DE102013219618A1

DE102013219618A1 - Energiespeicher

Info

Publication number: DE102013219618A1
Application number: DE201310219618
Authority: DE
Inventors: Jan Schotte; Marian Kacmar; Ralph Engelberg; Reiner Luetzeler
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 Ausleiten des Hydraulikfluides in und aus dem Energiespeicher (1) das elastische Speicherteil (2) elastisch verformbar ist, das wenigstens eine Speicherteil (2) einen im Volumen variablen Arbeitsraum (8) einschließt 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 ist und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Arbeitsraum (8) bei einer Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes (8) das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar ist, wobei der Energiespeicher (1) eine Vorrichtung (12) zur Dehnung und negativen Dehnung des wenigstens einen Speicherteils (2) an unterschiedlichen Positionen, insbesondere bei einem identischen Volumen des Arbeitsraumes (8), aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 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 Ausleiten des Hydraulikfluides in und aus dem Energiespeicher das elastische Speicherteil elastisch verformbar ist, das wenigstens eine Speicherteil, welches einen im Volumen variablen Arbeitsraum einschließt, und das Hydraulikfluid in dem Arbeitsraum derart angeordnet ist, dass mittels eines Einleitens des Hydraulikfluides in den Arbeitsraum bei einer Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial dehnbar ist und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Arbeitsraum bei einer Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar ist, wobei der Energiespeicher eine Vorrichtung zur Dehnung und negativen Dehnung des wenigstens einen Speicherteils an unterschiedlichen Positionen, insbesondere bei einem identischen Volumen des Arbeitsraumes, aufweist. Beim Einleiten des Hydraulikfluides in den Arbeitsraum erfolgt an dem Energiespeicher die Dehnung des wenigstens einen Speicherteils ohne der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einer identischen Position. Mittels der Vorrichtung kann beim Einleiten des Hydraulikfluides in den Arbeitsraum das Speicherteil an unterschiedlichen Positionen gedehnt werden, so dass unterschiedliche Bereiche oder Abschnitte des wenigstens einen Speicherteils beim Einleiten des Hydraulikfluides während einer Anfangsphase des Einleitens gedehnt werden. Dadurch erfolgt das Dehnen und negative Dehnen des wenigstens einen Speicherteiles in der Anfangs- und Endphase des Ein- und Ausleitens von Hydraulikfluid in und aus dem Arbeitsraum an unterschiedlichen Positionen, so dass die mechanische Beanspruchung des wenigstens einen Speicherteils gleichmäßiger verteilt ist. Dadurch kann die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des wenigstens einen Speicherteiles aus dem elastischen Feststoffmaterial erhöht werden.
Insbesondere ist das wenigstens eine Speicherteil als ein Schlauch aus dem elastischen Feststoffmaterial ausgebildet und innerhalb des Schlauches ist der Arbeitsraum als ein Arbeitskanal ausgebildet und/oder mit der Vorrichtung, insbesondere bei einem identischen Volumen des Arbeitsraumes, das wenigstens eine Speicherteil an ersten unterschiedlichen Positionen dehnbar und negativ dehnbar ist und an zweiten unterschiedlichen Positionen keine Dehnung und keine negative Dehnung ausführbar ist. Vorzugsweise wird als keine Dehnung und keine negative Dehnung eine geringfügige Dehnung und geringfügige negative Dehnung betrachtet, welche wesentlich kleiner ist als die Dehnung und negative Dehnung an den ersten unterschiedlichen Positionen, wobei wesentlich kleiner bedeutet, dass die geringfüge Dehnung und geringfügige negative Dehnung kleiner ist als 50%, 30%, 20%, 10% oder 5% der Dehnung und negativen Dehnung an den ersten unterschiedlichen Positionen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Dehnung und negative Dehnung des Schlauches in einer Richtung senkrecht zu einer Längsachse des Schlauches größer, insbesondere um das 0,5-, 1-, 2- oder 3-Fache größer, als die Dehnung und negative Dehnung des Schlauches in Richtung der Längsachse des Schlauches.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Dehnung und negativen Dehnung des wenigstens einen Speicherteils dahingehend ausgebildet, dass der Schlauch an unterschiedlichen Positionen in Richtung der Längsachse des Schlauches dehnbar und negativ dehnbar ist.
