DE102014001850A1 - Increase the range of electric and hybrid cars by recovering energy by means of a flywheel integrated into the wheel drive system - Google Patents

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Abstract

Radantriebssystem mit Schwungmasse bestehend aus einem Motor (1), eine Motorachse (3), einem Generator (2), einer Generatorachse (4), zwei Bremsklötzen (9), einer Bremsscheibe (16), einem Schieber (8) mit Hacken (7), einem Reifen (5), einer Felge (6), einem Batteriesystem (11), einem Kugellager (10), einer Kupplungsdruckplatte (17), mehreren Kupplungsfedern (13), mehreren Superkondensatoren (12), zwei Kohlebürsten (23), mehreren Elektrokabel (24). Radantriebssystem mit Schwungmasse dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten eine funktionstüchtige Einheit zur Energierückgewinnung ergeben.Wheel drive system with flywheel consisting of a motor (1), a motor shaft (3), a generator (2), a generator axle (4), two brake pads (9), a brake disc (16), a slider (8) with hooks (7 ), a tire (5), a rim (6), a battery system (11), a ball bearing (10), a clutch pressure plate (17), a plurality of clutch springs (13), a plurality of supercapacitors (12), two carbon brushes (23), several electrical cables (24). Wheel drive system with flywheel characterized in that the components give a functional unit for energy recovery.

Description

Stand der TechnikState of the art

In den 90e Jahren wurden Busse (Gyrobusse) mit Schwungradspeichern eingesetzt. Es gab und gibt sehr viele Anwendungen in denen Schwungräder als Energiespeicher für elektrische Systeme eingesetzt werden. Diese bestehen aus einem schnell rotierenden Rad, das über einen Motorgenerator die elektrische Energie in seine Drehbewegung umsetzt oder wieder abgibt. Dieses System ist in der Lage, kurzfristig hohe Energiemengen bereitzustellen. Moderne Schwungradspeicher können lokal kurzzeitige Last- und Erzeugungsschwankungen ausgleichen weil sie kurzfristig in breiten Leistungsbereichen regelbar sind. Heutige Schwungräder arbeiten mit Magnetlagern, fast ohne Reibung in Vakuumgehäusen. In der modernen Technik erleben Schwungräder erneut eine Renaissance. Begonnen hat die Entwicklung moderner Schwungradrotoren in den USA für Raumfahrtanwendungen. Für Satelliten und kleine Raumstationen werden Schwungräder als kinetische Energiespeicher zur Überbrückung der Energieversorgung im Erdschatten und gleichzeitig zur Lageregelung eingesetzt. Möglichkeiten von Energiespeicherung existieren auch bei Fahrzeugen, wo die Energie trotz Lastschwankungen, mit wesentlich besserem Wirkungsgrad erzeugt wird. Das Schwungrad kann die gespeicherte kinetische Energie ohne zusätzliche Wirkungsgradverluste abgeben. Dadurch kann die Energieversorgung in jedem Fall sichergestellt und für die Speicherung in Batterien verwendet werden. Das in einer rotierenden Masse Energie gespeichert werden kann, steht wohl außer Frage. Nehmen wir als Beispiel Vijelko Milkowitch mit seinem zweistufigen Oszillator. Er verweist auf einen 12-fachen Energieaustrag (COP 12)!In the 90s, buses (gyro buses) with flywheel stores were used. There were and are very many applications in which flywheels are used as energy storage for electrical systems. These consist of a fast rotating wheel, which converts the electrical energy into its rotary motion via a motor generator or releases it again. This system is capable of providing high levels of energy in the short term. Modern flywheel storage systems can compensate for short-term load and generation fluctuations locally because they can be controlled in broad power ranges at short notice. Today's flywheels work with magnetic bearings, almost without friction in vacuum housings. Flywheels are once again experiencing a renaissance in modern technology. The development of modern flywheel rotors in the USA began for space applications. For satellites and small space stations flywheels are used as kinetic energy storage to bridge the energy supply in the earth's shadow and at the same time to the position control. Possibilities of energy storage also exist in vehicles, where the energy is generated despite load fluctuations, with much better efficiency. The flywheel can deliver the stored kinetic energy without additional efficiency losses. As a result, the power supply can be ensured in any case and used for storage in batteries. That can be stored in a rotating mass of energy is probably out of the question. Take Vijelko Milkowitch as an example with his two-stage oscillator. He points to a 12-fold depletion of energy (COP 12)!

