wobei die Auswahl, welche Komponente 43, 34 mit welchem Teil der zur Verfügung stehenden Leistung geladen werden soll in erster Linie von deren SOCs und deren Abweichung von einem optimalen SOC abhängt und zusätzlich von der bereits mehrfach genannten Vielzahl von Batterieparametern abhängig gemacht werden kann.At the end of step 14 the vehicle is completely ready to drive. This means in particular that the SOC of the electric flywheel 43 is sufficiently high to operate under normal operating conditions to not cause driver perceivable performance limitations of the vehicle. In step S15, it is determined whether the internal combustion engine 14 or the generator 15 is in operation. If this is the case, the generated and not required by ancillaries electrical energy is used in step S16 primarily for the drive of the vehicle in order to minimize the conversion losses. Excess power is used to power the flywheel 43 and / or the battery 34 to load, choosing which component 43 . 34 which part of the available power is to be loaded primarily depends on their SOCs and their deviation from an optimal SOC and can additionally be made dependent on the already mentioned plurality of battery parameters.

In Schritt S17 wird bestimmt, ob die Betriebszeit des Stromgenerators eine gewünschte Zeitdauer erreicht hat und gleichzeitig das Elektroschwungrad 43 und die Batterie 34 zumindest einen ausreichenden oder bevorzugt optimalen SOC aufweisen, und es wird überprüft, ob ein Befehl zum Nicht-Betrieb bzw. Abschalten des Verbrennungsmotors 14 durch den Fahrer oder durch die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus vorliegt. Der Betrieb des Verbrennungsmotors 14 über eine bestimmte Mindestzeitspanne ist bevorzugt, um den anteiligen Betrieb bei kaltem Motor und Abgassystem gering zu halten. Werden diese beiden Abfragen mit nein (N) beantwortet, erfolgt ein Rücksprung zu Schritt S16, andernfalls wird der Verbrennungsmotor 14 in Schritt 18 abgeschaltet und es erfolgt ein Rücksprung zu Schritt S14.In step S17, it is determined whether the operating time of the power generator has reached a desired time and simultaneously the electric flywheel 43 and the battery 34 have at least a sufficient or preferably optimal SOC, and it is checked whether a command for non-operation or shutdown of the internal combustion engine 14 is present by the driver or by the means for specifying the drive mode. The operation of the internal combustion engine 14 over a certain minimum period of time is preferred in order to keep the proportionate operation with cold engine and exhaust system low. If these two queries are answered with no (N), there is a return to step S16, otherwise the internal combustion engine becomes 14 in step 18 is switched off and there is a return to step S14.

Bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 14 (Nein in Schritt S15) wird zunächst in Schritt S19 geprüft, ob der SOC der Batterie 34 eine Nachladung durch den Verbrennungsmotor 14 des Stromaggregats 15 erforderlich oder wünschenswert macht und gleichzeitig der Betrieb des Verbrennungsmotors 14 gestattet ist. Ist dies der Fall (Ja in Schritt S19), wird in Schritt S20 analog zu dem im Schritt S7 beschriebenen Vorgehen der Verbrennungsmotor 14 gestartet und anschließend zu Schritt S16 gesprungen.With the internal combustion engine switched off 14 (No in step S15), it is first checked in step S19 whether the SOC of the battery 34 a recharge by the internal combustion engine 14 of the generator 15 required or desirable and at the same time the operation of the internal combustion engine 14 is allowed. If this is the case (Yes in step S19), in step S20 the internal combustion engine becomes analogous to the procedure described in step S7 14 started and then jumped to step S16.

Ob ein Laden der Batterie 34 und ggf. des Elektroschwungrades 43 erforderlich oder wünschenswert ist, kann neben dem SOC und SOH der Batterie 34 auch von der momentanen oder erwarteten zukünftigen Leistung der Radnabenmotoren 45 abhängig gemacht werden. Ist beispielsweise absehbar, dass das Fahrzeug in Kürze ein langes und erhebliches Gefälle befahren wird, kann der Start des Verbrennungsmotors 14 bis zu einem niedrigeren SOC der Batterie 34 verschoben werden, da in Kürze mit einer rekuperativen Aufladung der Batterie 34 zu rechnen ist. Ist andererseits das Befahren einer langen und starken Steigung zu erwarten, wird ein Anhängerbetrieb erkannt, wird das baldige Befahren einer Zero-Emissions-Zone erwartet oder lässt der Fahrstil des Fahrers auf einen erhöhten durchschnittlichen Energiebedarf schließen, kann der Grenzwert für die Auslösung der Nachladung der Batterie 34 durch das Stromaggregat 15 entsprechend zu einem höheren SOC der Batterie 34 verschoben werden. Selbstverständlich können auch eine Vielzahl weiterer Faktoren, insbesondere eine Prognose über eine bevorstehende Netzladung und die bis dahin benötigte Energie und weitere Zustandsgrößen des Fahrzeugs berücksichtigt werden.Whether charging the battery 34 and possibly the electric flywheel 43 required or desirable, in addition to the SOC and SOH of the battery 34 also from the current or expected future performance of the wheel hub motors 45 be made dependent. If, for example, it is foreseeable that the vehicle will soon be driving on a long and considerable gradient, the start of the internal combustion engine may be required 14 up to a lower SOC of the battery 34 to be postponed, because shortly with a recuperative charge of the battery 34 is to be expected. If, on the other hand, driving on a long and steep slope is to be expected, trailer operation will be detected, if a zero-emissions zone is expected to drive soon, or if the driver's driving style results in an increased average energy demand, the limit for triggering the recharge may be exceeded battery 34 through the generator 15 corresponding to a higher SOC of the battery 34 be moved. Of course, a variety of other factors, in particular a forecast of an imminent grid charge and the energy required until then and other state variables of the vehicle can be taken into account.

In Schritt 21 wird überprüft, ob die Leistungsanforderung des Fahrzeugs unter Berücksichtigung der Leistung der Nebenaggregate ohne Verbrennungsmotor 14 erfüllt werden kann, was beim Beispielfahrzeug üblicher Weise bei Leistungsanforderungen für den Antrieb des Fahrzeug von weniger als 115–100 kW der Fall ist. Ist dies nicht der Fall, und ist der Betrieb des Verbrennungsmotors 14 gestattet, wird ebenfalls zu Schritt 20 gesprungen und der Verbrennungsmotor 14 gestartet.In step 21 It checks whether the power requirement of the vehicle taking into account the performance of ancillaries without an internal combustion engine 14 can be fulfilled, which is the case in the example of the vehicle usually with power requirements for the drive of the vehicle of less than 115-100 kW. If this is not the case, and is the operation of the internal combustion engine 14 allowed, also becomes step 20 jumped and the internal combustion engine 14 started.

Selbstverständlich ist es möglich, den Schritt S21 zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit auch unabhängig vom Durchlaufen der Schritte S15 und S19 bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 14 mit hoher Frequenz durchzuführen. Ebenso können die übrigen genannten Schritte sinnvoll variiert oder in der Reihenfolge vertauscht werden, solange die beschriebenen Wirkungen der Steuerung/Regelung auf die Fahrzeugkomponenten identisch oder vergleichbar sind. In sofern handelt es sich bei dem vorgestellten Ablauf um eine konkrete Ausgestaltung, die den Schutzbereich nicht einschränken soll.Of course, it is also possible to increase the reaction speed of the step S21 independently of the passage of the steps S15 and S19 when the internal combustion engine is switched off 14 to perform at a high frequency. Likewise, the other steps mentioned can be sensibly varied or reversed in the order as long as the described effects of the control / regulation on the vehicle components are identical or comparable. In this case, the process presented is a specific design that should not restrict the scope of protection.

Zusammengefasst wird durch die Schritte S14 bis S21 der Verbrennungsmotor 14 gestartet, wenn dies nicht durch den Fahrer oder die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus verhindert wird und entweder der SOC der Batterie 34 angehoben werden soll oder die ohne Verbrennungsmotor 14 zur Verfügung stehende Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb der Nebenaggregate nicht ausreichend ist. Dabei ist sichergestellt, dass die Betriebszeit des Verbrennungsmotors 14 ausreicht, um diesen und das Abgassystem weit überwiegend in einem geeigneten Temperaturbereich zu betreiben.Summarized by the steps S14 to S21 of the internal combustion engine 14 started, if not prevented by the driver or the device for specifying the drive mode and either the SOC of the battery 34 should be raised or the without internal combustion engine 14 available power for driving the vehicle and the operation of the ancillaries is not sufficient. It is ensured that the operating time of the internal combustion engine 14 sufficient to operate this and the exhaust system largely predominantly in a suitable temperature range.

Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei der Nachladung des Elektroschwungrades 43 durch die Batterie 34 sowie die Ladung der Batterie 34 und des Elektroschwungrades 43 um eine analytische Betrachtung handelt. In Betriebsphasen, in denen das Fahrzeug mit Hilfe des Elektroschwungrades 43 beschleunigt wird, verringert die Nachladeleistung der Batterie 34 beispielsweise die Entladeleistung des Elektroschwungrades 43, was hier ebenfalls als Nachladung gelten soll. Die in der Praxis vorteilhaftesten Energiepfade hängen neben der konkreten Auslegung des Antriebssystems beispielsweise von den Ist- und Soll-Ladegraden des Elektroschwungrades 43 und der Batterie 34, den Wirkungsgraden der einzelnen Komponenten und den für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten erforderlichen Leistungen ab, wobei die Soll-Ladegrade wie vorstehend beschrieben wiederum von einer Vielzahl weiterer Parameter abhängig gemacht werden können.It should be noted that it is in the recharging of the electric flywheel 43 through the battery 34 as well as the charge of the battery 34 and the electric flywheel 43 is an analytical consideration. In operating phases in which the vehicle with the help of the electric flywheel 43 is accelerated, reduces the Nachladeleistung the battery 34 for example, the discharge of the electric flywheel 43 , something here as well should be considered as a recharge. In practice, the most advantageous energy paths depend, in addition to the specific design of the drive system, for example, on the actual and desired load levels of the electric flywheel 43 and the battery 34 , the efficiencies of the individual components and the power required for the drive of the vehicle and the operation of ancillary units, the desired charging levels as described above in turn can be made dependent on a variety of other parameters.

Nicht in der 3 enthalten sind Notbetriebsmodi, auf die im Folgenden kurz eingegangen werden soll.Not in the 3 Included are emergency operating modes, which will be discussed briefly below.

Bei einem Defekt im Bereich des Stromaggregates 15 bzw. des verbrennungsmotorischen Antriebsstranges 10 bleibt das Fahrzeug voll fahrtauglich, solange die Batterie 34 einen ausreichenden SOC und eine ausreichende Leistungsfähigkeit aufweist, um das Elektroschwungrad 43 in einem ausreichenden SOC-Bereich zu halten. In diesem Fall kann die Reichweite des Fahrzeugs bei Bedarf durch Freigabe eines zusätzlichen SOC-Bereichs der Batterie 34 erheblich erhöht werden, insbesondere wenn die Entladeleistung der Batterie 34 in das Elektroschwungrad 43 auf einen geringen Wert von z. B. 0,5 C, oder 0,3 C begrenzt wird. Auch bei einem Defekt im Bereich des Elektroschwungrades 43 bzw. des schwungungradbasierten Antriebsstranges bleibt das Fahrzeug mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit voll fahrtauglich. Auch im Fall einer nahezu entladenen oder defekten Batterie 34 kann das Fahrzeug gestartet werden, sofern die Batterie 34 wenigstens eine geringe Leistung bereitstellen kann. Da bevorzugt auch die Radnabenmotoren 45 mehrfach vorhanden sind und unabhängig von einander betrieben werden können, weist das Fahrzeug eine ausgesprochen hohe Ausfallsicherheit gegen Liegenbleiben auf.In case of a defect in the area of the generator 15 or the internal combustion engine drive train 10 the vehicle remains fully fit for driving, as long as the battery 34 sufficient SOC and sufficient power to the electric flywheel 43 in a sufficient SOC range. In this case, the range of the vehicle can be adjusted if necessary by releasing an additional SOC range of the battery 34 be increased significantly, especially if the discharge of the battery 34 in the electric flywheel 43 to a low value of z. B. 0.5 C, or 0.3 C is limited. Even with a defect in the area of the electric flywheel 43 or the flywheel-based powertrain the vehicle remains fully operational with limited performance. Also in the case of a nearly discharged or defective battery 34 the vehicle can be started provided the battery 34 can provide at least a low power. As preferred, the wheel hub motors 45 are available multiple times and can be operated independently of each other, the vehicle has a very high reliability against staying on.

