DE102013219579A1

DE102013219579A1 - Energiespeicher

Info

Publication number: DE102013219579A1
Application number: DE201310219579
Authority: DE
Inventors: Andreas Vogt; Rouven Kernberger; Armin Schuelke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Energiespeicher (1) zur Speicherung von Energie mittels einer elastischen Verformung wenigstens eines elastisch verformbaren Speicherteils (2) aus einem elastischen Feststoffmaterial, umfassend eine Ein- und Auslassöffnung (4, 5) zum Ein- und Ausleiten eines Hydraulikfluides, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit, das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil (2), so dass mittels eines Ein- und Ausleitens des Hydraulikfluides in und aus dem Energiespeicher (1) das elastische Speicherteil (2) elastisch verformbar ist, einen im Volumen variablen Arbeitsraum (8) und das Hydraulikfluid in dem Arbeitsraum (8) angeordnet ist, so dass mittels eines Einleitens des Hydraulikfluides in den Arbeitsraum (8) bei einer Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes (8) das elastische Feststoffmaterial dehnbar oder negativ dehnbar ist und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Arbeitsraum (8) bei einer Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes (8) das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar oder dehnbar ist, wobei der im Volumen variable Arbeitsraum (8) mit einem beweglichen Trennteil (19) hydraulisch von dem wenigstens einen elastischen verformbaren Speicherteil (2) getrennt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12 und ein hydraulisches Hybridsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen werden hydraulische Hybridsysteme eingesetzt, um mittels eines hydraulischen Motors hydraulische Energie in mechanische Energie umwandeln zu können und mittels einer hydraulischen Pumpe mechanische Energie in hydraulische Energie umwandeln zu können. Die mechanische Energie, beispielsweise von einem Verbrennungsmotor oder als kinetische Energie in einem Rekuperationsbetrieb, kann dabei von der hydraulischen Pumpe in hydraulische Energie umgewandelt werden, indem der Druck eines Hydraulikfluides, insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit, durch die hydraulische Pumpe erhöht wird. Das Hydraulikfluid mit dem erhöhten Druck kann dabei in einem Energiespeicher gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt kann mittels des Hydraulikfluides in dem Energiespeicher von dem hydraulischen Motor die hydraulische Energie in dem Energiespeicher in mechanische Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Die Hydraulikflüssigkeit dient nur zur Druckübertragung zu dem und in dem Energiespeicher.
Als Energiespeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, d. h. eines Hydraulikfluides unter einem erhöhten Druck, sind beispielsweise Gasfederspeicher bekannt. Innerhalb eines Gehäuses ist ein Kolben angeordnet, und ein Gas wird von dem Hydraulikfluid, insbesondere der Hydraulikflüssigkeit, bewegt, so dass dadurch der Druck in dem Gas erhöht wird und dadurch hydraulische Energie in dem Energiespeicher gespeichert werden kann.
Die DE 10 2006 004 120 A1 zeigt einen Hydrospeicher, insbesondere Blasenspeicher, zur Aufnahme mindestens eines Fluidmediums mit einem Druckbehälter und einem ersten Kunststoffmantel und einem dem ersten Kunststoffmantel zumindest teilweise umfassenden zweiten Kunststoffmantel, wobei der erste Kunststoffmantel zumindest an seinem einen Ende ein Kragenteil aufweist, das eine Öffnung für ein Ventil für eine Ansteuerung der Medienzu- und -abfuhr umfasst und wobei das Kragenteil und der zweite Kunststoffmantel sich an einem dazwischen liegenden Außenstützring abstützen, der sich in Richtung einer Spaltöffnung zwischen den genannten Mänteln keilartig verjüngt.
Auch aus der DE 102 30 743 A1 ist ein Hydrospeicher als Blasenspeicher mit einem Gaseinlasskörper bekannt, der mit Teilen des Speichergehäuses verbindbar ist und der mindestens eine Anlagefläche für ein elastisch nachgiebiges Trennelement aufweist, das innerhalb des Speichergehäuses angeordnet zwei Räume voneinander trennt.