Aufgabetask

Die Aufgabe besteht darin, die Reichweite von Elektro- und Hybridfahrzeugen zu erhöhen und dadurch Energie einzusparen.The task is to increase the range of electric and hybrid vehicles and thereby save energy.

Lösungsolution

Verwendung eines der ältesten und effizientesten Möglichkeiten zur Energiespeicherung und Energieabgabe – das Schwungrad.Using one of the oldest and most efficient ways to store energy and release energy - the flywheel.

Beschreibungdescription

Fig. 1: SchwungmasseFig. 1: flywheel

Als Schwungmasse bezeichnen wir das Antriebsrad (15) des Elektro- bzw. Hybridautos. Diese Schwungmasse kann auf ein oder auf zwei Antriebsräder verteilt werden. In unseren Beispielen und Beschreibungen beziehen wir uns überwiegend auf ein Antriebsrad (15), welches auf der hinteren Achse des Elektro- bzw. Hybridautos positioniert ist. Das Antriebsrad (15) besteht aus dem Reifen (5) und der der Felge (6). In die Felge integriert wird das Batteriesystem (11), durch dessen Masse das Antriebsrad (15) die Eigenschaften und die physikalischen Vorteile eines Schwungrades erhält. Die Formeln, die sich dahinter verbergen, lassen darauf schließen, dass die Masse des Antriebsrades (15) von entscheidender Bedeutung ist. Bezogen auf unser Elektro- bzw. Hybridfahrzeug kann das Schwungrad bei Berücksichtigung bestimmter Kriterien als Energiegeber oder als Energiespeicher dienen, abhängig davon ob gerade beschleunigt wird, ob bergab oder eben gefahren wird oder ob Rückenwind herrscht. Das in die Felge integrierte Batteriesystem (11) stellt im Prinzip eine zweite Masse dar, welche sich auf dem Kugellager (10) auch unabhängig vom Antriebsrad (15) drehen kann, wenn z. B. das Fahrzeug abgebremst wird oder kurzfristig stehen bleibt (Ampel).As flywheel we refer to the drive wheel ( 15 ) of the electric or hybrid car. This flywheel can be distributed to one or two drive wheels. In our examples and descriptions we mainly refer to a drive wheel ( 15 ), which is positioned on the rear axle of the electric or hybrid car. The drive wheel ( 15 ) consists of the tire ( 5 ) and the rim ( 6 ). Integrated into the rim is the battery system ( 11 ), by the mass of the drive wheel ( 15 ) receives the characteristics and physical advantages of a flywheel. The formulas that lie behind suggest that the mass of the drive wheel ( 15 ) is of crucial importance. Based on our electric or hybrid vehicle, the flywheel can be used as an energy source or as energy storage, taking into account certain criteria, depending on whether it is currently accelerating, whether downhill or just driven or whether tailwind prevails. The battery system integrated in the rim ( 11 ) represents in principle a second mass, which is located on the ball bearing ( 10 ) also independent of the drive wheel ( 15 ) can rotate when z. B. the vehicle is decelerated or stops short term (traffic light).

Diese zusätzliche Energie aus der Schwungmasse des Batteriesystems (11) treibt in dieser Zeit den Generators (2) an, welcher die Batterie (11) auflädt.This extra energy from the flywheel of the battery system ( 11 ) drives the generator during this time ( 2 ) to which the battery ( 11 ).

Wir bezeichnen deshalb unser Antriebsrad (15) auch als Zweimassenschwungrad.We therefore refer to our drive wheel ( 15 ) Also as a dual mass flywheel.