Nachfolgend werden einige durch die erfindungsgemäße Dimensionierung der Komponenten und/oder die vorstehend beschriebenen Betriebsabläufe erzielbare Vorteile beschrieben.In the following, some advantages that can be achieved by the dimensioning of the components according to the invention and / or the operating sequences described above will be described.

Erstens können die Be- und Entladeströme der Batterie 34 zumindest nahezu vollständig in einem Bereich unterhalb von 1 C gehalten werden, was die Temperierung der Batterie 34 erleichtert und den dafür notwendigen Aufwand verringert. Der zulässige Be- und Entladestrom kann dabei ohne gravierende Auswirkungen auf die Fahrleistungen in weitem Umfang von den Batteriedaten abhängig gemacht werden und die Batterie 34 damit insbesondere in Hinblick auf deren Alterung sehr schonend behandelt werden.First, the charging and discharging of the battery 34 at least almost completely kept in a range below 1 C, allowing the temperature of the battery 34 relieved and reduced the necessary effort. The permissible charging and discharging current can be made dependent on the battery data to a large extent without serious effects on the driving performance and the battery 34 so that they are treated very gently, especially with regard to their aging.

Zweites kann im schwungradbasierten Modus in Abhängigkeit von der erlaubten Entladungsleistung der Batterie 34 und dem Leistungsbedarf von Nebenverbrauchern eine Antriebsleistung von 85 bis ca. 115 kW zur Verfügung gestellt werden, bei einem erlaubten Entladestrom der Batterie 34 von mehr als 1 C auch mehr.Second, in flywheel-based mode, depending on the allowable discharge power of the battery 34 and the power requirement of secondary consumers a drive power of 85 to about 115 kW are provided, with a permitted discharge current of the battery 34 from more than 1 C also more.

Drittens kann auf Wunsch durch Starten des Verbrennungsmotors 14 die maximale Antriebsleistung um weitere ca. 25 kW erhöht werden, wodurch eine maximale Antriebsleistung von bis zu 140 kW bereitgestellt werden kann.Third, if desired by starting the internal combustion engine 14 the maximum drive power can be increased by a further approx. 25 kW, whereby a maximum drive power of up to 140 kW can be provided.

Viertens ist bei einem dafür ausreichender Batterie-SOC bis zu dessen Abfall auf ein vorbestimmtes Minimum eine erhöhte Dauerhöchstgeschwindigkeit möglich, indem die Leistung des Stromaggregats 15 um maximal die mögliche Entladungsleistung der Batterie 34 für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten erhöht wird. Bei anfangs voll geladener Batterie 34 und einem angenommenen maximalen Entladungsstrom von 1 C entsprechend 15 kW erhöht sich die Gesamtleistung damit für eine Fahrzeit von ca. 30 Minuten von ca. 25 kW auf ca. 40 kW, was einer erweiterten Dauerhöchstgeschwindigkeit von überschlägig ca. 170 km/h entspricht. Dabei ermöglicht das Elektroschwungrad 43 weiterhin das kurzfristige Bereitstellen einer erheblich höheren Antriebsleistung.Fourth, with a sufficient battery SOC, until its drop to a predetermined minimum, an increased steady state maximum speed is possible by reducing the power of the generator 15 by a maximum of the possible discharge power of the battery 34 is increased for driving the vehicle and the operation of ancillaries. At the beginning of fully charged battery 34 and assuming a maximum discharge current of 1 C corresponding to 15 kW, the total power thus increases from approximately 25 kW to approximately 40 kW for a travel time of approximately 30 minutes, which corresponds to an extended maximum maximum speed of approximately 170 km / h. The electric flywheel allows 43 continue to provide a much higher drive power in the short term.

In Bezug auf die Ladegrade der Batterie 34 und des Elektroschwungrades 43 im Fahrbetrieb werden folgende Auslegungen bevorzugt, wobei es sich hier um ungefähre Angaben handelt, die in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern abgewandelt werden können:
Bei einem SOC der Batterie 34 unterhalb von ca. 20% wird eine Nachladung der Batterie 34 durch das Stromaggregat 15 ausgelöst, sofern dessen Betrieb gestattet wird und sofern nicht in Kürze mit einer Ladung der Batterie 34 durch eine Netzladung und/oder eine lange Gefällestrecke gerechnet wird. Selbstverständlich kann eine Ladung der Batterie 34 auch manuell oder automatisch bei einem höheren SOC ausgelöst werden, um beispielsweise das Fahrzeug auf eine Fahrt mit erhöhtem durchschnittlichen Leistungsbedarf wie einer Fahrt oberhalb der Dauerhöchstgeschwindigkeit oder das Befahren einer längeren Steigung vorzubereiten, eine große Reichweite im Schwungradmodus zu ermöglichen oder wenn eine hohe Zuladung oder eine Verschlechterung des Cw-Wertes, beispielsweise durch einen Dachgepäckträger oder einen Anhänger vorliegt. Weiter kann, wie bereits erwähnt, bei Bedarf auch ein zusätzlicher SOC-Bereich der Batterie 34 von z. B. bis zu 15% der nominellen Batteriekapazität entsprechend 30% SOC freigegeben werden, um einen Leistungseinbruch des Fahrzeugs zu vermeiden. Wird der Stromgenerator 15 aus anderen Gründen, beispielsweise durch eine manuelle Anforderung des Fahrers oder zur Bereitstellung einer abgerufenen, zusätzlichen Antriebsleistung gestartet, erfolgt bevorzugt auch bei einem höheren SOC der Batterie 34 eine Ladung derselben, um eine vorteilhaft lange Dauer des Betriebes des Verbrennungsmotors 14 und einen entsprechend kleinen Anteil der Betriebszeit bei kaltem Verbrennungsmotor 14 bzw. kalter Abgasanlage zu bewirken.
Regarding the charge level of the battery 34 and the electric flywheel 43 When driving, the following interpretations are preferred, which are approximate, which may be modified depending on a variety of parameters:
At a SOC of the battery 34 below about 20% will recharge the battery 34 through the generator 15 if its operation is permitted and unless soon enough with a charge of the battery 34 is expected by a network charge and / or a long downhill stretch. Of course, a charge of the battery 34 also be triggered manually or automatically at a higher SOC, for example, to prepare the vehicle for a ride with increased average power requirements such as driving above the maximum speed or driving a longer slope, to allow a long range in flywheel mode or if a high payload or a Deterioration of the Cw value, for example, by a roof rack or a trailer is present. Further, as already mentioned, if necessary, an additional SOC range of the battery 34 from Z. B. up to 15% of the nominal battery capacity corresponding to 30% SOC be released to avoid a power loss of the vehicle. Will the power generator 15 for other reasons, For example, started by a manual request of the driver or to provide a retrieved additional drive power, preferably also takes place at a higher SOC of the battery 34 a charge thereof, to a beneficial long duration of operation of the internal combustion engine 14 and a correspondingly small proportion of operating time with a cold internal combustion engine 14 or cold exhaust system to cause.

Wird das Stromaggregat 15 gestartet, wird die Batterie 34 bevorzugt auf wenigstens 90%, bevorzugt auf nahe 100% SOC aufgeladen, sofern der Betrieb des Stromgenerators 15 weiter gestattet ist und nicht mit einer erheblichen rekuperativen Ladung oder Netzladung gerechnet wird, die einen geringeren SOC der Batterie 34 am Ende der Ladephase sinnvoll erscheinen lässt. Bei einer normalen Nachladung der Batterie 34 mit Hilfe des Stromaggregates 15 wird die Batterie bei der angenommenen Leistung des Stromaggregats 15 von 25 kW und einem angenommenen durchschnittlichen Leistungsbedarf für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten von zusammen ca. 10 kW mit ca. 15 kW geladen, was einer vorteilhaft langen Betriebszeit des Stromgenerators von ca. 24 Minuten und einem Ladestrom der Batterie von 1 C entspricht. Sollte die für den Antrieb des Fahrzeugs und der Nebenaggregate benötigte Leistung unter 10 kW fallen, kann bei aufnahmefähigem Elektroschwungrad 43 ein Teil der elektrischen Ladeleistung in diesem gespeichert werden und/oder die Leistung des Verbrennungsmotors 14 bzw. des Stromaggregates 15 bei Bedarf wie bereits erwähnt vorübergehend um bis zu 20%, entsprechend 5 kW abgesenkt werden, um den Ladestrom der Batterie 34 nach Möglichkeit auf 1 C zu begrenzen, und/oder vorübergehend ein erhöhter Ladestrom von bevorzugt maximal bis zu 1,5 C gestattet werden.Will the generator 15 started, the battery is 34 preferably charged to at least 90%, preferably to near 100% SOC, provided the operation of the power generator 15 and is not expected to incur a significant recuperative charge or mains charge, which results in a lower SOC of the battery 34 makes sense at the end of the loading phase. For a normal recharge of the battery 34 with the help of the generator 15 the battery will be at the assumed power of the generator 15 of 25 kW and an assumed average power requirement for the drive of the vehicle and the operation of ancillary units of about 10 kW with about 15 kW charged, resulting in an advantageous long operating time of the power generator of about 24 minutes and a charging current of the battery of 1 C corresponds. If the power required to drive the vehicle and ancillaries drops below 10 kW, it may be possible with the electric flywheel 43 a part of the electric charging power is stored in this and / or the power of the internal combustion engine 14 or the generator 15 If necessary, as already mentioned, temporarily reduced by up to 20%, corresponding to 5 kW, to the charging current of the battery 34 if possible to limit to 1 C, and / or temporarily increased charging current of preferably maximum up to 1.5 C are allowed.

Der Soll-SOC des Elektroschwungrades 43 soll im normalen Fahrbetrieb stets mindestens ausreichend sein, um das Fahrzeug aus dem Stillstand auf die Dauerhöchstgeschwindigkeit, zumindest aber auf 100 km/h zu beschleunigen, was im Ausführungsbeispiel einer Energiemenge von ca. 0,12 bis 0,2 kWh und damit einem Ladegrad von ca. 16% bis 27% SOC entspricht.The target SOC of the electric flywheel 43 should always be at least sufficient in normal driving to accelerate the vehicle from a standstill to the maximum speed, but at least 100 km / h, which in the embodiment of an amount of energy of about 0.12 to 0.2 kWh and thus a degree of loading of about 16% to 27% SOC equals.

Es ist vorteilhaft, wenn der minimale Soll-SOC des Elektroschwungrades 43 zusätzlich stets so gewählt wird, dass das Fahrzeug ausgehend von dessen momentaner Geschwindigkeit mit Hilfe des Elektroschwungrades 43 um eine fest vorgebbare oder situationsabhängige Differenzgeschwindigkeit von beispielsweise 40 km/h, jedoch maximal auf die absolute Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs beschleunigt werden kann. Dies ermöglicht in allen Betriebszuständen ein schnelles Beschleunigen und vermittelt dem Fahrer den Eindruck einer stets möglichen maximalen Fahrleistung. Bei einer technisch möglichen Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs von 200 km/h wäre bei einer Fahrgeschwindigkeit von 160 km/h damit eine Energiemenge von mindestens ca. 0,185 kWh, entsprechend 25% SOC der Schwungradanordnung 42 vorzuhalten. Bevorzugt soll jedoch der SOC des Elektroschwungrades 43 auch für eine Aufrechterhaltung der erreichten Geschwindigkeit über eine fest oder dynamisch vorgegebenen Distanz oder Zeitspanne ausreichen, was weiter unten mit Bezugnahme auf das Anzeigekonzept genauer ausgeführt wird. Im hier auslegungsrelevanten Fall einer Fahrgeschwindigkeit von 160 km/h soll der minimale Soll-SOC des Elektroschwungrades 43 daher überschlägig 40% SOC betragen.It is advantageous if the minimum desired SOC of the electric flywheel 43 In addition, always chosen so that the vehicle based on its current speed with the help of the electric flywheel 43 by a fixed predetermined or situation-dependent differential speed of, for example, 40 km / h, but can be accelerated to a maximum maximum speed of the vehicle. This allows a fast acceleration in all operating conditions and gives the driver the impression of always possible maximum driving performance. At a technically possible maximum speed of the vehicle of 200 km / h would be at a speed of 160 km / h thus an amount of energy of at least 0.185 kWh, corresponding to 25% SOC flywheel assembly 42 reproach. Preferably, however, the SOC of the electric flywheel 43 also be sufficient for maintaining the achieved speed over a fixed or dynamically predetermined distance or period of time, which will be explained in more detail below with reference to the display concept. In the design relevant case of a driving speed of 160 km / h, the minimum target SOC of the electric flywheel 43 therefore roughly 40% SOC.