Die DE 10 2013 206 397 A1 zeigt einen Energiespeicher mit einer Ein- und Auslassöffnung und einem elastischen Speicherteil, so dass mittels eines Ein- und Ausleiten des Hydraulikfluides in und aus dem Energiespeicher das elastische Speicherteil elastisch verformbar ist und das Speicherteil einen im Volumen variablen Arbeitsraum einschließt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßer Energiespeicher zur Speicherung von Energie mittels einer elastischen Verformung wenigstens eines elastisch verformbaren Speicherteils aus einem elastischen Feststoffmaterial, umfassend eine Ein- und Auslassöffnung zum Ein- und Ausleiten eines Hydraulikfluides, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit, das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil, so dass mittels eines Ein- und Ausleitens des Hydraulikfluides in und aus dem Energiespeicher das elastische Speicherteil elastisch verformbar ist, einen im Volumen variablen Arbeitsraum und das Hydraulikfluid in dem Arbeitsraum angeordnet ist, so dass mittels eines Einleitens des Hydraulikfluides in den Arbeitsraum bei einer Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial dehnbar oder negativ dehnbar ist und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Arbeitsraum bei einer Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar oder dehnbar ist, wobei der im Volumen variable Arbeitsraum mit einem beweglichen Trennteil hydraulisch von dem wenigstens einen elastischen verformbaren Speicherteil getrennt ist. In dem Energiespeicher erfolgt die Speicherung der Energie mittels einer Dehnung oder negativen Dehnung des elastischen Feststoffmaterials des wenigstens einen elastisch verformbaren Speicherteils. Dabei weist das Hydraulikfluid, insbesondere ein Hydrauliköl, keinen unmittelbaren Kontakt zu dem elastischen Feststoffmaterial auf, da dieses von dem Hydraulikfluid mit dem beweglichen Trennteil hydraulisch dicht abgetrennt ist. Bei einem Einsatz von Hydrauliköl kann somit das Hydrauliköl keine negativen chemischen Reaktionen an dem elastischen Feststoffmaterial herbeiführen, so dass dadurch das elastische Feststoffmaterial unabhängig von der Verwendung der Art des Hydraulikfluides ausgewählt werden kann. Bei einem Versagen, beispielsweise einem Bruch einer Wandung eines Schlauches als Speicherteil, führt dies nicht zu einer Leckage an dem Energiespeicher, da der Arbeitsraum fluiddicht abgedichtet ist mittels des beweglichen Trennteiles. Der Energiespeicher ist damit im Betrieb zuverlässig und ermöglicht den Einsatz eines beliebigen elastischen Feststoffmateriales. Eine Dehnung ist eine Vergrößerung des Volumens des elastischen Feststoffmateriales und/oder der Ausdehnung des elastischen Feststoffmateriales in einer ersten Richtung und/oder eine Formänderung des elastischen Feststoffmaterials und eine negative Dehnung ist in umgekehrter Weise eine Verkleinerung des Volumens des elastischen Feststoffmateriales und/oder einer Verkleinerung der Ausdehnung des elastischen Feststoffmateriales in dieser ersten Richtung und/oder eine Formänderung des elastischen Feststoffmaterials. Bei einer Vergrößerung der Ausdehnung des elastischen Feststoffmaterials in der ersten Richtung wird die Ausdehnung des elastischen Feststoffmaterials in einer zweiten Richtung verkleinert und umgekehrt und die zweite Richtung weist ein andere Ausrichtung auf als die erste Richtung, insbesondere stehen die erste und zweite Richtung aufeinander senkrecht, so dass eine Formänderung des elastischen Feststoffmaterials vorliegt und vorzugsweise bei der Formänderung des elastischen Feststoffmaterials das Volumen des elastischen Feststoffmaterials im Wesentlichen konstant bleibt, falls das elastische Feststoffmaterial im Wesentlichen nicht kompressibel ist. Bei einer Formänderung als Dehnung wird die Form des elastischen Feststoffmaterials verändert und bei der negativen Dehnung des elastischen Feststoffmaterials als Formänderung wird die Formänderung bei der Dehnung als elastische Rückverformung wieder rückgängig gemacht. Bei einem kompressiblen elastischen Feststoffmaterial bedingt eine Formänderung normalerweise eine Volumenänderung.
Insbesondere ist die in dem Arbeitsraum wirkende Druckkraft des Hydraulikfluides mit dem beweglichen Trennteil mittelbar auf das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil übertragbar.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das bewegliche Trennteil an einem Lagerteil, insbesondere mit einer Gleitlagerung, gelagert und vorzugsweise ist zwischen dem Lagerteil und dem Trennteil eine Dichtung angeordnet.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist das bewegliche Trennteil als ein Kolben ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das bewegliche Trennteil eine Membran.
Vorzugsweise ist das Lagerteil als ein Zylinder ausgebildet und vorzugsweise ist der Kolben außerhalb des Zylinders angeordnet.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist das Lagerteil als eine Gleitschiene ausgebildet.