Vorzugsweise 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 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.
In einer Variante umfasst der Energiespeicher mehrere Speicherteile, z. B. wenigstens fünf, zehn oder zwanzig Speicherteile, und/oder die Vorrichtung zur Dehnung des wenigstens einen Speicherteils ist an unterschiedlichen Positionen dahingehend ausgebildet, dass mit der Vorrichtung die Dehnung des wenigstens einen Speicherteils in einer Anfangsphase des Einleitens von Hydraulikfluid in den Arbeitsraum an unterschiedlichen Positionen dehnbar ist und/oder die Vorrichtung zur negativen Dehnung des wenigstens einen Speicherteils an unterschiedlichen Positionen dahingehend ausgebildet ist, dass mit der Vorrichtung die negative Dehnung des wenigstens einen Speicherteils in einer Endphase des Ausleitens von Hydraulikfluid aus dem Arbeitsraum an unterschiedlichen Positionen negativ dehnbar ist. Die Anfangsphase des Einleitens des Hydraulikfluides umfasst weniger als 10 %, 20 %, 30 % oder 40 % des maximal in das wenigstens eine Speicherteil einleitbaren Volumens an Hydraulikfluid. In der Endphase des Ausleitens von Hydraulikfluid aus dem Arbeitsraum sind weniger als 10 %, 20 %, 30 % oder 40 % Volumen an Hydraulikfluid in dem Arbeitsraum enthalten und dieser Prozentanteil bezieht sich auf das maximal in den Arbeitsraum einleitbare Volumen an Hydraulikfluid. Mittels der Vorrichtung kann somit in der Anfangsphase des Einleitens und in der Endphase des Ausleitens von Hydraulikflüssigkeit eine unterschiedliche Dehnung und/oder negative Dehnung des Speicherteils an unterschiedlichen Positionen erreicht werden. Bei einer vollen und nahezu vollen Füllung des Arbeitsraumes mit dem Hydraulikfluid wird die Dehnung oder negative Dehnung des wenigstens einen Speicherteils von der Vorrichtung vorzugsweise nicht beeinflusst. Durch eine große Anzahl von Speicherteilen kann eine größere hydraulische Energie in dem Energiespeicher gespeichert werden und auch bei einem Schaden an einem Speicherteil kann dadurch weiterhin Energie in dem Energiespeicher mit anderen unbeschädigten Speicherteilen gespeichert werden.
Zweckmäßig weist das wenigstens eine Speicherteil, insbesondere sämtliche Speicherteile, je eine Einlassöffnung auf zum Einleiten des Hydraulikfluides und je eine Auslassöffnung auf zum Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Arbeitsraum und vorzugsweise ist die Einlassöffnung und die Auslassöffnung an je einem Endbereich des Schlauches als Speicherteil ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Energiespeicher ein Gehäuse, welches einen Innenraum einschließt, und in dem Innenraum ist das wenigstens eine Speicherteil angeordnet.
Insbesondere 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.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorrichtung als wenigstens ein beweglicher Außenring ausgebildet, welcher außenseitig auf dem wenigstens einen Speicherteil aufliegt und vorzugsweise ist der bewegliche Außenring in Richtung einer Längsachse des Schlauches bewegbar.
In einer weiteren Variante ist innerhalb des Arbeitsraumes ein beweglicher Innenring als die Vorrichtung ausgebildet, welcher innenseitig auf dem wenigstens einen Speicherteil aufliegt und vorzugsweise ist der bewegliche Innenring in Richtung einer Längsachse des Schlauches bewegbar.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der bewegliche Außenring und/oder der bewegliche Innenring mittels eines Aktuators, z. B. eines elektrischen oder hydraulischen Aktuators, bewegbar.