Der maximale Soll-SOC des Elektroschwungrades 43 soll stets so gering sein, dass die gesamte kinetische Energie des Fahrzeugs in das Schwungrad 42 rekuperierbar ist. Im Auslegungsbeispiel beträgt die kinetische Energie des Fahrzeugs bei einer Fahrgeschwindigkeit von 130 km/h bzw. 180 km/h überschlägig 0,20 kWh bzw. 0,38 kWh, was einen maximalen Soll-SOC des Schwungrades 42 von ca. 73% bzw. 49% SOC entspricht. Für den hier auslegungsrelevanten Fall einer Fahrgeschwindigkeit von 160 km/h bei einer möglichen Höchstgeschwindigkeit von 200 km/h wäre damit ein freier SOC in Höhe von ca. 44%, entsprechend einer Energiemenge von ca. 0,33 kWh vorzuhalten, womit der Soll-SOC-Bereich der Schwungradanordnung 42 hier zwischen 40% und 46% liegen würde. Bei niedrigeren und höheren Fahrgschwindigkeiten erweitert sich der Soll-SOC-Bereich. Es wird ersichtlich, dass die Dimensionierung der Kapazität des Elektroschwungrades in Bezug auf das Beispielfahrzeug und eine Auslegung auf eine technisch mögliche Maximalgeschwindigkeit von 200 km/h ein Optimum darstellt.The maximum target SOC of the electric flywheel 43 should always be so small that the entire kinetic energy of the vehicle in the flywheel 42 is recuperable. In the design example, the kinetic energy of the vehicle at a travel speed of 130 km / h or 180 km / h is roughly 0.20 kWh or 0.38 kWh, which is a maximum target SOC of the flywheel 42 of about 73% and 49% SOC, respectively. For the design-relevant case of a driving speed of 160 km / h at a possible maximum speed of 200 km / h, a free SOC of approx. 44%, corresponding to an energy amount of approx. 0.33 kWh, would have to be provided, whereby the setpoint SOC range of the flywheel assembly 42 between 40% and 46%. At lower and higher speeds, the target SOC range expands. It can be seen that the dimensioning of the capacity of the electric flywheel with respect to the example vehicle and a design to a technically possible maximum speed of 200 km / h is an optimum.

Der anzustrebende optimale SOC kann bevorzugt im Bereich von 60% bis 100% der Spannweite zwischen dem minimalen und maximalen Soll-SOC des Elektroschwungrades 43 liegen. Die für die Nachladung des Elektroschwungrades 43 aus der Batterie 34 entnommene Leistung kann bevorzugt in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem optimalen und tatsächlichen SOC und/oder von der Geschwindigkeit gewählt werden, mit der sich der SOC vom optimalen SOC entfernt. Dabei soll die Gesamtbelastung der Batterie 34 im Wesentlichen auf einen Entladungsstrom von 1 C, hier entsprechend 15 kW begrenzt sein, der in Ausnahmefällen bei Bedarf jedoch auch überschritten werden kann, sofern der Zustand der Batterie dieses erlaubt. Bei geringerem Nachladebedarf des Elektroschwungrades 43 kann die Ladeleistung vorteilhaft abgesenkt werden, wodurch die Batterie 34 über weite Betriebsphasen lediglich mit ca. 0,3 bis 0,7 C belastet wird.The desired optimum SOC may preferably be in the range of 60% to 100% of the span between the minimum and maximum target SOC of the flywheel 43 lie. The for the recharge of the electric flywheel 43 from the battery 34 The power drawn can preferably be chosen as a function of the difference between the optimum and actual SOC and / or the speed at which the SOC moves away from the optimum SOC. Here is the total load of the battery 34 essentially limited to a discharge current of 1 C, here corresponding to 15 kW, which can be exceeded in exceptional cases, if necessary, however, if the state of the battery allows this. With less reloading of the electric flywheel 43 The charging power can be advantageously lowered, reducing the battery 34 is burdened with only about 0.3 to 0.7 C over long operating phases.

Die vorgestellte Dimensionierung der Antriebskomponenten ermöglicht weiter eine vorteilhafte Auslegung der elektrischen Komponenten zur bedarfsgerechten Umwandlung elektrischer Energie und damit einen hohen Wirkungsgrad dieser Komponenten. Bei einer Auslegung der Ladeelektronik der Batterie auf maximal 1,5 C und der Leistungselektronik des Elektroschwungrades auf 100 kW können diese Komponenten überwiegend in einem Leistungsbereich zwischen 15 und 80% und damit in einem Bereich guten Wirkungsgrades betrieben werden. Zur weiteren Verringerung von Umwandlungsverlusten ist es bevorzugt auch möglich, diese Leistungen auf mehrere, parallel betreibbare Komponenten aufzuteilen, wobei bei einer Aufteilung auf 2 bzw. 3 Teilkomponenten eine Aufteilung etwa im Verhältnis 30:70 bzw. 15:30:55 bevorzugt wird. The proposed dimensioning of the drive components further enables an advantageous design of the electrical components for demand-based conversion of electrical energy and thus high efficiency of these components. With a design of the charging electronics of the battery to a maximum of 1.5 C and the power electronics of the electric flywheel to 100 kW, these components can be operated predominantly in a power range between 15 and 80% and thus in a range of good efficiency. To further reduce conversion losses, it is preferably also possible to divide these services into a plurality of components which can be operated in parallel, with a division into 2 or 3 subcomponents being preferably divided into ratios of 30:70 and 15:30:55, respectively.

Durch die Aufteilung der Leistung der Radnabenmotoren 45 von maximal 140 kW im Verhältnis von ca. 70:30 zwischen Vorder- und Hinterachse wird nicht nur ein weitgehend vollständiges rekuperatives Bremsen auch bei starken Verzögerungen aus hohen Geschwindigkeiten ermöglicht, sondern es können bei geringen Antriebs- und Bremsleistungen auch bevorzugt die Radnabenmotoren 45 der Hinterachse angetrieben bzw. generatorisch betrieben und so der Wirkungsgrad erhöht werden. Ist eine weitere Optimierung der Wirkungsgrade erwünscht, ist es weiter möglich, die Leistung der hinteren Radnabenmotoren 45 von hier jeweils 20 kW auf jeweils zwei parallel wirkende Radnabenmotoren- mit beispielsweise 5 kW und 15 kW aufzuteilen, womit auch sehr geringe Antriebsleistungen, wie sie bei einem bloßen Aufrechterhalten der Fahrgeschwindigkeit im Stadt- und Landstraßenverkehr häufig vorkommen, mit optimalem Wirkungsgrad erzeugt werden können.By dividing the power of the wheel hub motors 45 of a maximum of 140 kW in the ratio of about 70:30 between the front and rear axle is not only a largely complete recuperative braking possible even with strong delays from high speeds, but it can also be preferred at low drive and braking power hub motors 45 the rear axle driven or operated as a generator and so the efficiency can be increased. If a further optimization of the efficiencies is desired, it is still possible, the performance of the rear wheel hub motors 45 From here each 20 kW each split into two parallel Hubnabenmotorenen- with, for example, 5 kW and 15 kW, which also very low drive power, as they often occur in a mere maintenance of driving speed in city and highway traffic, can be produced with optimal efficiency.

Weiter erlaubt die bevorzugte Begrenzung des Be- und Entladestroms der Batterie 34 auf 1,5 C eine Auslegung der Ladeelektronik auf eine Dauerleistung von ca. 22 kW, die bei einer Netzladung der Batterie 34 von einer mit 32 Ampere abgesicherten Drehstromsteckdose im 3·230 V Netz abgegeben werden kann, was eine Schnellladung einer vollständig entladenen Batterie in gut 20 Minuten ermöglicht. An einer üblichen, mit 16 Ampere abgesicherten „Haushalts-Drehstromsteckdose” würde die Ladezeit bei maximal 11 kW in der doppelten Zeit und mit einem vorteilhaft kleinen Ladestrom von ca. 0,73 C erfolgen. An einer üblichen, mit 16 Ampere abgesicherten 230 Volt-Haushaltssteckdose ist eine Ladeleistung von 3,6 kW möglich, was einer noch akzeptablen Ladezeit von etwas über 2 Stunden bei einem Ladestrom von unter 0,25 C entspricht.Next allows the preferred limitation of the charging and discharging the battery 34 to 1.5 C, a design of the charging electronics to a continuous power of about 22 kW, which at a mains charge of the battery 34 can be discharged from a protected with 32 amps three-phase power outlet in 3 · 230 V network, which allows fast charging of a fully discharged battery in just over 20 minutes. On a conventional "household three-phase socket" protected with 16 amperes, the charging time would be at a maximum of 11 kW in twice the time and with an advantageously small charging current of about 0.73 C. On a conventional, protected with 16 amp 230 volt household socket charging power of 3.6 kW is possible, which corresponds to an even acceptable charging time of just over 2 hours at a charging current of less than 0.25 C.

Im Gegensatz zu üblichen Hybridfahrzeugen betragen die typischen Be- und Entladeströme der Batterie 34 im normalen Fahrbetrieb des Fahrzeugs bevorzugt 5 kW bis 10 kW und bevorzugt höchstens 20 kW entsprechend 1/3 bis maximal 4/3 C, wodurch der Laderegler stets in einem Bereich guter Energieeffizienz arbeiten kann. Sollte durch eine extreme Leistungsanforderung kurzfristig eine höhere Entladeleistung von z. B. 30 kW gewünscht sein, kann diese Spitzenleistung üblicher Weise für einige Sekunden durch eine auf 22 kW ausgelegte Ladeelektronik übernommen werden.In contrast to conventional hybrid vehicles, the typical charging and discharging currents of the battery 34 in the normal driving mode of the vehicle preferably 5 kW to 10 kW and preferably at most 20 kW, corresponding to 1/3 to a maximum of 4/3 C, whereby the charge controller can always work in a range of good energy efficiency. Should an extreme power requirement in the short term, a higher discharge of z. B. 30 kW may be desired, this peak power usually way for a few seconds by a designed to 22 kW charging electronics are taken.