In einer Variante ist das wenigstens eine Speicherteil aus mehreren, vorzugsweise kugel- oder ringförmigen, Speicherteilen aufgebaut und die Speicherteile liegen lose aufeinander oder sind an einem Befestigungselement, insbesondere einem Befestigungsstab, beweglich befestigt. Die Speicherteile können somit in vorteilhafter Weise in einer beliebigen Geometrie ausgebildet sein und sind dadurch in der Herstellung besonders preiswert.
Zweckmäßig ist das wenigstens eine Speicherteil als wenigstens ein Stab oder ein Rohr ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist das wenigstens eine Speicherteil als wenigstens ein Schlauch ausgebildet und vorzugsweise ist das bewegliche Trennteil innerhalb des wenigstens einen Schlauches angeordnet.
Insbesondere ist das Volumen des elastischen Feststoffmateriales des wenigstens einen Speicherteils größer, insbesondere um das 1,5-, 2-, 3-, 5-, 7- oder 10-Fache größer, als das Volumen des Arbeitsraumes, insbesondere bei einer vollständigen Entladung des Energiespeichers mit Atmosphärendruck in dem Arbeitsraum, und/oder die Dicke einer Wandung des wenigstens einen Speicherteils ist größer als 0,1 cm, 0,5 cm, 1 cm, 2 cm oder 5 cm, insbesondere bei einer vollständigen Entladung des Energiespeichers mit Atmosphärendruck in dem Arbeitsraum.
In einer ergänzenden Variante umfasst der Energiespeicher ein Gehäuse, welches einen Innenraum einschließt, und in dem Innenraum ist das wenigstens eine Speicherteil angeordnet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das elastische Feststoffmaterial wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, Kunststoff, vorzugsweise Polyurethan, und/oder Kautschuk, insbesondere Nitrilkautschuk oder hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk oder Fluorkarbon-Kautschuk oder Silikonkautschuk oder Naturkautschuk und/oder mit dem Energiespeicher ist ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Energiespeichers, mit den Schritten: Einleiten eines Hydraulikfluides in den Energiespeicher und dadurch ein elastisches Feststoffmaterial des wenigstens eines Speicherteils gedehnt oder negativ gedehnt wird, Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Energiespeicher und dadurch ein elastisches Feststoffmaterial des wenigstens eines Speicherteils negativ gedehnt oder gedehnt wird, das Hydraulikfluid in einen Arbeitsraum ein- und ausgeleitet wird, wobei die in dem Arbeitsraum wirkende Druckkraft des Hydraulikfluides mit einem beweglichen Trennteil mittelbar auf das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil übertragen wird und während des Dehnens oder negativen Dehnens des wenigstens einen Speicherteils das bewegliche Trennteil bewegt wird.
In einer weiteren Variante wird von dem beweglichen Trennteil, insbesondere ausschließlich, eine Translationsbewegung ausgeführt. Das bewegliche Trennteil kann somit besonders einfach gelagert werden, da dieses ausschließlich vorzugsweise eine Translationsbewegung ausführt.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird die in dem Arbeitsraum wirkende Druckkraft des Hydraulikfluides mit dem beweglichen Trennteil ausschließlich mittelbar auf das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil übertragen, so dass das Hydraulikfluid keinen unmittelbaren Kontakt zu dem wenigstens einen Speicherteil aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung besteht das Gehäuse wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, z. B. Stahl oder Aluminium, und/oder aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischer Kunststoff, und/oder aus einem faserverstärken Verbundwerkstoff, insbesondere CFK oder GFK. Bei einer Ausbildung des Gehäuses aus Kunststoff oder Verbundwerkstoff weist das Gehäuse und damit auch der Energiespeicher eine geringe Masse auf.
In einer zusätzlichen Variante wird beim Einleiten des Hydraulikfluides in den Arbeitsraum der Druck des Hydraulikfluides in dem Arbeitsraum beim Dehnen oder negativen Dehnen des elastischen Feststoffmaterials erhöht.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird beim Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Arbeitsraum der Druck des Hydraulikfluides in dem Arbeitsraum beim negativen Dehnen oder Dehnen des elastischen Feststoffmaterials verringert.