In einer ergänzenden Variante ist innerhalb des Arbeitsraumes ein Füllrohr angeordnet und das Füllrohr ist von dem wenigstens einen Speicherteil umschlossen und das Füllrohr weist wenigstens zwei Füllein- und/oder Füllauslassöffnungen an unterschiedlichen Positionen auf.
In einer zusätzlichen Ausführungsform sind die wenigstens zwei Füllein- oder Füllauslassöffnungen an unterschiedlichen Positionen in Richtung einer Längsachse des wenigstens einen Speicherteiles ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Füllrohr wenigstens zwei unterschiedliche Kanäle auf, welche zu den wenigstens zwei Füllein- und /oder Füllauslassöffnungen münden und/oder außenseitig auf dem Füllrohr das wenigstens eine Speicherteil aufliegt.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das wenigstens eine Speicherteil aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien mit einem unterschiedlichen E-Modul aufgebaut, insbesondere ist die Wandung des wenigstens einen Speicherteils aus einer Innenschicht und einer Außenschicht aufgebaut und der E-Modul des Materials der Außenschicht ist, verschieden von dem, insbesondere kleiner als der, E-Modul des Materials der Innenschicht. Bei einer Dehnung des wenigstens einen Speicherteiles als ein Schlauch erfolgt an der Außenschicht eine größere Dehnung als an der Innenschicht. Aufgrund des unterschiedlichen, insbesondere kleineren, E-Moduls des Materials an der Innenschicht treten damit an der Wandung des Schlauches im Wesentlichen gleichmäßige Zugkräfte bzw. Zugspannungen auf.
Je größer der Anteil des Volumens des elastischen Feststoffmateriales am Gesamtvolumen des Energiespeichers ist, desto größer ist die von dem Energiespeicher speicherbare Energie bezogen auf das Gesamtvolumen des Energiespeichers, da die Energie durch eine Dehnung des elastischen Feststoffmateriales in den Energiespeicher gespeichert wird. Zweckmäßig beträgt dabei der Volumenanteil des elastischen Feststoffmateriales wenigstens 1 %, 3 %, 5 %, 10 % oder 40 % oder 70 % des Volumens des Energiespeichers. Zweckmäßig ist die Dicke der Wandung des wenigstens einen Speicherteils kleiner als 50 cm, 30cm oder 20 cm.
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.
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 Ausleiten des Hydraulikfluides in und aus dem Energiespeicher das elastische Speicherteil elastisch verformbar ist, das wenigstens eine Speicherteil einen im Volumen variablen Arbeitsraum einschließt 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 ist und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Arbeitsraum bei einer Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar ist, wobei an der Wandung des wenigstens einen Speicherteils eine Aussparung, insbesondere ringförmige Nut, ausgebildet ist, so dass die Dicke der Wandung an der Aussparung kleiner, insbesondere um wenigstens 5 %, 10 %, 20 %, 30 % oder 40 % kleiner, ist als außerhalb der Aussparung. Die Wandung weist somit an der Aussparung eine Schwächung auf, so dass die Dehnung der Wandung beim Einleiten des Hydraulikfluides als Startstelle für die Dehnung in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse des wenigstens einen Speicherteiles dient. Damit erfolgt die Dehnung kontrolliert an der gleichen Stelle beim Einleiten des Hydraulikfluides.
In einer weiteren Ausführungsform ist von dem Gehäuse die Dehnung des wenigstens einen Speicherteils in Richtung der Längsachse des wenigstens einen Speicherteils begrenzt.