Eine durch die vorteilhafte Dimensionierung der Batterie 34, ermöglichte Begrenzung der Be- und Entladeleistung auf – mit Ausnahme kurzzeitiger Leistungsspitzen – 22 kW ermöglicht weiter eine Auslegung der Batteriespannung auf bzw. knapp unterhalb von 100 bzw. 120 Volt. Dies ermöglicht eine berührspannungssichere Auslegung der Batterie 34, wodurch diese bei abgestelltem Fahrzeug nicht vollständig vom Bordnetz getrennt werden muss, was wiederum die Nutzung der Batterie 34 auch für die Versorgung der Niedervolt-Verbraucher des 12 Volt-Bordnetzes ermöglicht, wodurch eine separate Niedervolt-Bordnetzbatterie vorteilhaft entfallen kann. Weiter wird es ohne besondere Sicherheitseinrichtungen möglich, die Batterie 34 auch bei abgestelltem Fahrzeug zur Aufrechterhaltung eines für diesen Zustand für optimal erachteten SOCs des Elektroschwungrads 43 zu nutzen bzw. bei hohem SOC des Elektroschwungrades 43 nach Abstellen des Fahrzeuges einen Teil der Energie des Schwungrades 43 in die Batterie 34 zu laden und die Verluste des Elektroschwungrades 43 bei abgestelltem Fahrzeug damit zu minimieren. Zugleich sinkt der notwendige Aufwand für die Sicherstellung der elektrischen Sicherheit gegen Personenschäden erheblich.One by the advantageous dimensioning of the battery 34 , allowed limiting the charging and discharging power on - with the exception of short-term power peaks - 22 kW allows further interpretation of the battery voltage at or just below 100 or 120 volts. This allows a berührspannungssicherere design of the battery 34 , so that when the vehicle is not completely disconnected from the electrical system, which in turn requires the use of the battery 34 also allows for the supply of low-voltage consumers of the 12-volt electrical system, whereby a separate low-voltage electrical system battery can be advantageously eliminated. Further it becomes possible without special safety devices, the battery 34 even when the vehicle is parked to maintain an optimal for this state SOCs of the electric flywheel 43 to use or at high SOC of the electric flywheel 43 after switching off the vehicle part of the energy of the flywheel 43 in the battery 34 to charge and the losses of the electric flywheel 43 minimize it when the vehicle is parked. At the same time the necessary effort to ensure the electrical safety against personal injury decreases considerably.

Weiter können bei Bedarf auch die elektrischen Leitungen 64, 66, 68, 72 und 84 auf eine berührsichere Gleichspannung ausgelegt werden, da hier mit Ausnahme der elektrischen Leitungen 66 zu den Radnabenmotoren 45 der Vorderachse ebenfalls Leistungen von maximal 25 kW zu übertragen sind. Die Radnabenmotoren 45 der Vorderachse weisen zwar mit bis zu 50 kW eine höhere maximale Leistung auf, jedoch sind hier bei einer Anordnung des Elektroschwungrades 43 im Bereich der Vorderachse die notwendigen Leitungslängen sehr gering. Es ist damit möglich, nicht-berührsichere Spannungen im Antriebs-Stromnetz des Fahrzeugs bei Bedarf weitgehend oder vollständig auf die den einzelnen Elektromaschinen 26, 40, 44 zugeordnete Ansteuerungseinrichtungen und die Ladeelektronik der Batterie 34 zu begrenzen, sofern diese Einrichtungen in unmittelbarer Nähe zu den betreffenden Elektromaschinen 26, 40, 44 bzw. der Batterie 34 angeordnet werden. Auch dies ermöglicht eine wesentliche Verringerung des notwendigen Aufwandes zur Verhütung von Personenschäden.Further, if necessary, the electrical lines 64 . 66 . 68 . 72 and 84 be designed for a safe to touch DC voltage, as here except for the electrical lines 66 to the wheel hub motors 45 the front axle can also be transmitted power of up to 25 kW. The wheel hub motors 45 Although the front axle with up to 50 kW have a higher maximum power, but here are in an arrangement of the electric flywheel 43 In the area of the front axle, the necessary cable lengths are very low. It is thus possible, non-contact safe voltages in the drive power system of the vehicle when needed largely or completely on the individual electric machines 26 . 40 . 44 associated control devices and the charging electronics of the battery 34 provided these facilities are in close proximity to the relevant electrical machines 26 . 40 . 44 or the battery 34 to be ordered. This also allows a substantial reduction of the necessary effort to prevent personal injury.

Die Temperierung der Batterie 34 stellt bei Hybridfahrzeugen häufig ein Problem dar, da Lithium-Ionenzellen in einem recht engen optimalen Temperaturfenster von zumeist ca. 15–25°C mit optimaler Effizienz und minimaler Alterung betrieben werden können. Temperaturen oberhalb von ca. 60°C und unterhalb von ca. 0°C sollen im Betrieb unbedingt vermieden werden, da sie zu einer raschen Alterung und/oder zu geringen bereitstellbaren Leistungen führen. Im Betrieb ist eine Erwärmung der Batterie 34 durch den Innenwiderstand und die daran entstehende Verlustleistung nicht zu vermeiden. Die Verlustleistung hängt allerdings stark vom fließenden Strom ab. Aufgrund der relativ geringen und gleichmäßigen Be- und Entladeströme gestaltet sich die Temperierung der Batterie 34 daher bei einer erfindungsgemäßen Auslegung des Antriebs vergleichsweise wenig kritisch, was eine erhebliche Reduzierung des dafür notwendigen Aufwandes ermöglicht. Daher kann hier auf Peltierelemente zurückgegriffen werden, die wahlweise zur Kühlung und zur Beheizung der Batterie verwendet werden können.The temperature of the battery 34 is a problem in hybrid vehicles often because Lithium ion cells can be operated in a fairly narrow optimal temperature window of mostly about 15-25 ° C with optimum efficiency and minimal aging. Temperatures above approx. 60 ° C and below approx. 0 ° C should be avoided during operation, as they lead to rapid aging and / or too low deliverable performances. In operation is a heating of the battery 34 can not be avoided by the internal resistance and the resulting power loss. The power loss, however, depends strongly on the flowing current. Due to the relatively low and uniform charging and discharging the temperature of the battery designed 34 Therefore, in a design according to the invention of the drive comparatively little critical, which allows a considerable reduction of the necessary effort. Therefore, it can be used here on Peltier elements that can be used either for cooling and heating of the battery.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Dimensionierung und Verteilung der Leistung der Radnabenmotoren 45. Damit können die Vorderräder unabhängig von einander mit jeweils 50 kW und die Hinterräder unabhängig von einander mit jeweils 20 kW beschleunigt oder abgebremst werden. Die mögliche Verzögerung eines radgetriebenen Kraftfahrzeugs ist aufgrund des Haftreibungskoeffizienten zwischen Gummi und trockenem Asphalt physikalisch auf ca. 0,8 G begrenzt. Bei einer starken Bremsung mit 0,6 g und einem Fahrzeuggesamtgewicht von 1200 kg kann demnach -bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/h vollständig rekuperativ gebremst werden. Sind die Radnabenmotoren 45 auf eine Dauerlast von 50 bzw. 20 kW und auf eine kurzzeitig mögliche Spitzenleistung von jeweils 150% ausgelegt, kann das Fahrzeug bei einem Gesamtgewicht von 1200 kg alleine durch die Radnabenmotoren 45 aus einer Geschwindigkeit von ca. 107 km/h mit 0,6 G und aus einer Geschwindigkeit von 80 km/h mit 0,8 G verzögert werden, sofern die erzeugte elektrische Energie von ca. 210 kW in der Spitze abgeführt werden kann. Dies ist beispielsweise durch eine Beaufschlagung der hinteren Radnabenmotoren 45 durch ein der Drehrichtung entgegengesetztes Drehmoment bei gleichzeitiger maximaler Ladung des Schwungrades und der Batterie möglich.Another advantage results from the dimensioning and distribution of the performance of the wheel hub motors 45 , Thus, the front wheels can be independently accelerated or decelerated with each 50 kW and the rear wheels independently of each other with 20 kW each. The potential deceleration of a wheel-driven motor vehicle is physically limited to approximately 0.8 G due to the static friction coefficient between rubber and dry asphalt. With a heavy braking with 0.6 g and a total vehicle weight of 1200 kg can be braked completely recuperative up to a speed of about 70 km / h. Are the wheel hub motors 45 designed for a continuous load of 50 or 20 kW and a short-term peak performance of 150%, the vehicle can with a total weight of 1200 kg alone by the wheel hub motors 45 From a speed of about 107 km / h with 0.6 G and from a speed of 80 km / h with 0.8 G are delayed, provided that the generated electrical energy of about 210 kW can be dissipated in the top. This is, for example, by loading the rear wheel hub motors 45 by a torque opposite to the direction of rotation with simultaneous maximum charge of the flywheel and the battery possible.

Bei einer maximalen Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs von 160 bzw. 180 bzw. 200 km/h übersteigt die maximale Bremsleistung jedoch die Leistung der Radnabenmotoren 45 weshalb auf eine weitere Bremse nicht verzichtet werden kann. Die gute Steuerungsfähigkeit der durch die Radnabenmotoren 45 aufgebrachten Drehmomente erlaubt es jedoch, die Funktionen eines Antiblockiersystems, eines elektronischen Stabilitätsprogramms, einer Schlupfregelung und weiterer fahrdynamisch wirksamer Assistenzsysteme in die Steuerung des Antriebsstranges zu integrieren und die weitere Bremse relativ leistungsschwach, einfach und für geringe Gesamtbremsleistungen über deren Lebensdauer und damit leicht, klein und kostengünstig auszubilden. Gegebenenfalls kann auf eine zusätzliche Bremse für die Hinterräder vollständig verzichtet werden. Die weitere Bremse ist bevorzugt eine übliche Reibungsbremse, insbesondere eine klein dimensionierte Scheibenbremse, die auch zur Abbremsung des Fahrzeugs aus sehr niedrigen Geschwindigkeiten bis zum Stillstand und als Feststellbremse genutzt werden kann.However, with a maximum vehicle top speed of 160, 180 or 200 km / h, the maximum braking power exceeds the performance of the wheel hub motors 45 why can not be dispensed with another brake. The good control capability of the wheel hub motors 45 applied torques allows, however, to integrate the functions of an antilock braking system, an electronic stability program, a slip control and other dynamic driving assistance systems in the control of the drive train and the other brake relatively low power, easy and low overall braking performance over the life and thus light, small and to train cost-effectively. Optionally, can be completely dispensed with an additional brake for the rear wheels. The further brake is preferably a conventional friction brake, in particular a small-sized disc brake, which can also be used to decelerate the vehicle from very low speeds to a stop and as a parking brake.

Das vorgestellte Antriebskonzept zeichnet sich durch eine sehr hohe Designfreiheit aus, da die wesentlichen Komponenten Stromaggregat 15, Elektroschwungrad 43 und Batterie 34 nahezu beliebig im Fahrzeug platziert werden können.The proposed drive concept is characterized by a very high degree of design freedom, since the essential components are power generator 15 , Electric flywheel 43 and battery 34 can be placed almost anywhere in the vehicle.

Gemäß einer Weiterbildung des Antriebskonzeptes kann vorgesehen sein, dass das Stromaggregat 15 ggf. mit oder ohne den Tank 20 und nicht gezeigte Komponenten, insbesondere die Steuerung des Stromaggregats 15 und dessen Abgasanlage, als Modul ausgebildet wird, das bevorzugt als Ganzes aus dem Fahrzeug entnehmbar ist. Auf diese Weise kann das Gewicht des Fahrzeugs auf Wunsch um das Gewicht der genannten Komponenten verringert werden, sofern die Batteriekapazität für die geplanten Fahrten für ausreichend angesehen wird.According to a development of the drive concept can be provided that the generator 15 if necessary with or without the tank 20 and not shown components, in particular the control of the generator 15 and its exhaust system, is designed as a module, which is preferably removed as a whole from the vehicle. In this way, if desired, the weight of the vehicle can be reduced by the weight of said components, as long as the battery capacity for the planned journeys is considered sufficient.

Der durch die Entnahme des Stromaggregat-Moduls frei werdende Platz kann beispielsweise durch Vorsehen eines entsprechenden Einsatzes als weiterer Gepäckraum zur Verfügung gestellt werden oder es kann bei Bedarf eine weitere Batterie zur Erhöhung der lokal emissionslosen Reichweite eingebaut werden.The freed by the removal of the generator module space can be made available, for example, by providing a corresponding insert as a further luggage space or it can be installed if required, another battery to increase the local emission-free range.