Erfindungsgemäßes hydraulisches Hybridsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen hydraulischen Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, eine hydraulische Pumpe zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, einen Energiespeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, wobei der Energiespeicher als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebener Energiespeicher ausgebildet ist und/oder von dem hydraulischen Hybridsystem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt eines Energiespeichers in einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 einen Längsschnitt des Energiespeichers in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 einen Längsschnitt des Energiespeichers in einem dritten Ausführungsbeispiel,
4 einen Längsschnitt des Energiespeichers in einem vierten Ausführungsbeispiel,
5 ein p-V-Diagramm für den Energiespeicher gemäß 4 und
6 eine stark vereinfachte Darstellung eines hydraulischen Hybridsystems.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein in 1 dargestellter Energiespeicher 1 wird dazu verwendet, um in einem hydraulischen Hybridsystem 20 (6) in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug hydraulische Energie von einer hydraulischen Pumpe 24 zu speichern und anschließend zu einem späteren Zeitpunkt die gespeicherte hydraulische Energie in einem hydraulischen Motor 23 in mechanische Energie umzuwandeln und dadurch das nicht dargestellte Kraftfahrzeug anzutreiben.
Die Kugeln 9 als Speicherteile 2 bestehen aus einem elastisch verformbaren Feststoffmaterial, z. B. Kautschuk. Das Gehäuse 6 aus glasfaserverstärkten Kunststoff begrenzt den Innenraum 11 und innerhalb dieses Innenraumes 11 sind die Kugeln 9 als Speicherteile 2 angeordnet. Das Gehäuse 6 aus Metall oder Kunststoff ist dabei insbesondere erforderlich, um mechanische Beschädigungen an den Kugeln 9 von außen zu vermeiden und einen begrenzten Raum für die Kugeln 9 zu erhalten. Die geometrische Ausbildung des Gehäuses 6 senkrecht zu der Zeichenebene von 1 kann gerade und/oder gekrümmt sein. Dadurch kann die Form des Gehäuses 6 an den innerhalb eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung stehenden Bauraum optimal angepasst werden, um einen im Gesamtvolumen möglichst großen Energiespeicher 1 in dem Kraftfahrzeug anordnen zu können.
Ein feststehendes Lagerteil 31 als ein Zylinder 32 aus Metall und ein bewegliches Trennteil 19 als ein Kolben 30 begrenzt einen Arbeitsraum 8 des Energiespeichers 1. Der bewegliche Kolben 30 ist mittels einer Gleitlagerung an dem Zylinder 32 gelagert und der Kolben 30 ist außerhalb und koaxial zu dem Zylinder 32 angeordnet. Eine als ringförmige Dichtung 33 ausgebildete O-Ringdichtung 33 dient zur fluiddichten Abdichtung des Arbeitsraumes 8 bezüglich des Innenraumes 11, insbesondere mit den Kugeln 9 aus dem elastischen Feststoffmaterial. Der Zylinder 32 weist eine Einlassöffnung 4 zum Einleiten von Hydraulikfluid, insbesondere Hydrauliköl, in den Arbeitsraum 8 auf und diese Einlassöffnung 4 dient auch als Auslassöffnung 5 zum Ausleiten des Hydrauliköles aus dem Arbeitsraum 8. Das Gehäuse 6 weist eine Öffnung 10 auf, durch welche die Ein- und Auslassöffnung 4, 5 des Zylinders 32 nach außerhalb geführt ist. Die Steuerung des Ein- und Ausleitens des Hydrauliköles in und aus dem Arbeitsraum 8 erfolgt mittels eines nicht dargestellten Ventiles. Beim Einleiten des Hydrauliköles in den Arbeitsraum 8 wird der Druck der Hydraulikflüssigkeit in dem Arbeitsraum 8 erhöht, so dass dadurch auf den beweglichen Kolben 30 eine größere, gemäß der Darstellung in 1 nach unten gerichtete Druckkraft wirkt und dadurch das Volumen des Arbeitsraumes 8 erhöht wird und in dem gleichen Maße das Volumen desjenigen Teils des Innenraumes 11 verkleinert wird, innerhalb dessen die Kugeln 9 angeordnet sind. Bei einer Bewegung des Kolbens 30 nach unten wird somit das Volumen des Innenraumes 11 unterhalb einer Bodenwandung 37 des Kolbens 30 verkleinert und dadurch erfolgt eine negative Dehnung der Kugeln 9 als Formänderung innerhalb des Innenraumes 11. Der Kolben 30 ist mittels einer Seitenwandung 36 an dem Zylinder 32 gelagert. Dabei führt der Kolben 30 aufgrund der Lagerung an dem Zylinder 32 ausschließlich eine Translationsbewegung in einer Bewegungsrichtung 35 aus.