Zweckmäßig ist das wenigstens eine Speicherteil als ein im Wesentlichen kugelförmiger Ballon ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist mittels einer Erfassung der radialen und/oder axialen Dehnung des wenigstens einen Speicherteiles der Füllgrad des Energiespeichers erfassbar. Mit einem Sensor wird die radiale Dehnung, d. h. die radiale Ausdehnung bzw. der Durchmessers des wenigstens einen Speicherteils und/oder die axiale Ausdehnung des wenigstens einen Speicherteiles erfasst und hieraus der Füllgrad des Energiespeichers bestimmt.
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.
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 mit einem Außenring in einer ersten Stellung,
2 den Längsschnitt des Energiespeichers gemäß 1 mit dem Außenring in einer zweiten Stellung,
3 den Längsschnitt des Energiespeichers in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Füllrohr,
4 den Längsschnitt des Energiespeichers in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer innenseitigen Aussparung,
5 einen Querschnitt A-A des Schlauches des Energiespeichers gemäß 4 und
6 eine stark vereinfachte Darstellung eines hydraulischen Hybridsystems.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein in den 1 bis 4 in verschiedenen Ausführungsbeispielen 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.
Der Energiespeicher 1 weist ein als Schlauch 3 ausgebildetes Speicherteil 2 auf und der Schlauch 3 ist im Wesentlichen gerade in Richtung einer Längsachse 17 angeordnet. Der Schlauch 3 bzw. das Speicherteil 2, d. h. eine Wandungen 7 des Schlauches 3 besteht, aus einem elastisch verformbaren Feststoffmaterial, z. B. Kautschuk. Der Schlauch 3 begrenzt dabei einen als Arbeitskanal 9 ausgebildeten Arbeitsraum 8. Eine Öffnung 10 an dem Gehäuse mündet in den Arbeitskanal 9, so dass durch die Einlassöffnung 4 Hydraulikflüssigkeit, insbesondere Hydrauliköl, als Hydraulikfluid in den Arbeitsraum 8 eingeleitet werden kann und durch die Auslassöffnung 5 Hydrauliköl aus dem Arbeitsraum 8 ausgeleitet werden kann.
Der Schlauch 3 vergrößert bei einem Erhöhen des Druckes der Hydraulikflüssigkeit in dem Arbeitskanal 9 das Volumen, da bei einem Einleiten der Hydraulikflüssigkeit in den Arbeitskanal 9 und einer Erhöhung des Druckes in dem Arbeitskanal 9 sich das Volumen des Arbeitskanales 9 vergrößert. Die Dehnung bei einer Erhöhung des Volumens des Arbeitskanales 9 bzw. des Volumens des Speicherteiles 2 erfolgt überwiegend in einer Richtung senkrecht zu der Längsachse 17, d. h. radial, und in einem geringeren Umfang auch in Richtung der Längsachse 17.
Das Gehäuse 6 aus glasfaserverstärkten Kunststoff begrenzt den Innenraum 11 und innerhalb dieses Innenraumes 11 ist der Schlauch 3 angeordnet. Das Gehäuse 6 aus Metall oder Kunststoff ist dabei insbesondere erforderlich, um mechanische Beschädigungen an dem Schlauch 3 von außen zu vermeiden. 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. Bei einem gekrümmten Gehäuse 6 ist auch die Längsachse 17 gekrümmt.
Zur Speicherung von hydraulischer Energie in dem Energiespeicher 1 wird durch die Einlassöffnung 4 eine Hydraulikflüssigkeit in den Arbeitsraum 8 des Schlauches 3 eingeleitet. Beim Einleiten des Hydrauliköles in den Arbeitsraum 8 des Schlauches 3 wird der Druck der Hydraulikflüssigkeit in dem Arbeitsraum 8 erhöht. Dadurch wirkt der Druck der Hydraulikflüssigkeit in dem Arbeitsraum 8 gleichmäßig auf die Innenseite des Schlauches 3.