Fig. 1-1: Schwungmasse I (21)Fig. 1-1: Inertia I ( 21 )

Die Schwungradmasse I (21) in 1-1 enthält folgende Komponenten:

  • a) Eine Kupplung mit der Druckplatte (17) und der Kupplungsscheibe (14), welche dafür sogen, dass das Batteriesystem (11) stoßfrei von der Antriebsachse (3) entkoppelt bzw. hinzugekoppelt werden kann.
  • b) Die Kupplungsfedern (13) sorgen dafür, dass das Batteriesystem (11), d. h. die Schwungmasse II (22), hinzu oder abgekoppelt werden kann.
  • c) Ebenfalls zur Schwungmasse I (21) gehört die Felge (6)
  • d) Ebenfalls zur Schwungmasse I (21) gehört der Reifen (5).
The flywheel mass I ( 21 ) in 1-1 contains the following components:
  • a) A coupling with the pressure plate ( 17 ) and the clutch disc ( 14 ), which for that the battery system ( 11 ) bumpless from the drive axle ( 3 ) can be decoupled or added.
  • b) The clutch springs ( 13 ) ensure that the battery system ( 11 ), ie the flywheel II ( 22 ), or can be disconnected.
  • c) Also for flywheel I ( 21 ) belongs the rim ( 6 )
  • d) Also to flywheel I ( 21 ) belongs the tire ( 5 ).

All diese Elemente drehen sich um die Antriebsachse (3).All these elements revolve around the drive axle ( 3 ).

Beim Bremsen entkoppelt der Schieber (8) mittels der Druckplatte (17) die Schwungradmasse II (22). Diese dreht sich ab diesem Zeitpunkt auf dem Kugellager (10) weiter, unabhängig davon, wie oft das Bremspedal getreten wird. Erst beim Betätigen des Gaspedals bewegt sich der Schieber (8) in entgegengesetzte Richtung und koppelt die Schwungmasse II (22) wieder an.When braking, the slider decouples ( 8th ) by means of the pressure plate ( 17 ) the flywheel mass II ( 22 ). This turns from this time on the ball bearing ( 10 ), regardless of how often the brake pedal is pressed. Only when the accelerator pedal is actuated does the slider move ( 8th ) in the opposite direction and couples the flywheel II ( 22 ) back to.

Fig. 1-2: Schwungmasse II (22)Fig. 1-2: Flywheel II ( 22 )

Die Schwungmasse II (22) in 1-2 enthält folgende Komponenten:

  • a) Das Batteriesystem (11), welches direkt oder über Kohlebürsten (23) mit dem Elektromotor (1), aber auch mit dem Generator (2) verbunden ist
  • b) Die Achse (4) des Generators (2), welche sich unabhängig von der Antriebsachse (3) des Motors drehen kann.
  • c) Zwei oder mehrere Superkondensatoren (12), die überschüssige Energie speichern und an das Batteriesystem (11) abgeben können.
The flywheel II ( 22 ) in 1-2 contains the following components:
  • a) The battery system ( 11 ), which directly or via carbon brushes ( 23 ) with the electric motor ( 1 ), but also with the generator ( 2 ) connected is
  • b) The axis ( 4 ) of the generator ( 2 ), which are independent of the drive axle ( 3 ) of the engine can rotate.
  • c) two or more supercapacitors ( 12 ), which store excess energy and send it to the battery 11 ).

Ebenfalls in die Schwungmasse II (22) kann sowohl der Elektromotor (1) und der Genarator (2) als Radnabermotor/-genarator und auch das Batteriemanagementsystem (BMS) integriert werden.Also in the flywheel II ( 22 ), both the electric motor ( 1 ) and the genarator ( 2 ) as Radnabermotor / -genarator and the battery management system (BMS) are integrated.

Fig. 2 und Fig. 2-1: Energierückgewinnung mittels SchwungradFig. 2 and Fig. 2-1: Energy recovery by flywheel

In 2 und 2-1 sind die beiden Schwungmassen I (21) und II (22) bzw. die Achse (3) und die Achse (4) gekoppelt, d. h. Motor (1), Schwungrad (15) und der Generator (2) drehen sich mit gleicher Winkelgeschwindigkeit. Motor (1) und Generator (2) sind nicht im Schwungrad (15) integriert.In 2 and 2-1 are the two momentum masses I ( 21 ) and II ( 22 ) or the axis ( 3 ) and the axis ( 4 ), ie motor ( 1 ), Flywheel ( 15 ) and the generator ( 2 ) rotate at the same angular velocity. Engine ( 1 ) and generator ( 2 ) are not in the flywheel ( 15 ) integrated.