Bei der Speicherung von hydraulischer Energie in dem Energiespeicher 1 wird somit der Druck in dem Arbeitsraum 8 erhöht und dadurch erfolgt eine negative Dehnung der Kugeln 9 innerhalb des Innenraumes 11. Die hydraulische Energie ist somit durch eine elastische Verformung als Formänderung der Kugeln 9 in dem Energiespeicher 1 gespeichert. Zum Entladen des Energiespeichers 1 wird mittels des nicht dargestellten Ventils an der Auslassöffnung 5 Hydraulikflüssigkeit aus dem Arbeitsraum 8 ausgeleitet, so dass dadurch der Druck in dem Arbeitsraum 8 reduziert wird und dadurch der Kolben sich in der Bewegungsrichtung 35 gemäß der Darstellung von 1 nach oben bewegt, so dass dadurch eine Dehnung der Kugeln 9 in dem Innenraum 11 ausgeführt wird. Die von den Kugeln 9 auf die Außenseite der Bodenwandung 37 in Richtung der Bewegungsrichtung 35 aufgebrachte Druckkraft entspricht dabei der von dem Hydrauliköl innerhalb des Arbeitsraumes 8 innenseitig auf die Bodenwandung 37 aufgebrachten Druckkraft. Eine erste Richtung bei der Dehnung und negativen Dehnung entspricht der Bewegungsrichtung 35 und eine zweite Richtung ist senkrecht zu der ersten Richtung.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beschrieben. Die Speicherteile 2 sind als Ringe 12 ausgebildet und die Ringe 12 sind an einem als Befestigungsstab 14 ausgebildeten Befestigungselement 13 übereinander aufgereiht. Der oberste Ring 12 liegt dabei auf der Bodenwandung 37 außenseitig auf und der unterste Ring 12 liegt auf dem Gehäuse 6 auf. Dabei sind die Ringe 12 bezüglich einer Längsachse des Befestigungsstabes 14 relativ zu dem Befestigungsstab 14 beweglich. Durch ein Erhöhen des Druckes in dem Arbeitsraum 8 kann damit in analoger Weis wie in dem ersten Ausführungsbeispiel durch das Einleiten von Hydrauliköl in den Arbeitsraum 8 der Kolben 30 nach unten bewegt werden und dadurch eine negative Dehnung der Ringe 12 ausgeführt werden und umgekehrt. Beim Bewegen des Kolbens 30 nach unten wird der Befestigungsstab 14 in den Arbeitsraum 8 eingeführt und der Befestigungsstab 14 ist mittels einer Stabdichtung 34 bezüglich des Arbeitsraumes 8 abgedichtet. Als Ersatz zu der Stabdichtung 34 kann an der Bodenwandung 37 des Kolbens 30 ein fluiddichter zylinderförmiger Fortsatz (nicht dargestellt) ausgebildet sein innerhalb dessen der Befestigungsstab 14 angeordnet ist, so dass keine Stabdichtung 34 notwendig ist.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1 darstellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beschrieben. Bei einem Einleiten von Hydrauliköl in den Arbeitsraum 8 wird der Kolben 30 gemäß der Darstellung in 3 nach rechts bewegt. Der Kolben 30 weist neben der Seitenwandung 36, welche an dem Zylinder 32 gelagert ist, eine gemäß der Darstellung in 3 vertikal ausgerichtete Bodenwandung 37 auf. An der Bodenwandung 37 ist ein rechtes Ende eines Stabes 17, d. h. von zwei Stäben 17 oder eines Rohres 18 befestigt, und das linke Ende der beiden Stäbe 17 bzw. des Rohres 18 sind an dem feststehenden Gehäuse 6 befestigt. Bei einem Einleiten von Hydrauliköl in den Arbeitsraum 8 wird somit aufgrund der Erhöhung des Druckes des Hydrauliköles in dem Arbeitsraum 8 der Kolben 30 nach rechts bewegt und dadurch die Ausdehnung bzw. die Länge der beiden Stäbe 17 und des Rohres 18 in der Bewegungsrichtung 35 des Kolbens 30 vergrößert, d. h. es wird eine Dehnung der beiden Stäbe 17 bzw. des Rohres 18 ausgeführt. In umgekehrter Weise erfolgt beim Ausleiten von Hydrauliköl aus dem Arbeitsraum 8 bzw. beim Entladen des Energiespeichers 1 eine Rückverformung der beiden Stäbe 17 bzw. des Rohres 18, so dass dadurch die Länge bzw. die Ausdehnung der beiden Stäbe 17 bzw. des Rohres 18 in der Bewegungsrichtung 35 verkleinert wird, d. h. es erfolgt eine negative Dehnung der beiden Stäbe 17 bzw. des Rohres 18.