Bei der Speicherung von hydraulischer Energie in dem Energiespeicher 1 wird somit der Druck in dem Arbeitsraum 8 erhöht und dadurch erfolgt eine Dehnung des Schlauches 3, so dass dadurch die Größe bzw. Ausdehnung des Schlauches 3 erhöht wird. Dadurch wird das Volumen des Arbeitskanales 9 vergrößert. Die hydraulische Energie ist somit durch eine elastische Verformung der Wandungen 7 der Speicherteile 2 in dem Energiespeicher 1 gespeichert. Zum Entladen des Energiespeichers 1 wird mittels eines Ventiles 31 an der Auslassöffnung 5 Hydraulikflüssigkeit aus dem Arbeitsraum 8 ausgeleitet, so dass dadurch der Druck in den Arbeitsraum 8 reduziert wird und dabei eine negative Dehnung bzw. Verkleinerung überwiegend des Durchmessers des Schlauches 3 und in einem geringeren Umfang auch der Länge des Schlauches 3 auftritt. Es tritt somit eine elastische Rückverformung als negative Dehnung des Schlauches 3 auf, so dass dadurch der Druck in den Arbeitsräumen 8 reduziert wird.
Die Wandungen 7 des Schlauches 3 weisen eine große Dicke auf, z. B. im Bereich von 0,2 cm oder 1 cm und der Arbeitskanal 9 weist bei einem Druck in dem Arbeitskanal 9, 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 Wandungen 7 des Schlauches 3 groß, so dass dadurch in dem Energiespeicher 1 eine große Energiemenge pro Volumeneinheit des Energiespeichers 1 gespeichert werden kann, da der Volumenanteil des elastischen Feststoffmateriales des Schlauches 3 an dem Energiespeicher 1 groß ist. Die Energiespeicherung in dem Energiespeicher 1 erfolgt durch die elastische Verformung und Dehnung der Wandungen 7 des Schlauches 3 aus dem elastischen Feststoffmaterial.
In 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1 mit einer Vorrichtung 12 zur Dehnung und negativen Dehnung des wenigstens einen Speicherteils an unterschiedlichen Positionen dargestellt. Die Vorrichtung 12 ist dabei als ein Außenring 13 ausgebildet. Der Außenring 13 liegt außenseitig auf dem Schlauch 3 mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser auf, sofern der Schlauch 3 nicht geladen ist, d. h. die Wandungen 7 des Schlauches 3 ausgerichtet sind gemäß der Darstellung in 1 und 2 in durchgezogenen Linien. Bei einem geöffneten Ventil 31 während einer Anfangsphase des Einleitens von Hydraulikflüssigkeit in den Arbeitskanal 9 würde ohne dem Außenring 13 die Dehnung senkrecht zu der Längsachse 17 des Schlauches 3 zunächst ausschließlich am linken Endbereich im Bereich der Ein- und/oder Auslassöffnung 4, 5 erfolgen und diese radiale Dehnung sich dann in Richtung der Längsachse 17 fortsetzen. Dies würde dazu führen, dass sich der Schlauch 3 beim Ein- und/oder Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit überwiegend in einer Anfangs- und/oder Endphase die radiale Dehnung des Schlauches überwiegend an dem linken Endbereich gemäß 1 und 2 des Schlauches 3 ausgeführt werden würde, so dass dadurch die Wandung 7 des Schlauches 3 an diesem linken Endbereich des Schlauches 3 aus dem elastischen Feststoffmaterial einer großen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt wäre. Mittels des in Richtung der Längsachse 17 bewegbaren Außenringes 13 erfolgt gemäß der Darstellung in 1 bei einer Position des Außenringes 13 im Bereich der Ein- und/oder Auslassöffnung beim Einleiten der Hydraulikflüssigkeit in dem Arbeitsraum 8 die radiale Dehnung der Wandung 7 in Richtung der Längsachse 17 rechts von dem Außenring 13. Die radiale Dehnung der Wandung 7 während der Anfangsphase