Ein ausgebautes Stromaggregat-Modul kann, ggf. durch Einbau in ein Stand-alone-Modul, das nicht aus dem Fahrzeug entnommene Komponenten wie eine Steuerungseinrichtung, einen Kraftstofftank und/oder eine Abgasanlage umfasst, als mobiles Stromaggregat betrieben werden. Sofern dieses mobile Stromaggregat durch einen Netzbetreiber gesteuert werden kann, kann es beispielsweise dafür genutzt werden, um Leistungsspitzen abzudecken bzw. Regelenergie zur Verfügung zu stellen. Gerade bei Fahrzeugen, die zumindest während der Woche weit überwiegend für die Fahrt zur Arbeit und andere relativ kurze Strecken eingesetzt werden, kann das Stromaggregat 15 so einer sinnvollen Zweitnutzung zugeführt werden. Selbstverständlich ist es hierfür sinnvoll, das Stromaggregat-Modul und ggf. ein an dessen Stelle einbaubares Batteriemodul so auszugestalten, dass es vom Nutzer ohne besondere Kenntnisse in kurzer Zeit ein- und ausgebaut und ggf. in ein Stand-Alone-Modul eingebaut werden kann, wofür es bevorzugt als gekapselte Einheit mit Schnellverbindungen für Frischluft, Abgas, Kraftstoff, elektrische Energie und Steuerungssignale ausgebildet wird.A developed generator module can, if necessary, by installation in a stand-alone module that includes not removed from the vehicle components such as a control device, a fuel tank and / or an exhaust system, operated as a mobile power generator. If this mobile generator set can be controlled by a network operator, it can be used, for example, to cover power peaks or to provide control energy. Especially with vehicles that are used at least during the week, mostly for the trip to work and other relatively short distances, the generator set 15 be supplied to such a meaningful secondary use. Of course, it makes sense for this purpose, the power pack module and possibly a built-in battery module in such a way that it can be installed and removed by the user without special knowledge in a short time and possibly installed in a stand-alone module, for which it is preferred as an encapsulated unit with Quick connections for fresh air, exhaust gas, fuel, electrical energy and control signals is formed.

Wird das Fahrzeug mittels des externen Ladeports 38 an ein externes Stromnetz angeschlossen und kann der Netzbetreiber bei Bedarf, insbesondere zum Ausgleich kurzfristiger Leistungsspitzen eine Einspeisung elektrischer Leistung aus dem Fahrzeug in das Stromnetz anfordern, können bis zu ca. 22 KW durch das Stromaggregat 15 und/oder die Batterie 34 bereitgestellt werden. Ist die Laderegelung entsprechend ausgelegt, ist zudem unter Einbeziehung der Batterie 34, des Elektroschwungrades 43 und/oder des Stromaggregates 15 die kurzfristige Bereitstellung von höheren Leistungen möglich.If the vehicle is using the external charging port 38 connected to an external power grid and the network operator can, if necessary, in particular to compensate for short-term power peaks request a feed of electrical power from the vehicle into the power grid, up to about 22 KW through the generator 15 and / or the battery 34 to be provided. If the charge control is designed accordingly, it is also involving the battery 34 , the electric flywheel 43 and / or the generator 15 the short-term provision of higher benefits possible.

Es hat sich gezeigt, dass das beschriebene Antriebskonzept in vorteilhafter weise ergänzt werden kann durch ein Anzeigekonzept, das im Folgenden näher beschrieben wird.It has been shown that the described drive concept can be advantageously supplemented by a display concept which will be described in more detail below.

Das vorgestellte Antriebskonzept vermittelt einem Fahrer den Eindruck, dass das Fahrzeug zu jeder Zeit über eine Antriebsleistung von wenigstens ca. 115 KW, bei Betrieb des Stromaggregats 15 sogar über 140 kW Leistung verfügt. Es sind jedoch Situationen denkbar, in denen das Elektroschwungrad 43, das mit ca. 100 kW den größten Teil der Maximalleistung bereitstellt, während der Fahrt so weit entladen wird, dass es keine Antriebsleistung mehr abgeben kann, wodurch die maximal bereitstellbare Antriebsleistung für den Fahrer unvorhergesehen und stark auf maximal ca. 35 kW–45 kW abnehmen kann. Da das Elektroschwungrad 43 bis zur nahezu vollständigen Entladung im Wesentlichen die volle Leistung abgeben kann, kann ein für den Fahrer überraschender Leistungseinbruch zu gefährlichen Situationen, beispielsweise während eines Überholvorgangs führen.The proposed drive concept gives a driver the impression that the vehicle at any time on a drive power of at least about 115 KW, when operating the generator 15 even has over 140 kW of power. However, situations are conceivable in which the electric flywheel 43 , which provides about 100 kW most of the maximum power, while driving is discharged so far that it can no longer deliver drive power, whereby the maximum providable drive power for the driver unforeseen and strong to a maximum of about 35 kW-45 kW can lose weight. Because the electric flywheel 43 can deliver substantially full power to almost complete discharge, a surprising for the driver power sink into dangerous situations, for example, during an overtaking process.

Zur Abmilderung des Einbruchs der Antriebsleistung ist es sinnvoll, den Leistungsübergang bei weitgehender Entladung des Elektroschwungrades 43 durch eine zunehmende Begrenzung der durch das Elektroschwungrad 43 abgebbaren Leistung weniger abrupt zu gestalten, wobei eine Anforderung maximaler Leistung, beispielsweise durch einen Kickdown des Fahrpedals, ggf. hiervon ausgenommen werden kann. Weiter ist es sinnvoll, die kurzzeitig mögliche Entladungsleistung der Batterie 34 nach Möglichkeit auf z. B. 30 kW, entsprechend 2 C anzuheben, sofern die aktuellen Batterieparameter und die Auslegung der Batterieelektronik dies gestatten. Diese Anhebung der Entladungsleistung der Batterie 34 kann bevorzugt bereits bei einem SOC des Elektroschwungrades 43 von z. B. 20% einsetzen, um einen Leistungseinbruch hinauszuzögern und nach Möglichkeit ganz zu vermeiden.To mitigate the collapse of the drive power, it makes sense, the power transfer with substantial discharge of the electric flywheel 43 by an increasing limitation of the electric flywheel 43 deliverable power to make less abrupt, with a request for maximum power, for example, by a kickdown of the accelerator pedal, if necessary, can be exempted from this. Furthermore, it makes sense, the short-term possible discharge power of the battery 34 if possible on z. B. 30 kW, corresponding to 2 C increase, if the current battery parameters and the design of the battery electronics allow this. This increase in the discharge power of the battery 34 may be preferred already at a SOC of the electric flywheel 43 from Z. For example, use 20% to delay a performance dip and avoid it altogether if possible.

Fährt das Fahrzeug jedoch über eine längere Strecke mit einer Geschwindigkeit; die deutlich über der Dauerhöchstgeschwindigkeit liegt oder wird aus anderen Gründen, beispielsweise bei einer Passfahrt mit langen Steigungen oder im Zugbetrieb mit einem Anhänger über einen längeren Zeitraum eine Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb der Nebenaggregate abgerufen, die über der Leistung des Stromaggregates 15 von hier 25 kW zuzüglich der hier mit maximal 15 kW angenommenen, normalen Entladeleistung der Batterie 34 liegt, wird das Elektroschwungrad 43 kontinuierlich entladen. Wird der Fahrer hierüber nicht durch eine leicht verständliche und unmittelbar wahrnehmbare Information unterrichtet, kann es insbesondere bei Überholvorgängen zu gefährlichen Situationen kommen, die unbedingt vermieden werden sollen. Es besteht daher ein Bedarf nach einer einfachen und klaren Anzeige des Ladegrades des Elektroschwungrades 43 in Form einer Anzeige der momentan und in naher Zukunft voraussichtlich abrufbaren Fahrleistungen.However, drives the vehicle over a longer distance at a speed; which is well above the maximum continuous speed or is for other reasons, for example, in a long-haul driving or pulling a trailer over a longer period, a power for driving the vehicle and the operation of the ancillary units retrieved, which is above the power of the generator 15 from here 25 kW plus the maximum discharge power of the battery assumed here with a maximum of 15 kW 34 is, the electric flywheel 43 continuously discharged. If the driver is not informed about this by easily understandable and directly perceptible information, dangerous situations may arise in particular during overtaking, which must be avoided at all costs. There is therefore a need for a simple and clear indication of the charging level of the electric flywheel 43 in the form of a display of current and expected near-term performance.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Vorschlägen für die Anzeige eines verfügbaren Energiegehaltes in Elektro- und Hybridfahrzeugen bekannt, die sich jedoch auf den Energiegehalt einer Traktionsbatterie beziehen, die entweder als prozentualer Wert des maximalen absoluten oder nutzbaren SOCs, als absoluter Wert einer aus der Batterie abrufbaren elektrischen Energiemenge oder als mit dieser Energiemenge voraussichtlich zurücklegbare Fahrstrecke angezeigt werden. Ziel dieser Anzeigen ist eine Information über den Energiegehalt der Batterie und damit. eine verbesserte Planbarkeit von Netzladungen und ein Schutz vor sogenannten Liegenbleibern durch entladene Traktionsbatterien.From the prior art, a variety of proposals for displaying an available energy content in electric and hybrid vehicles are known, but which relate to the energy content of a traction battery, either as a percentage of the maximum absolute or usable SOCs, as the absolute value of a the battery retrievable amount of electrical energy or as expected to be covered with this amount of energy route. The aim of these displays is information about the energy content of the battery and thus. Improved planning of network charges and protection against so-called Luggages by discharged traction batteries.

Das hier vorgestellte Anzeigekonzept zielt dagegen auf eine Information des Fahrers, die es ihm erlaubt, die kurzfristig für den Fahrzeugantrieb abrufbare Leistung bzw. Arbeit auf möglichst leicht verständliche und intuitive Weise abzuschätzen, um einen plötzlichen und unvorhergesehenen, vorübergehenden Einbruch der verfügbaren Antriebsleistung vermeiden zu können.The display concept presented here, on the other hand, aims at informing the driver that allows him to assess the performance or work that can be called up for the vehicle drive in the shortest possible and intuitive manner in order to avoid a sudden and unforeseen, temporary collapse of the available drive power ,

Ohne eine derartige Anzeige könnte es zu Situationen kommen, in denen ein Fahrer im Vertrauen auf die üblicher Weise zur Verfügung stehende maximale Antriebsleistung des Fahrzeugs von z. B. 140 KW beispielsweise zu einem Überholmanöver ansetzt, das jedoch nur gefahrlos ausgeführt werden kann, wenn die Antriebsleistung nicht für den Fahrer unvorhergesehen auf die Leistung des Stromaggregates 15 und der aus der Batterie 34 entnehmbaren, für den Antrieb verfügbaren Leistung von in diesem Beispiel zusammen ca. 40 kW–45 KW einbricht.Without such an indication, there could be situations in which a driver, relying on the usual available maximum drive power of the vehicle of e.g. B. 140 KW attaches, for example, to an overtaking maneuver, which, however, can only be performed safely when the drive power not for the driver unforeseen on the performance of the generator 15 and the one out of the battery 34 Removable, available for the drive power of about 40 kW-45 KW breaks down in this example together.

Ein bevorzugtes Anzeigekonzept wird im Folgenden anhand von 4 erläutert.A preferred display concept is described below with reference to 4 explained.

In 4 ist eine Geschwindigkeitsanzeigeeinheit 100 dargestellt, die im Folgenden auch kurz als Tachometer bezeichnet wird. Darin ist neben einer Tachonadel 110 auch ein zusätzliches Höchstgeschwindigkeits-Anzeigeelement 130 vorgesehen, auf dem die zu einem gegebenen Zeitpunkt durch das Fahrzeug erreichbare und für eine für eine festgelegte Mindestdistanz aufrecht erhaltbare Höchstgeschwindigkeit dargestellt werden kann. Das Höchstgeschwindigkeits-Anzeigeelement 130 kann aus einem zusätzlichen Zeiger eines als Rundinstrument oder Balkeninstrument ausgebildeten Tachometers 100 oder einer vergleichbaren Anzeige in Form eines segmentweise oder stufenlos optisch veränderbaren Streifens oder Kreis- bzw. Kreisringsegments bestehen. In 4 is a speed display unit 100 shown, which is also referred to below as a tachometer. This is next to a speedometer needle 110 also an additional high-speed indicator 130 provided on which the achievable by the vehicle at a given time and for a sustained for a predetermined minimum distance maximum speed can be displayed. The maximum speed indicator 130 may consist of an additional pointer of a tachometer designed as a round instrument or a bar instrument 100 or a comparable display in the form of a segment-wise or continuously optically changeable strip or circular or circular ring segment.