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1 beschrieben. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem Energiespeicher 1 in dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beschrieben. Der Kolben 30 weist neben der Seitenwandung 36 auch eine halbkugelförmige bzw. domartige Bodenwandung 37 auf. Der Kolben 30 als auch der Zylinder 32 sind innerhalb eines Schlauches 3 als Speicherteil 2 angeordnet. Die Wandungen 7 des Schlauches 3 umhüllen somit den Kolben 30. Bei einem Einleiten von Hydrauliköl in den Arbeitsraum 8 wird der Kolben 30 gemäß der Darstellung in 4 nach oben bewegt, so dass dadurch die Wandungen 7 des Schlauches 3 in radialer Richtung nach außen gedehnt und dadurch der Durchmesser des Schlauches 3 an denjenigen Abschnitt vergrößert wird, an welchem der Kolben 30 innerhalb des Schlauches 3 angeordnet ist. Umgekehrt wird beim Ausleiten von Hydrauliköl aus dem Arbeitsraum 8 bzw. beim Entladen des Energiespeichers 1 der Kolben 30 nach unten bewegt und dabei erfolgt eine negative Dehnung bzw. Rückverformung der Wandung 7 des Schlauches 3. In 5 ist ein p-V-Diagramm des in 4 dargestellten Energiespeichers 1 dargestellt. In 5 ist an der Abszisse die Volumenänderung des Arbeitsraumes 8 aufgetragen und an der Ordinate der Druck p des Hydrauliköles innerhalb des Arbeitsraumes 8. Bei einem drucklosen Arbeitsraum 8 liegt der Kolben 30 am unteren Ende auf dem Gehäuse 6 auf. Mit dem Beginn des Einleitens von Hydrauliköl in den Arbeitsraum 8 erfolgt zunächst ein im Wesentlichen linearer Anstieg des Druckes p in Abhängigkeit von der Volumenänderung und nach einem kleinen ausgerundeten Peak erfolgt bei einer weiteren Erhöhung der Volumenänderung im Wesentlichen keine Druckerhöhung, d. h. auch bei einem weiteren Einleiten von Hydrauliköl in den Arbeitsraum 8 bleibt der Druck des Hydrauliköles innerhalb des Arbeitsraumes 8 im Wesentlichen konstant.
Die Wandungen 7 des Schlauches 3 weisen eine große Dicke auf, z. B. im Bereich von 0,2 cm oder 1 cm und der Arbeitsraum 8 weist bei einem Druck in dem Arbeitsraum 8, welcher im Wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht, d. h. bei einem nichtgeladenen Energiespeicher 1, einen Durchmesser von beispielsweise 0,2 cm bis 1 cm auf. In dem Energiespeicher 1 ist somit der Volumenanteil des elastischen Feststoffmaterials der Wandung 7 des Schlauches 3 groß, so dass dadurch in dem Energiespeicher 1 eine große Energiemenge pro Volumeneinheit des Energiespeichers 1 gespeichert werden kann. Die Energiespeicherung in dem Energiespeicher 1 erfolgt durch die elastische Verformung und Dehnung der Wandungen 7 des Schlauches 3 aus dem elastischen Feststoffmaterial. Der Ladezustand des Energiespeichers 1 kann durch die Erfassung des Durchmessers des Schlauches 3 in einer Richtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung 35 ermittelt werden. Hierzu weist der Energiespeicher 1 einen nicht dargestellten Sensor zur Erfassung des Durchmessers des Schlauches 3 auf. Dadurch kann in einfacher Weise der Ladezustand des Energiespeichers 1 erfasst werden. Beispielsweise ist der Sensor ein optischer Sensor. Abweichend hiervon können an dem in 4 dargestellten Schlauches 3 auch magnetische Metallteile angeordnet sein und mittels eines nicht dargestellten Sensors wird der radiale Abstand dieser magnetischen Metallteile von dem Gehäuses 6 mit dem Sensor erfasst. Der Schlauch 3 kann in einem Querschnitt kreisförmig, ellipsenförmig oder bandförmig ausgebildet sein wie der Kolben 30.