des Einleitens von Hydraulikflüssigkeit in den Arbeitsraum 8 ist in 1 und 2 strichliert dargestellt. Darüber hinaus dehnt sich der Schlauch 3 auch in einem geringeren Umfang in Richtung der Längsachse 17 gemäß der strichlierten Darstellung des Schlauches 3 am rechten Endbereich. In 2 ist der Außenring 13 gegenüber der in 1 dargestellten Position in Richtung der Längsachse 17 nach rechts bewegt. In dieser Position kann somit während der Anfangsphase des Einleitens von Hydraulikflüssigkeit in dem Arbeitsraum 8 die radiale Dehnung des Schlauches 3 in Richtung der Längsachse 17 zwischen der Ein- und/oder Auslassöffnung 4, 5 und dem Außenring 13 erfolgen gemäß der Darstellung in 2. Bei einem weiteren Einleiten von Hydraulikflüssigkeit in den Arbeitsraum 8 erfolgt auch eine nicht dargestellte radiale Dehnung der Wandung 7 rechts von dem Außenring 13. Zur besseren Führung der Wandung 7 des Schlauches 3 kann innerhalb des Arbeitsraumes 8 auch ein Innenring 14 angeordnet sein und der Außenring 13 und der Innenring 14 werden dabei in Richtung der Längsachse 17 zusammen bewegt. Vorzugsweise wird bei der vollständigen Befüllung bzw. Aufladung des Energiespeichers 1 der Außenring 13 außerhalb des Schlauches 3 bewegt, so dass der Schlauch 3 in der radialen Dehnung nicht axial lokal von dem Außenring 13 behindert ist.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1 mit der Vorrichtung 12 als einem Füllrohr 36 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 beschrieben. Das Füllrohr 36 weist zwei getrennte Kanäle 30 auf, die mittels eines Ventils 31 getrennt mittels Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar sind, d. h. nur durch den oberen Kanal 31 kann Hydraulikflüssigkeit in den Arbeitsraum 8 ein- und ausgeleitet werden und dies gilt auch für den in 3 weiter unten dargestellten Kanal 30. Jeder Kanal mündet dabei in mehrere Fülleinlassöffnungen und Füllauslassöffnungen 19 in gleicher axialer Ausrichtung, wobei in 3 jeweils nur eine Füllein- und -auslassöffnung 18, 19 dargestellt ist. Die Füllein- und/oder -auslassöffnung 18, 19, jeweils für einen Kanal 30, sind dabei umlaufend an dem im Querschnitt kreisförmigen Füllrohr 36 ausgebildet. Bei einem Einleiten von Hydraulikflüssigkeit durch den in 3 unten dargestellten Kanal 30 strömt die Hydraulikflüssigkeit ausschließlich durch die Fülleinlassöffnungen 18 am Ende des unteren Kanales 30 in den Innenraum 8 ein, so dass in der Anfangsphase des Einleitens von Hydraulikflüssigkeit gemäß der in 3 mit strichlierten Linien dargestellten Wandungen 7 zunächst die radiale Dehnung des Schlauches 3 erfolgt. Bei einem weiteren Einleiten von Hydraulikflüssigkeit durch den unteren Kanal 30 erfolgt die Ausdehnung der radialen Dehnung in Richtung der Längsachse 17 gleichmäßig verteilt nach links oder rechts. Bei einem Einleiten von Hydrauliköl durch den oberen Kanal 30 wird das Hydrauliköl ausschließlich durch die Fülleinlassöffnungen 18 am Ende des oberen Kanales 30 in den Arbeitsraum 8 eingeleitet und diese Fülleinlassöffnungen 18 weisen einen axialen Abstand zu den Fülleinlassöffnungen 18 an dem unteren Kanal 30 auf. Durch das Einleiten von Hydraulikflüssigkeit entweder in den oberen oder unteren Kanal 30 kann somit der Schlauch 3 an unterschiedlichen Positionen während der Anfangsphase, d. h. bei einem identischen Volumen des Arbeitsraumes 8, gedehnt werden. Dies gilt analog auch für das Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit aus dem Arbeitsraum 8.