Das Anzeigeelement 130 stellt im Normalbetrieb einen deutlich sichtbaren Bereich 150 dar, der eine untere Grenze 120 (hier ca. 125 km/h) und eine obere Grenze 140 (hier ca. 175 km/h) hat. Die untere Grenze 120 entspricht der derzeitigen Geschwindigkeit des Fahrzeugs, entsprechend der Tachometeranzeige, und die obere Grenze 140 wird ermittelt durch die kurzfristig erreichbare und für eine vorgegebene Fahrstrecke aufrechterhaltbare Höchstgeschwindigkeit, im folgenden auch kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 genannt.The display element 130 in normal operation provides a clearly visible area 150 which is a lower limit 120 (here about 125 km / h) and an upper limit 140 (here about 175 km / h) has. The lower limit 120 corresponds to the current speed of the vehicle, according to the tachometer gauge, and the upper limit 140 is determined by the short-term achievable and maintainable for a given route maximum speed, in the following also short-term maximum speed 140 called.

Diese vorgegebene Fahrstrecke kann im einfachsten Fall fest vorgegeben sein und beispielsweise 500 m betragen. Bevorzugt kann sie jedoch auch als Funktion der derzeitigen Geschwindigkeit und/oder der erreichbaren Maximalgeschwindigkeit variabel sein. An Stelle der festgelegten Fahrstrecke kann äquivalent eine Zeitspanne vorgegeben werden, über die die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit aufrecht erhalten werden kann.This predetermined route can be fixed in the simplest case and be for example 500 m. Preferably, however, it may also be variable as a function of the current speed and / or the achievable maximum speed. Instead of the specified route, an equivalent period of time can be given, over which the short-term maximum speed can be maintained.

Hierfür wird zumindest die ermittelte oder angenommene Masse des Fahrzeugs, die derzeitige Fahrgeschwindigkeit und der derzeitige nutzbare Energiegehalt des Elektroschwungrades 43 ermittelt. Mit Hilfe von Angaben zu den unter normalen Bedingungen bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten zur Beschleunigung auf eine höhere Geschwindigkeit benötigten Energiemenge und der zur Aufrechterhaltung dieser höheren Fahrgeschwindigkeit über die vorgegebene Fahrstrecke bei konstanter Fahrgeschwindigkeit benötigten Energiemenge, kann die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 ermittelt und angezeigt werden.For this purpose, at least the determined or assumed mass of the vehicle, the current driving speed and the current usable energy content of the electric flywheel 43 determined. With the help of information on the amount of energy required under normal conditions at different speeds to accelerate to a higher speed and to maintain this higher speed over the given distance at a constant speed required amount of energy, the short-term maximum speed 140 determined and displayed.

Die genaue Art der Ermittlung kann durch den Fachmann bei Vorliegen der genannten Eingangsdaten leicht auf unterschiedliche Arten festgelegt werden, wobei im einfachsten Fall auf ein zuvor erstelltes mehrdimensionales Kennfeld zurückgegriffen werden kann. Alternativ ist auch eine arithmetische Berechnung, ggf. mit das gewünschten Verhältnis zwischen Aufwand und Genauigkeit berücksichtigenden Vereinfachungen, möglich.The exact nature of the determination can be easily determined by the skilled person in the presence of said input data in different ways, in the simplest case, a previously created multi-dimensional map can be used. Alternatively, it is also possible to perform an arithmetic calculation, possibly with the desired relationship between expenditure and accuracy taking into account simplifications.

Ausgehend von der vorstehend vorgestellten Grundvariante sind eine Vielzahl von Abwandlungen und Weiterbildungen zur Verbesserung der Genauigkeit möglich, deren wichtigste im Folgenden dargestellt werden sollen:
Abwandlungen bzw. Erweiterungen zur Erhöhung der Genauigkeit:

  • – Berücksichtigung der möglichen Leistungsabgabe der Batterie 34, wobei vorteilhaft beispielsweise der SOC, SOH und Temperatur der Batterie 34 und ggf. der Bedarf an nicht für den Antrieb verwendeter elektrischer Leistung für z. B. Innenraumklimatisierung, Heizungen und weitere Verbraucher berücksichtigt werden können.
  • – Genauere Ermittlung der tatsächlichen Masse des Fahrzeugs, beispielsweise durch Beladungssensoren, aus fahrdynamischen Daten, etc.
  • – Genauere Ermittlung der für die Beschleunigung auf die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 benötigten Energie und der zur Aufrechterhaltung dieser Geschwindigkeit über die vorgegebenen Strecke notwendigen Energie durch Berücksichtigung von ermittelten, übermittelten, abgeschätzten oder angenommenen Werten für den Luftwiderstand, wobei beispielsweise das Vorhandensein von Dachkoffern, Dachgepäckträgern oder Anhängern berücksichtigt werden kann, durch Berücksichtigung der Windrichtung und -Geschwindigkeit, der Berücksichtigung von relevanten Eigenschaften der derzeitigen und/oder voraus liegenden Fahrstrecke und insbesondere deren Steigung, die beispielsweise aus einem Navigationssystem bekannt sein können.
  • – Variable Vorgabe der festgelegten Fahrstrecke, über die die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 aufrecht erhalten werden kann.
  • – Variable Vorgabe eines Sicherheitspuffers, beispielsweise über eine feste oder variable, rechnerische Verringerung der zu Grunde gelegten, im Schwungrad 42 verfügbaren Energiemenge, durch eine Verringerung der ermittelten kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 um einen festen oder variablen, absoluten oder prozentualen Wert, und/oder durch entsprechende Sicherheits-Faktoren bei der Ermittlung der in die Ermittlung eingehenden Parameter.
  • – Berücksichtigung der Möglichkeit, zurzeit nicht für den Fahrzeugantrieb genutzte Energie zur Verfügung zu stellen, indem beispielsweise nicht zwingend erforderliche, leistungsstarke Verbraucher, insbesondere Heiz- und Klimatisierungseinrichtungen vorübergehend abgeschaltet werden.
Starting from the basic variant presented above, a large number of modifications and developments are possible for improving the accuracy, the most important of which are to be represented below:
Modifications or extensions to increase the accuracy:
  • - Consideration of the possible power output of the battery 34 , wherein, for example, advantageously the SOC, SOH and temperature of the battery 34 and possibly the need for not used for the drive electrical power for z. As interior air conditioning, heaters and other consumers can be considered.
  • - More accurate determination of the actual mass of the vehicle, for example by load sensors, from driving dynamics data, etc.
  • - More precise determination of the acceleration to the short-term maximum speed 140 energy required and the energy required to maintain that speed over the given distance by taking into account detected, transmitted, estimated or assumed values for air resistance, taking into account, for example, the presence of roof boxes, roof racks or trailers, taking into account the wind direction and speed , the consideration of relevant characteristics of the current and / or preceding route and in particular their slope, which may be known for example from a navigation system.
  • - Variable specification of the specified route over which the short-term maximum speed 140 can be maintained.
  • - Variable specification of a safety buffer, for example, via a fixed or variable, computational reduction of the underlying, in the flywheel 42 amount of energy available, by reducing the short-term 140 by a fixed or variable, absolute or percentage value, and / or by appropriate safety factors in determining the parameters involved in the determination.
  • - taking into account the possibility of not providing energy currently used for vehicle propulsion, for example by temporarily switching off non-essential, high-performance consumers, in particular heating and air conditioning equipment.

Abwandlungen und Erweiterungen zur Verbesserung der Darstellung der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140:

  • – Grundsätzlich ist es sinnvoll, die mögliche maximale Anzeige der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 auf die durch das Fahrzeug durch konstruktive Festlegung absolut erreichbare Höchstgeschwindigkeit zu begrenzen.
  • – Weiter ist es sinnvoll, die Wahrnehmbarkeit bzw. Auffälligkeit der Anzeige der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 veränderbar zu gestalten, indem beispielsweise bei einer Differenz zwischen der derzeitigen Fahrgeschwindigkeit und der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit unterhalb eines ersten Grenzwertes die Helligkeit, die Farbe oder der Kontrast der Anzeige erhöht wird und/oder der Fahrer durch optische, akustische und/oder haptische Signale darauf aufmerksam gemacht wird, dass er sich einem Grenzbereich nähert, in dem ein plötzliches Absinken der Antriebsleistung eintreten könnte. Selbstverständlich können auch mehrere Grenzwerte mit abgestuften Graden der Wahrnehmbarkeit oder der Dringlichkeit von Warnsignalen definiert werden und diese Grenzwerte fest vorgegeben oder in Abhängigkeit weiterer Größen variabel vorgegeben werden.
  • – Die Anzeige der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 könnte bei Überschreitung eines festen oder variablen Grenzwertes der Differenz zwischen derzeitiger Fahrgeschwindigkeit und der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 abgeschaltet werden, da sie für den Fahrer in diesem Fall nur einen geringen Informationswert für sein Fahrverhalten besitzt. Beispielsweise könnte die Anzeige der kurzfristig erreichbaren Höchstgeschwindigkeit 140 erst dann aktiviert werden, wenn diese weniger als 50 km/h über der derzeitigen Fahrgeschwindigkeit liegt. Sobald die Differenz zwischen derzeitiger Fahrgeschwindigkeit 120 und kurzfristig erreichbarer Höchstgeschwindigkeit 140 weniger als 40 km/h beträgt, könnte die Anzeige von z. B. grün auf z. B. gelb, bei Unterschreitung einer Differenz von 30 km/h auf rot wechseln und bei Unterschreitung einer Differenz von 20 km/h zusätzlich blinken und/oder eine akustische Warnung ausgegeben werden. Eine Hysteresefunktion ist zur Vermeidung einer schnellen und wiederholten Umschaltung der Anzeige sinnvoll.
Modifications and enhancements to improve the presentation of the short-term maximum speed 140 :
  • - Basically, it makes sense the maximum possible indication of the short-term maximum speed 140 to limit to the maximum achievable by the vehicle by constructive determination maximum speed.
  • - It also makes sense, the visibility or conspicuousness of the display of the short-term maximum speed 140 For example, at a difference between the current vehicle speed and the short-term maximum speed below a first limit value, the brightness, the color or the contrast of the display is increased and / or the driver is alerted by optical, acoustic and / or haptic signals is approaching a boundary where a sudden drop in drive power could occur. It goes without saying that a plurality of limit values can also be defined with graded degrees of perceptibility or the urgency of warning signals and these limit values can be fixed or specified variably as a function of further variables.
  • - The display of the short-term maximum speed 140 could exceed a fixed or variable limit of the difference between the current driving speed and the short-term maximum speed 140 be switched off because it has only a small information value for the driver in this case for the driver. For example, the display of the short-term achievable maximum speed 140 activated only if it is less than 50 km / h above the current driving speed. Once the difference between current driving speed 120 and short-term maximum speed 140 less than 40 km / h, the display of z. B. green on z. B. yellow, when falling below a difference of 30 km / h to red and fall falls below a difference of 20 km / h additionally flashing and / or an audible warning. A hysteresis function is useful to avoid a quick and repeated switching of the display.

Schließlich ist selbstverständlich eine Personalisierung der Anzeige möglich, bei der die Art der Anzeige, die Höhen der Grenzwerte und ggf. weitere Parameter entweder durch einen Servicetechniker, durch den Fahrer, über eine Auswertung des Fahrverhaltens des Fahrers oder durch Wahl zwischen bestimmten Voreinstellungen, beispielsweise ”ökonomisch” oder „sportlich” gewählt bzw. veränderbar eingestellt bzw. vorgegeben werden können.Finally, of course, a personalization of the display is possible, in which the type of display, the heights of the limits and possibly other parameters either by a service technician, by the driver, an evaluation of the driving behavior of the driver or by choosing between certain preferences, such as " economically "or" athletically "can be selected or changed set or specified.