Zur einfacheren Erklärung haben wir die Variante mit einem mechanischen Relais (18) dargestellt. Es wird in Praxis eine elektronische Steuerung verwendet.For a simpler explanation, we have the variant with a mechanical relay ( 18 ). In practice, an electronic control is used.

Der Motor (1) wird vom Batteriesystem (11) gespeist und dreht gleichzeitig das Schwungrad (15) und den Generator (2). Der Strom, hier notiert mit IA1, fließt durch den Motor (1) und das Schaltrelais S1 in Richtung Masse. S1 ist in diesem Fall geschlossen. Es drehen sich sowohl das Schwungrad (15) als auch der Rotor des Genartors (2). Dieser induziert im Stator (20) des Generators (2) einen steigenden Feldstrom IA2. Hat dieser Feldstrom IA2 eine vorbestimmte Stärke erreicht, schließt das bisher offene Schaltrelais S2 während gleichzeitig das Schaltrelais S1 öffnet. D. h., dass der Motor (1) ab diesem Zeitpunkt vom Batteriesystem (11) getrennt ist und keine Energie verbraucht. Ab diesem Zeitpunkt wird die im Generator (2) erzeugte Energie an das Batteriesystem (11) solange geliefert, bis entweder die im Schwungrad (15) gespeicherte Energie verbraucht ist, bzw. eine höhere Energie durch Betätigung des Gaspedals angefordert wird. Wir erziehlen dadurch eine Energierückgewinnung, weil der Motor (1) in dieser Zeit keine Energie vom Batteriesystem (11) bezieht.The motor ( 1 ) is supplied by the battery system ( 11 ) and simultaneously turns the flywheel ( 15 ) and the generator ( 2 ). The current, here marked with I A1 , flows through the motor ( 1 ) and the switching relay S1 in the direction of ground. S1 is closed in this case. Both the flywheel ( 15 ) as well as the rotor of the Genartors ( 2 ). This induces in the stator ( 20 ) of the generator ( 2 ) an increasing field current I A2 . If this field current I A2 has reached a predetermined strength, closes the previously open switching relay S2 while simultaneously opens the switching relay S1. This means that the engine ( 1 ) from this time on the battery system ( 11 ) is disconnected and consumes no energy. From this point on, the generator ( 2 ) generated energy to the battery system ( 11 ) until either the flywheel ( 15 ) stored energy is consumed, or a higher energy is requested by pressing the accelerator pedal. We get an energy recovery because the engine ( 1 ) in this time no energy from the battery system ( 11 ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Elektromotor (Hauptmotor/Generator)Electric motor (main motor / generator)
22
Generatorgenerator
33
Antriebsachse MotorDrive axle motor
44
Antriebsachse GeneratorsDrive axle generator
55
Reifentires
66
Felge(n)Rims)
77
Schieberhackenslide hacking
88th
Schieber (schiebt und zieht die Kupplungseinheit)Slider (pushes and pulls the coupling unit)
99
Bremsklötzebrake pads
1010
Kugellagerball-bearing
1111
Batteriesystembattery system
1212
Superkondensatoren (integriert in Schwungrad)Supercapacitors (integrated in flywheel)
1313
KupplungsfedernKupplungsfedern
1414
Kupplungsscheibeclutch disc
1515
Antriebsrad/SchwungradCogs / Flywheel
1616
Bremsscheibebrake disc
1717
KupplungsdruckplatteClutch Pressure Plate
1818
Relaisrelay
1919
Stator MotorStator motor
2020
Stator GeneratorStator generator
2121
Schwungmasse IFlywheel I
2222
Schwungmasse IIFlywheel II
2323
Kohlebürstencarbon brushes
2424
Elektrokabelelectric cable
S1 u. S2S1 and S2
Schaltrelaisswitching Relays