In 6 ist ein hydraulisches Hybridsystem 20 dargestellt. Das hydraulische Hybridsystem 20 umfasst einen Verbrennungsmotor 21 und zwei Wellen 22. Mit dem Verbrennungsmotor 21 und der Welle 22 wird die hydraulische Pumpe 24 angetrieben und dadurch Hydraulikflüssigkeit von der hydraulischen Pumpe 24 zu dem hydraulischen Motor 23 gefördert. Der hydraulische Motor 23 und die hydraulische Pumpe 24 sind dabei jeweils als Schrägscheibenmaschinen 25 ausgebildet. Dadurch kann mittels der Hydraulikleitungen 26, welche den hydraulischen Motor 23 mit der hydraulischen Pumpe 24 jeweils fluidleitend verbinden, die Welle 22 an dem hydraulischen Motor 23 angetrieben und von der Welle 22 wird ein Differentialgetriebe 27 angetrieben. Mit dem Differentialgetriebe 27 sind zwei Radwellen 29 sowie jeweils ein Antriebsrad 28 an den Radwellen 29 verbunden. Dadurch können Antriebsräder 28 des nicht dargestellten Kraftfahrzeuges durch einen hydraulischen Antriebsteilstrang mit dem hydraulischen Motor 23 und der hydraulischen Pumpe 24 angetrieben werden. Aufgrund der Ausbildung des hydraulischen Motors 23 und der hydraulischen Pumpe 24 als Schrägscheibenmaschine 25 dient der hydraulische Motor 23 und die hydraulische Pumpe 24 auch als stufenloses hydraulisches Getriebe. Zweckmäßig weist das hydraulische Hybridsystem 20 auch einen mechanischen Antriebsteilstrang auf zur ausschließlichen mechanischen Kraftübertragung von dem Verbrennungsmotor 21 zu den beiden Antriebsrädern 28 (nicht dargestellt).
Bei einem Betrieb der hydraulischen Pumpe 24 kann ein Teil der Hydraulikflüssigkeit nicht zu dem hydraulischen Motor 23, sondern durch weitere nicht dargestellte Hydraulikleitungen 26 und nicht dargestellte Ventile von einem Niederdruckspeicher 16 als Energiespeicher 1 zu dem Energiespeicher 1 als Hochdruckspeicher 15 geleitet und gespeichert und dadurch hydraulische Energie in den Hochdruckspeicher 15 gespeichert werden. Ferner kann in einem Rekuperationsbetrieb der hydraulische Motor 23 auch als hydraulische Pumpe 24 betrieben werden um dadurch in einem Rekuperationsbetrieb kinetische Energie des nicht dargestellten Kraftfahrzeuges durch das Leiten von Hydraulikflüssigkeit von dem Niederdruckspeicher 16 und durch den hydraulischen Motor 23, welcher als hydraulische Pumpe 24 fungiert, in den Hochdruckspeicher 15 gespeichert werden, weil die hydraulische Pumpe 24 von der Welle 22 und damit den Antriebsrädern 28 angetrieben ist. Durch das Leiten von Hydraulikflüssigkeit unter einem höheren Druck von dem Hochdruckspeicher 15, durch den hydraulischen Motor 23 und zu dem Niederdruckspeicher 16 kann das Kraftfahrzeug angetrieben werden.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Energiespeicher 1 wesentliche Vorteile verbunden. Das elastische Feststoffmaterial des wenigstens einen Speicherteiles 2 ist hydraulisch von dem Hydrauliköl getrennt, so dass dadurch keine negativen chemischen Reaktionen zwischen dem Hydrauliköl und dem elastischen Feststoffmaterial auftreten können. Auch eine Leckage oder ein Bruch einer Wandung 7 des elastischen Feststoffmateriales des wenigstens einen Speicherteiles 2 führt nicht zu einer Leckage an dem Energiespeicher 1, da der Arbeitsraum 8 von dem Kolben 30 und dem Zylinder 32 fluiddicht abgedichtet ist. In dem in 4 dargestellten Energiespeicher 1 ist nach einer Anfangs- oder Endphase des Ein- oder Ausleitens von Hydraulik in oder aus dem Arbeitsraum 8 der Druck p während des Ein- und Ausleitens von Hydraulik in und aus dem Arbeitsraum 8 im Wesentlichen konstant, so dass dadurch der Energiespeicher 1, insbesondere in dem hydraulischen Hybridsystem 20, besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann, weil die Schrägscheibenmaschine 25 für den Betrieb einen Mindestdruck benötigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006004120 A1 [0004]
DE 10230743 A1 [0005]
DE 102013206397 A1 [0006]

Claims

Energiespeicher (1) zur Speicherung von Energie mittels einer elastischen Verformung wenigstens eines elastisch verformbaren Speicherteils (2) aus einem elastischen Feststoffmaterial, umfassend – eine Ein- und Auslassöffnung (4, 5) zum Ein- und Ausleiten eines Hydraulikfluides, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit, – das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil (2), so dass mittels eines Ein- und Ausleitens des Hydraulikfluides in und aus dem Energiespeicher (1) das elastische Speicherteil (2) elastisch verformbar ist, – einen im Volumen variablen Arbeitsraum (8) und das Hydraulikfluid in dem Arbeitsraum (8) angeordnet ist, so dass mittels eines Einleitens des Hydraulikfluides in den Arbeitsraum (8) bei einer Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes (8) das elastische Feststoffmaterial dehnbar oder negativ dehnbar ist und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Arbeitsraum (8) bei einer Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes (8) das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar oder dehnbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der im Volumen variable Arbeitsraum (8) mit einem beweglichen Trennteil (19) hydraulisch von dem wenigstens einen elastischen verformbaren Speicherteil (2) getrennt ist.
Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Arbeitsraum (8) wirkende Druckkraft des Hydraulikfluides mit dem beweglichen Trennteil (19) mittelbar auf das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil (2) übertragbar ist.
Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Trennteil (19) an einem Lagerteil (31), insbesondere mit einer Gleitlagerung, gelagert ist und vorzugsweise zwischen dem Lagerteil (31) und dem Trennteil (18) eine Dichtung (33) angeordnet ist.
Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Trennteil (19) als ein Kolben (30) ausgebildet ist.
Energiespeicher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerteil (31) als ein Zylinder (32) ausgebildet ist und vorzugsweise der Kolben (30) außerhalb des Zylinders (32) angeordnet ist.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Speicherteil (2) aus mehreren, vorzugsweise kugel- oder ringförmigen, Speicherteilen (2) aufgebaut ist und die Speicherteile (2) lose aufeinander liegen oder an einem Befestigungselement (13), insbesondere einem Befestigungsstab (14), beweglich befestigt sind.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Speicherteil (2) als wenigstens ein Stab (17) oder ein Rohr (18) ausgebildet ist.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Speicherteil (2) als wenigstens ein Schlauch (3) ausgebildet ist und vorzugsweise das bewegliche Trennteil (19) innerhalb des wenigstens einen Schlauches (3) angeordnet ist.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des elastischen Feststoffmateriales des wenigstens einen Speicherteils (2) größer, insbesondere um das 1,5-, 2-, 3-, 5-, 7- oder 10-Fache größer, ist als das Volumen des Arbeitsraumes (8) und/oder die Dicke einer Wandung (7) des wenigstens einen Speicherteils (2) größer als 0,1 cm, 0,5 cm, 1 cm, 2 cm oder 5 cm ist.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (1) ein Gehäuse (6) umfasst, welches einen Innenraum (11) einschließt, und in dem Innenraum (11) das wenigstens eine Speicherteil (2) angeordnet ist.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Feststoffmaterial wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, Kunststoff, vorzugsweise Polyurethan, und/oder Kautschuk, insbesondere Nitrilkautschuk oder hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk oder Fluorkarbon-Kautschuk oder Silikonkautschuk oder Naturkautschuk, ist und/oder mit dem Energiespeicher (1) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 12 bis 14 ausführbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers (1), insbesondere eines Energiespeichers (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Einleiten eines Hydraulikfluides in den Energiespeicher (1) und dadurch ein elastisches Feststoffmaterial des wenigstens eines Speicherteils (2) gedehnt oder negativ gedehnt wird, – Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Energiespeicher (1) und dadurch ein elastisches Feststoffmaterial des wenigstens eines Speicherteils (2) negativ gedehnt oder gedehnt wird, – das Hydraulikfluid in einen Arbeitsraum (8) ein- und ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Arbeitsraum (8) wirkende Druckkraft des Hydraulikfluides mit einem beweglichen Trennteil (19) mittelbar auf das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil (2) übertragen wird und während des Dehnens oder negativen Dehnens des wenigstens einen Speicherteils (2) das bewegliche Trennteil (19) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass von dem beweglichen Trennteil (19), insbesondere ausschließlich, eine Translationsbewegung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Arbeitsraum (8) wirkende Druckkraft des Hydraulikfluides mit dem beweglichen Trennteil (19) ausschließlich mittelbar auf das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil (2) übertragen wird, so dass das Hydraulikfluid keinen unmittelbaren Kontakt zu dem wenigstens einen Speicherteil (2) aufweist.
Hydraulisches Hybridsystem (20) für ein Kraftfahrzeug, umfassend – einen hydraulischen Motor (23) zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, – eine hydraulische Pumpe (24) zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, – einen Energiespeicher (1) zur Speicherung von hydraulischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (1) als ein Energiespeicher (1) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist und/oder von dem hydraulischen Hybridsystem (20) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 12 bis 14 ausführbar ist.