4 zeigt den Tachometer 100 mit einem innerhalb der Skala des Tachometers 100 angeordneten Höchstgeschwindigkeits-Anzeigeelement 130 zur Anzeige der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140. Der mögliche Anzeigebereich des Anzeigeelementes 130 kann – wie hier dargestellt – erst bei einer Position der Tachometerskala beginnen, bei der in der Praxis ein Auftreten eines Leistungseinbruchs durch ein entladenes Elektroschwungrad unter normalen Bedingungen für möglich gehalten wird, hier ab einer Fahrgeschwindigkeit von 90 km/h. Der mögliche Anzeigebereich des Anzeigeelementes 130 kann vorteilhaft auf die konstruktiv festgelegte, absolute Höchstgeschwindigkeit, hier ca. 199 km/h begrenzt werden. 4 shows the speedometer 100 with one within the scale of the speedometer 100 arranged maximum speed indicator 130 to display the short-term maximum speed 140 , The possible display area of the display element 130 can - as shown here - only begin at a position of the tachometer scale, where in practice an occurrence of a power dip by a discharged electric flywheel is considered possible under normal conditions, here from a driving speed of 90 km / h. The possible display area of the display element 130 can advantageously be limited to the constructively specified, absolute maximum speed, here about 199 km / h.

Der Tachometer 100 ist vereinfacht dargestellt und kann selbstverständlich wie üblich weitere Anzeigen, Kontrollleuchten etc. beinhalten und als physikalisches Instrument oder als Darstellung eines Instrumentes auf einem Display ausgeführt sein und von einer Kreisform abweichende Gestalten aufweisen. Das Anzeigeelement 130 kann wie hier dargestellt im Innern des Tachometers 100, aber auch räumlich benachbart zu diesem vorgesehen werden.The speedometer 100 is shown in simplified form and can, of course, as usual, other displays, indicator lights, etc. include and be designed as a physical instrument or as a representation of an instrument on a display and have a shape deviating from a circular shape. The display element 130 can be as shown inside the speedometer 100 , but also be provided spatially adjacent to this.

Im hier dargestellten Beispiel beträgt die momentane Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs 125 km/h, was hier durch die Tachonadel 110 angezeigt wird. Statt der Tachonadel 110 können selbstverständlich auch andere geeignete Mittel verwendet werden. Entsprechend beginnt der für den Fahrer sichtbare bzw. optisch hervorgehobene Bereich des Anzeigeelements 130 bei einer der gezeigten Stellung der Tachonadel 110 entsprechenden Position und erstreckt sich bis zu einer Position 140, die der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit, jedoch bevorzugt höchstens der absoluten Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs, entspricht.In the example shown here, the current driving speed of the vehicle is 125 km / h, what here by the Tachonadel 110 is shown. Instead of the speedometer needle 110 Of course, other suitable means may be used. Accordingly, the visible to the driver or visually highlighted area of the display element begins 130 at one of the illustrated position of the tachometer needle 110 corresponding position and extends to a position 140 , which corresponds to the short-term maximum speed, but preferably at most the maximum speed limit of the vehicle.

Das Anzeigeelement 130 kann zur Erhöhung der Übersichtlichkeit vollständig abgeschaltet bzw. optisch unauffällig geschaltet werden, wenn der durch das Anzeigeelement 130 darzustellende Geschwindigkeitsbereich einen ggf. von der Fahrgeschwindigkeit abhängigen Grenzwert überschreitet. So kann es sinnvoll sein, die Anzeige 130 zu deaktivieren, wenn die darzustellende kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 mehr als z. B. 50 km/h über der momentanen Fahrgeschwindigkeit liegt, da in diesem Fall eine plötzliche Beschleunigung bis an die Energie- und Leistungsgrenzen des Fahrzeugs unwahrscheinlich ist und eine Aktivierung des Anzeigeelementes 130 in jedem Fall so rechtzeitig erfolgt, dass keine sicherheitsrelevanten Effekte zu befürchten sind. Selbstverständlich kann auch dem Fahrer die Auswahl überlassen werden, ob das Anzeigeelement im Fahrbetrieb dauernd aktiv sein soll. Weiter kann es dem Fahrer ermöglicht werden, die hierfür relevanten Grenzwerte z. B. über ein Bildschirmmenü selbst festzulegen, wobei die Auswahl durch den Hersteller vorteilhaft so begrenzt werden kann, dass die beabsichtigte Warnfunktion in ausreichendem Maße erhalten bleibt.The display element 130 can be completely switched off or visually inconspicuous to increase the clarity when passing through the display element 130 Speed range to be represented exceeds a possibly dependent on the driving speed limit. So it may make sense the ad 130 to turn off when the short-term maximum speed to be displayed 140 more than z. B. 50 km / h above the current driving speed, since in this case, a sudden acceleration to the energy and performance limits of the vehicle is unlikely and activation of the display element 130 In any case, done in such a timely manner that no security-relevant effects are to be feared. Of course, it is also up to the driver to decide whether the display element should be permanently active while driving. Further, it may be possible for the driver, the relevant limit values z. B. via a screen menu set itself, the selection can be advantageously limited by the manufacturer so that the intended warning function is sufficiently maintained.

In 4 ebenfalls nicht dargestellt ist eine Verstärkung der Wahrnehmbarkeit des aktiven Bereiches 150 des Anzeigeelementes 130 in Abhängigkeit von der durch das Anzeigeelement 130 angezeigten Beschleunigungsreserve, also der Differenz zwischen der derzeitigen Fahrgeschwindigkeit und der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit, beispielsweise durch unterschiedliche Farbgebungen, Helligkeiten, Kontraste und/oder zusätzliche optische, akustische und/oder haptische Signale.In 4 also not shown is an increase in the visibility of the active area 150 of the display element 130 depending on the through the display element 130 displayed acceleration reserve, ie the difference between the current driving speed and the short-term maximum speed, for example, by different colors, brightness, contrast and / or additional visual, acoustic and / or haptic signals.

Schließlich sei erwähnt, dass das Anzeigeelement 130 selbstverständlich auf unterschiedliche Arten realisiert werden kann und beispielsweise auf einer Reihe von bei Rundinstrumenten kreisbogenförmig angeordneten LEDs oder anderer Leuchtmittel oder auf mechanischen und beweglichen Blenden basieren kann. Bei einem ohnehin für die Darstellung des Tachometers 100 verwendeten, grafischem Display oder einem innerhalb oder außerhalb des Tachometers 100 benachbart angeordnetem und geeigneten grafischen Display ist die Darstellung des Anzeigeelementes 130 als Teil dieses grafischen Displays bevorzugt.Finally, it should be mentioned that the display element 130 Of course, can be realized in different ways and, for example, based on a number of circular instruments in circular instruments arranged LEDs or other bulbs or on mechanical and movable panels. At one anyway for the representation of the tachometer 100 used, graphical display or inside or outside the tachometer 100 adjacently arranged and suitable graphic display is the representation of the display element 130 preferred as part of this graphical display.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Verbrennungsmotor-ModulEngine module
1111
Erstes Brennstoffzellen-ModulFirst fuel cell module
1212
Zweites Brennstoffzellen-ModulSecond fuel cell module
1313
Hochleistungsenergiespeicher, Schwungrad-ModulHigh performance energy storage, flywheel module
1414
erster chemisch-mechanischer Energiewandler, Verbrennungsmotorfirst chemical-mechanical energy converter, combustion engine
1515
Stromaggregatgenerator
1616
Erste BrennstoffzelleFirst fuel cell
1818
Erste KraftstoffleitungFirst fuel line
2020
Erster TankFirst tank
2222
Zweite KraftstoffleitungSecond fuel line
2424
Zweiter TankSecond tank
2626
Erste ElektromaschineFirst electric machine
2828
Zweite BrennstoffzelleSecond fuel cell
3030
Dritte KraftstoffleitungThird fuel line
3232
Dritter TankThird tank
3434
erster elektrischer Energiespeicher, Batteriefirst electrical energy storage, battery
3636
Erste elektrische LeitungFirst electrical line
3838
Ladeportcharging port
4040
Zweite ElektromaschineSecond electric machine
4242
Schwungradanordnungflywheel assembly
4343
Hochleistungsenergiespeicher, ElektroschwungradHigh performance energy storage, electric flywheel
4444
Dritte Elektromaschine/Antriebs-ElektromaschineThird electric machine / drive electric machine
4545
Radnabenmotorhub motor
4646
Antriebsmittel, Antriebsrad/AntriebsräderDrive means, drive wheel / drive wheels
4848
Erster mechanischer AntriebFirst mechanical drive
5050
Zweiter mechanischer AntriebSecond mechanical drive
5252
Dritter mechanischer AntriebThird mechanical drive
5454
Vierter mechanischer AntriebFourth mechanical drive
5656
Fünfter mechanischer AntriebFifth mechanical drive
5757
Zweite elektrische LeitungSecond electrical line
5858
Dritte elektrische LeitungThird electrical line
6060
Vierte elektrische LeitungFourth electrical line
6262
Siebte elektrische LeitungSeventh electrical line
6464
Fünfte elektrische LeitungFifth electrical line
6666
Achte elektrische LeitungEighth electrical line
6868
Neunte elektrische LeitungNinth electrical line
7070
Zehnte elektrische LeitungTenth electrical line
7272
Sechste elektrische LeitungSixth electrical line
7474
Elfte elektrische LeitungEleventh electrical line
8282
Sechster mechanischer AntriebSixth mechanical drive
8484
Zwölfte elektrische LeitungTwelfth electrical line
100100
Geschwindigkeitsanzeigeeinheit/TachometerSpeed display unit / Tachometer
110110
TachonadelTachonadel
120120
Untere Grenze von 150Lower limit of 150
130130
Höchstgeschwindigkeits-AnzeigeelementSpeed Limit display element
140140
Obere Grenze von 150 bzw. kurzfristige HöchstgeschwindigkeitUpper limit of 150 or short-term maximum speed
150150
Aktiver Anzeigebereich von 130Active display area of 130

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 202007015050 U1 [0014, 0015] DE 202007015050 U1 [0014, 0015]
  • DE 1812480 A1 [0016] DE 1812480 A1 [0016]
  • DE 19718480 A1 [0018] DE 19718480 A1 [0018]

Claims (14)