In 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 beschrieben. Der im Querschnitt kreisförmige Schlauch 3 weist innenseitig eine als ringförmige Nut 33 ausgebildete Aussparung 32 auf. Währen der Anfangsphase des Einleitens von Hydraulikflüssigkeit in den Arbeitsraum 8 tritt somit die radiale Dehnung zuerst im Bereich der ringförmigen Nut 33 auf. Vorzugsweise kann mit einem nicht dargestellten Hüllrohr die Dehnung des Schlauches 3 im Bereich der Aussparung 32 begrenzt werden. Die Aussparung 32 dient damit als Startpunkt für den Beginn der radialen Dehnung des Schlauches 3. Der Schlauch 3 weist in seinem Querschnitt eine Innenschicht 34 und eine Außenschicht 35 auf. Der E-Modul des Materials der Außenschicht 35 ist dabei kleiner als der E-Modul des Materials der Innenschicht 34. Während der radialen Dehnung des Schlauches 3 werden die Zugspannungen bzw. Zugkräfte innerhalb der Wandungen 7 des Schlauches 3 erhöht. Dabei treten aufgrund der Geometrie an der Außenschicht 35 größere Dehnungen auf als an der Innenschicht 34. Aufgrund dieser unterschiedlichen E-Module der Innen- und Außenschicht 34, 35 weist somit die Wandung 7 des Schlauches 3 überwiegend konstante Zugspannungen bzw. Zugkräfte auf.
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. Die Vorrichtung 12 zur Dehnung und negativen Dehnung des wenigstens einen Speicherteiles an unterschiedlichen Positionen ermöglicht es, dass während der Anfangs- und Endphase des Ein- und Ausleitens von Hydraulikflüssigkeit in und aus dem Arbeitsraum 8 die Wandung 7 des Schlauches 3 an unterschiedlichen Positionen in Richtung der Längsachse 17 des Schlauches 3 radial gedehnt und/oder negativ gedehnt wird, so dass dadurch die mechanische Beanspruchung des Schlauches 3 aus dem elastischen Feststoffmaterial gleichmäßiger in Richtung der Längsachse 17 des Schlauches 3 über die Wandungen 7 des Schlauches 3 verteilt ist. Dadurch kann die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Schlauches 3 im Betrieb des Energiespeichers 1 erhöht werden, weil das Dehnen und das negative Dehnen des elastischen Feststoffmateriales der Wandung 7 des Schlauches 3 zu einem Verschleiß und einer Materialermüdung des Schlauches 3 führt, dieser jedoch gleichmäßiger über den Schlauch 3 verteilt ist und dadurch die Gesamtlebensdauer des Schlauches 3 in vorteilhafter Weise erhöht ist.
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 Ausleiten des Hydraulikfluides in und aus dem Energiespeicher (1) das elastische Speicherteil (2) elastisch verformbar ist, – das wenigstens eine Speicherteil (2), welches einen im Volumen variablen Arbeitsraum (8) einschließt, und das Hydraulikfluid in dem Arbeitsraum (8) derart angeordnet ist, dass mittels eines Einleitens des Hydraulikfluides in den Arbeitsraum (8) bei einer Vergrößerung des Volumens des Arbeitsraumes (8) das elastische Feststoffmaterial 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 ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (1) eine Vorrichtung (12) zur Dehnung und negativen Dehnung des wenigstens einen Speicherteils (2) an unterschiedlichen Positionen, insbesondere bei einem identischen Volumen des Arbeitsraumes (8), aufweist.
Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Speicherteil (2) als ein Schlauch (3) aus dem elastischen Feststoffmaterial ausgebildet ist und innerhalb des Schlauches (3) der Arbeitsraum (8) als ein Arbeitskanal (9) ausgebildet ist und/oder mit der Vorrichtung (12), insbesondere bei einem identischen Volumen des Arbeitsraumes (8), das wenigstens eine Speicherteil (2) an ersten unterschiedlichen Positionen dehnbar und negativ dehnbar ist und an zweiten unterschiedlichen Positionen keine Dehnung und keine negative Dehnung ausführbar ist.
Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnung und negative Dehnung des Schlauches (3) in einer Richtung senkrecht zu einer Längsachse (17) des Schlauches (3) großer, insbesondere um das 0,5-, 1-, 2- oder 3-Fache größer, ist als die Dehnung und negative Dehnung des Schlauches (3) in Richtung der Längsachse (17) des Schlauches (3).
Energiespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (12) zur Dehnung und negativen Dehnung des wenigstens einen Speicherteils (2) dahingehend ausgebildet ist, dass der Schlauch (3) an unterschiedlichen Positionen in Richtung der Längsachse (17) des Schlauches (3) dehnbar und negativ dehnbar 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) mehrere Speicherteile (2), z. B. wenigstens fünf, zehn oder zwanzig Speicherteile (2), umfasst und/oder die Vorrichtung (12) zur Dehnung des wenigstens einen Speicherteils (2) an unterschiedlichen Positionen dahingehend ausgebildet ist, dass mit der Vorrichtung (12) die Dehnung des wenigstens einen Speicherteils (2) in einer Anfangsphase des Einleitens von Hydraulikfluid in den Arbeitsraum (8) an unterschiedlichen Positionen dehnbar ist und/oder die Vorrichtung (12) zur negativen Dehnung des wenigstens einen Speicherteils (2) an unterschiedlichen Positionen dahingehend ausgebildet ist, dass mit der Vorrichtung (12) die negative Dehnung des wenigstens einen Speicherteils in einer Endphase des Ausleitens von Hydraulikfluid aus dem Arbeitsraum (8) an unterschiedlichen Positionen negativ dehnbar ist.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Speicherteil (2), insbesondere sämtliche Speicherteile (2), je eine Einlassöffnung (4) aufweist zum Einleiten des Hydraulikfluides und je eine Auslassöffnung (5) aufweist zum Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem Arbeitsraum (8) und vorzugsweise die Einlassöffnung (4) und die Auslassöffnung (5) an je einem Endbereich des Schlauches (3) als Speicherteil (2) ausgebildet 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.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (12) als wenigstens ein beweglicher Außenring (13) ausgebildet ist, welcher außenseitig auf dem wenigstens einen Speicherteil (2) aufliegt und vorzugsweise der bewegliche Außenring (13) in Richtung einer Längsachse (17) des Schlauches (3) bewegbar ist.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Arbeitsraumes (8) ein beweglicher Innenring (14) als die Vorrichtung (12) ausgebildet ist, welcher innenseitig auf dem wenigstens einen Speicherteil (2) aufliegt und vorzugsweise der bewegliche Innenring (14) in Richtung einer Längsachse (17) des Schlauches (3) bewegbar ist.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Arbeitsraumes (8) ein Füllrohr (36) angeordnet ist und das Füllrohr (36) von dem wenigstens einen Speicherteil (2) umschlossen ist und das Füllrohr (36) wenigstens zwei Füllein- und/oder Füllauslassöffnungen (18, 19) an unterschiedlichen Positionen aufweist.
Energiespeicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllrohr (36) wenigstens zwei unterschiedliche Kanäle (30) aufweist, welche zu den wenigstens zwei Füllein- und /oder Füllauslassöffnungen (18, 19) münden und/oder außenseitig auf dem Füllrohr (36) das wenigstens eine Speicherteil (2) aufliegt.
Energiespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Speicherteil (2) aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien mit einem unterschiedlichen E-Modul aufgebaut ist, insbesondere die Wandung (7) des wenigstens einen Speicherteils (2) aus einer Innenschicht (34) und einer Außenschicht (35) aufgebaut ist und der E-Modul des Materials der Außenschicht (35) verschieden von dem, insbesondere kleiner als der, E-Modul des Materials der Innenschicht (34) ist.
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 vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.