Antriebsvorrichtung zum Antrieb von Maschinen mit instationärem Leistungsbedarf, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit einem ersten chemisch-mechanischen Energiewandler (14) und/oder einer ersten Brennstoffzelle (16), einem ersten elektrischen Energiespeicher (34) und/oder einer zweiten Brennstoffzelle (28), einem Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) und einem Antriebsmittel (46), wobei – die vorgenannten Komponenten (14 und/oder 16; 34 und/oder 28; 13 bzw. 43) derart gestaltet und angeordnet sind, dass sie das Antriebsmittel (46) mechanisch und/oder elektrisch antreiben können, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) eine Leistung für den Antrieb der Maschine abgeben kann, die um den Faktor 1,5 bis 8, bevorzugt 2 bis 6, besonders bevorzugt 3 bis 5 und am meisten bevorzugt um ca. den Faktor 4 höher ist als die Summe der Leistungen des ersten chemisch-mechanischen Energiewandlers (14) im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich und/oder der ersten Brennstoffzelle (16).Drive device for driving machines with transient power requirements, in particular of motor vehicles, with a first chemical mechanical energy converter ( 14 ) and / or a first fuel cell ( 16 ), a first electrical energy store ( 34 ) and / or a second fuel cell ( 28 ), a high performance energy storage ( 13 respectively. 43 ) and a drive means ( 46 ), wherein - the aforementioned components ( 14 and or 16 ; 34 and or 28 ; 13 respectively. 43 ) are designed and arranged such that they drive the drive means ( 46 ) can drive mechanically and / or electrically, characterized in that - the high-performance energy storage ( 13 respectively. 43 ) can deliver a power for the drive of the machine, which is higher by a factor of 1.5 to 8, preferably 2 to 6, more preferably 3 to 5 and most preferably by about a factor of 4 than the sum of the benefits of the first chemical-mechanical energy converter ( 14 ) in the consumption-optimal operating range and / or the first fuel cell ( 16 ). Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) einen mechanischen Energiespeicher insbesondere in Form einer Schwungradanordnung (42) enthält, die bevorzugt mindestens ein schnelldrehendes, gewickeltes Schwungrad umfasst, das weiter bevorzugt in einem Teilvakuum und/oder in einer Atmosphäre aus einem leichten Gas läuft und dieser mechanische Energiespeicher mit einer zweiten Elektromaschine (40) mechanisch gekoppelt ist.Drive device according to claim 1, characterized in that the high-performance energy store ( 13 respectively. 43 ) a mechanical energy store, in particular in the form of a flywheel assembly ( 42 ), which preferably comprises at least one high-speed, wound flywheel, which more preferably runs in a partial vacuum and / or in an atmosphere of a light gas and this mechanical energy store with a second electric machine ( 40 ) is mechanically coupled. Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) ein Speicher auf Basis von Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren und besonders bevorzugt Superkondensatoren oder Hybridkondensatoren ist.Drive device according to claim 1, characterized in that the high-performance energy store ( 13 respectively. 43 ) is a memory based on capacitors, in particular double-layer capacitors and particularly preferably supercapacitors or hybrid capacitors. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der chemisch-mechanische Energiewandler (14) mechanisch mit einer ersten Elektromaschine (26) gekoppelt ist, – das Antriebsmittel (46) mechanisch mit mindestens einer dritten Elektromaschine (44) verbunden ist, – der erste elektrische Energiespeicher (34) mit der ersten und/oder der zweiten Elektromaschine (26; 40) elektrisch verbunden ist, so dass der erste elektrische Energiespeicher (34) von dort elektrische Energie aufnehmen und dorthin abgeben kann.Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that - the chemical mechanical energy converter ( 14 ) mechanically with a first electric machine ( 26 ), - the drive means ( 46 ) mechanically with at least one third electric machine ( 44 ), - the first electrical energy store ( 34 ) with the first and / or the second electric machine ( 26 ; 40 ) is electrically connected, so that the first electrical energy storage ( 34 ) from there electrical energy and can deliver there. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstoffzelle (16) und/oder die zweite Brennstoffzelle (28) als reversible Brennstoffzellen ausgebildet sind, die zusammen mit einem zugehörigen Kraftstofftank (24 bzw. 32) ein als elektrischer Energiespeicher fungierendes erstes und/oder zweites Brennstoffzellenmodul (11 bzw. 12) bilden.Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first fuel cell ( 16 ) and / or the second fuel cell ( 28 ) are formed as reversible fuel cells, which together with an associated fuel tank ( 24 respectively. 32 ) acting as an electrical energy storage first and / or second fuel cell module ( 11 respectively. 12 ) form. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste chemisch-mechanische Energiewandler (14) im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich und/oder die gegebenenfalls vorhandene erste Brennstoffzelle (16) derart ausgelegt sind, in Summe eine Leistung abzugeben, die der Summe des Leistungsbedarfs üblicher im Betrieb aktiver Nebenverbraucher und des Leistungsbedarfs zur Aufrechterhaltung einer konstanten Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in der Ebene bei einer gewünschten Dauerhöchstgeschwindigkeit entspricht, die bevorzugt im Bereich zwischen 90 km/h und 150 km/h, besonders bevorzugt zwischen 110 km/h und 140 km/h und am meisten bevorzugt bei ca. 120 km/h bis 130 km/h liegt.Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first chemical mechanical energy converter ( 14 ) in the consumption-optimal operating range and / or the optionally present first fuel cell ( 16 ) are designed so as to deliver in total a power that corresponds to the sum of the power requirements of conventional auxiliary active in operation and the power requirement to maintain a constant driving speed of the motor vehicle in the plane at a desired maximum maximum speed, preferably in the range between 90 km / h and 150 km / h, more preferably between 110 km / h and 140 km / h and most preferably at about 120 km / h to 130 km / h. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungsenergiespeicher (13; 43) eine maximale nutzbare Energiemenge speichern kann, die ausreicht, um die Maschine bzw. das Kraftfahrzeug ohne Rekuperation zumindest zwei mal, bevorzugt mindestens drei mal und besonders bevorzugt zwischen 3,5 und 5 mal aus dem Stillstand auf die Dauerhöchstgeschwindigkeit zu beschleunigen.Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the high-performance energy store ( 13 ; 43 ) can store a maximum usable amount of energy sufficient to accelerate the machine or the motor vehicle without recuperation at least two times, preferably at least three times and more preferably between 3.5 and 5 times from standstill to the maximum steady state speed. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Energiespeicher (34) derart ausgelegt ist, um im Normalbetrieb der Maschine mit Leistungen von maximal 2 C, bevorzugt maximal 1,5 C und besonders bevorzugt maximal 1 C belastet zu werden, wobei die Be- und Entladung im Vergleich zum Leistungsbedarf der Maschine sehr gleichmäßig erfolgt.Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first electrical energy store ( 34 ) is designed so as to be loaded during normal operation of the machine with powers of a maximum of 2 C, preferably at most 1.5 C and more preferably at most 1 C, wherein the loading and unloading is very uniform compared to the power requirement of the machine. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem, der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nutzbare Kapazität des ersten elektrischen Energiespeichers (34) so bemessen ist, dass sie zumindest um den Faktor 4, bevorzugt um den Faktor 8 und besonders bevorzugt um den Faktor 10 größer als die nutzbare Kapazität des Hochleistungsenergiespeichers (13; 43) ist.Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the usable capacity of the first electrical energy store ( 34 ) is dimensioned such that it is at least a factor of 4, preferably by a factor of 8 and particularly preferably by a factor of 10 greater than the usable capacity of the high-performance energy storage device ( 13 ; 43 ). Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine über einen Ladeport (38) verfügt, über den elektrische Energie zwischen einem maschinenexternen Stromnetz und zumindest einem der vorhandenen elektrischen Energiespeicher (11, 12, 13 bzw. 43, 34) ausgetauscht werden kann und wobei eine Laderegelungseinrichtung zum Laden zumindest einer der vorgenannten elektrischen Energiespeicher (11, 12, 13 bzw. 43, 34), bevorzugt des ersten elektrischen Energiespeichers (34) und des Hochleistungsenergiespeichers (13 bzw. 43), vorgesehen ist, deren Dauerleistung so bemessen ist, dass sie einen maximalen Ladestrom für den ersten elektrischen Energiespeicher (34) in Höhe von mindestens 1 C, bevorzugt von ca. 1,5 C abgeben kann.Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the machine has a loading port ( 38 ), via the electrical energy between an external power grid and at least one of the existing electrical Energy storage ( 11 . 12 . 13 respectively. 43 . 34 ) and wherein a charge control device for charging at least one of the aforementioned electrical energy storage ( 11 . 12 . 13 respectively. 43 . 34 ), preferably the first electrical energy store ( 34 ) and high-performance energy storage ( 13 respectively. 43 ), whose continuous power is dimensioned so that it has a maximum charging current for the first electrical energy storage ( 34 ) in the amount of at least 1 C, preferably from about 1.5 C can deliver. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Leitungen (57; 58; 60; 62; 64; 68; 70; 72; 74; 84 und bevorzugt 66), soweit vorhanden, zur Übertragung elektrischer Leistungen zwischen dem ersten elektrischen Energiespeicher (34) und/oder der zweiten Brennstoffzelle (28) und der ersten Elektromaschine (26) und/oder der ersten Brennstoffzelle (16) und dem Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) bzw. dessen Elektromaschine (40) sowie der dritten Elektromaschine (44) vorgesehen sind, die für berührsichere Spannungen ausgelegt sind, wobei Spannungsumsetzer den jeweiligen Komponenten (16; 26; 28; 34; 40; 44) zugerechnet werden und örtlich zugeordnet sind.Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that electrical lines ( 57 ; 58 ; 60 ; 62 ; 64 ; 68 ; 70 ; 72 ; 74 ; 84 and preferred 66 ), if present, for the transmission of electrical power between the first electrical energy storage ( 34 ) and / or the second fuel cell ( 28 ) and the first electric machine ( 26 ) and / or the first fuel cell ( 16 ) and the high-performance energy storage ( 13 respectively. 43 ) or its electric machine ( 40 ) as well as the third electric machine ( 44 ), which are designed for contact-safe voltages, voltage converters the respective components ( 16 ; 26 ; 28 ; 34 ; 40 ; 44 ) and assigned locally. Kraftfahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug zumindest zwei Achsen mit Antriebsmitteln (46) aufweist, welche jeweils von mindestens einer der dritten Elektromaschinen (44) antreibbar und unter Erzeugung von Rekuperationsenergie bremsbar sind und wobei die Summe der Leistungen der dritten Elektromaschinen (44) der vorderen Achse und der hinteren Achse ein Verhältnis zwischen 80:20 und 60:40, bevorzugt ca. 70:30 aufweist und die Summe der Leistungen der dritten Elektromaschinen (44) so bemessen ist, dass sie zumindest über einen Zeitraum von 10 Sekunden, bevorzugt über einen Zeitraum von 20 Sekunden und besonders bevorzugt zeitlich unbegrenzt eine elektrische Leistung aufnehmen und abgeben können, die zumindest der maximalen elektrischen Leistung des Hochleistungsenergiespeichers (13 bzw. 43) bzw. der darin ggf. enthaltenen zweiten Elektromaschine (40) entspricht und bevorzugt um wenigstens die von dem ersten chemisch-mechanischen Energiewandler (14) und/oder der ersten Brennstoffzelle (16) erzeugten maximalen elektrischen Leistungen größer als diese Leistung ist und besonders bevorzugt nochmals um eine Leistung größer ist, die der Summe aus dem Entladestrom des ersten elektrischen Energiespeichers (34) bei 1 C und/oder der maximalen elektrischen Leistung der zweiten Brennstoffzelle 28 entspricht.Motor vehicle with a drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the vehicle has at least two axles with drive means ( 46 ), each of at least one of the third electric machines ( 44 ) and can be braked with generation of recuperation energy and wherein the sum of the powers of the third electric machines ( 44 ) of the front axle and the rear axle has a ratio between 80:20 and 60:40, preferably about 70:30, and the sum of the powers of the third electric machines ( 44 ) is dimensioned such that they can receive and deliver at least over a period of 10 seconds, preferably over a period of 20 seconds and particularly preferably indefinitely, an electrical power which is at least the maximum electrical power of the high-performance energy storage device ( 13 respectively. 43 ) or possibly contained therein second electric machine ( 40 ) and preferably at least that of the first chemical-mechanical energy converter ( 14 ) and / or the first fuel cell ( 16 ) is greater than this power and particularly preferably again by a power is greater, the sum of the discharge current of the first electrical energy storage ( 34 ) at 1 C and / or the maximum electric power of the second fuel cell 28 equivalent. Kraftfahrzeug nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste chemisch-mechanische Energiewandler (14) und die erste Elektromaschine (26) und/oder das erste Brennstoffzellenmodul (11) baulich gemeinsam derart als Stromgenerator-Modul (15) gestaltet sind, dass dieses auf einfache Weise aus dem Fahrzeug entnommen werden kann.Motor vehicle according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least the first chemical mechanical energy converter ( 14 ) and the first electric machine ( 26 ) and / or the first fuel cell module ( 11 ) structurally together as a power generator module ( 15 ) are designed so that this can be easily removed from the vehicle. Signalvorrichtung für eine Antriebsvorrichtung bzw. ein Kraftfahrzeug gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die aufgrund vorgegebener Parameter einen Wert für eine erreichbare und für eine vorbestimmte Strecke aufrechterhaltbare Höchstgeschwindigkeit (140) der Maschine bzw. des Kraftfahrzeugs ermittelt, und dass – Mittel (130) vorgesehen sind, mittels derer der Wert für die genannte Höchstgeschwindigkeit (140) optisch und/oder akustisch dargestellt werden kann.Signal device for a drive device or a motor vehicle according to at least one of the preceding claims, characterized in that - an evaluation unit is provided which, due to predetermined parameters, a value for an achievable maximum speed that can be maintained for a predetermined distance ( 140 ) of the engine or motor vehicle, and that - means ( 130 ), by means of which the value for the said maximum speed ( 140 ) can be displayed visually and / or acoustically.
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