Claims (14)

Radantriebssystem mit Schwungmasse bestehend aus einem Motor (1), eine Motorachse (3), einem Generator (2), einer Generatorachse (4), zwei Bremsklötzen (9), einer Bremsscheibe (16), einem Schieber (8) mit Hacken (7), einem Reifen (5), einer Felge (6), einem Batteriesystem (11), einem Kugellager (10), einer Kupplungsdruckplatte (17), mehreren Kupplungsfedern (13), mehreren Superkondensatoren (12), zwei Kohlebürsten (23), mehreren Elektrokabel (24). Radantriebssystem mit Schwungmasse dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten eine funktionstüchtige Einheit zur Energierückgewinnung ergeben.Wheel drive system with flywheel consisting of a motor ( 1 ), a motor axis ( 3 ), a generator ( 2 ), a generator axis ( 4 ), two brake pads ( 9 ), a brake disc ( 16 ), a slider ( 8th ) with hoes ( 7 ), a tire ( 5 ), a rim ( 6 ), a battery system ( 11 ), a ball bearing ( 10 ), a clutch pressure plate ( 17 ), a plurality of clutch springs ( 13 ), several supercapacitors ( 12 ), two carbon brushes ( 23 ), several electrical cables ( 24 ). Wheel drive system with flywheel characterized in that the components give a functional unit for energy recovery. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hinterachse der Motor (1), das Antriebsrad/Schwungrad (15) und der Generator (2) angebracht werden.Wheel drive system with flywheel according to claim 1, characterized in that on the rear axle of the engine ( 1 ), the drive wheel / flywheel ( 15 ) and the generator ( 2 ). Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad/Antriebsräder (15) als Schwungrad/Schwungräder arbeiten.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 2, characterized in that the drive wheel / drive wheels ( 15 ) work as a flywheel / flywheels. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (11) im Antriebsrad/Schwungrad (15) bzw. in beiden Antriebsrädern/Schwungrädern (15) eingebaut wird.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 3, characterized in that the battery system ( 11 ) in the drive wheel / flywheel ( 15 ) or in both drive wheels / flywheels ( 15 ) is installed. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das Antriebsrad/Schwungrad (15) das Batteriemanagementsystem eingebaut wird.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 4, characterized in that in the drive wheel / flywheel ( 15 ) the battery management system is installed. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsrad/Schwungrad (15) auch die elektronische Steuerung des Motors (1) und des Generators (2) eingebaut werden.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 5, characterized in that in the drive wheel / flywheel ( 15 ) also the electronic control of the engine ( 1 ) and the generator ( 2 ) to be built in. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsrad/Schwungrad (15) auch zwei oder mehrere Superkondensatoren (12) eingebaut werden.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 6, characterized in that in the drive wheel / flywheel ( 15 ) also two or more supercapacitors ( 12 ) to be built in. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsrad/Schwungrad (15) auch der Motor (1) und der Generator (2) als Radnabenmotor/-generator eingebaut werden.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 7, characterized in that in the drive wheel / flywheel ( 15 ) also the engine ( 1 ) and the generator ( 2 ) be installed as a hub motor / generator. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen Motor (1) bzw. Generator (2) direkt oder mittels Kohlebürsten erfolgt.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 8, characterized in that the electrical connection between engine ( 1 ) or generator ( 2 ) takes place directly or by carbon brushes. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad/Schwungrad (15) als Zweimassenschwungrad gebaut wird.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 9, characterized in that the drive wheel / flywheel ( 15 ) is built as a dual mass flywheel. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse II (22) als Energiespeicher beim Bremsen oder beim Anhalten dient.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 10, characterized in that the flywheel II ( 22 ) as energy storage when braking or stopping. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelung bzw. Entkoppelung der Schwungmassen I (21) und II (22), elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder in anderer Form erfolgen kann.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 11, characterized in that the coupling or decoupling of the flywheel masses I ( 21 ) and II ( 22 ), electrically, mechanically, hydraulically or in another form. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (2) auch als Motor arbeitet.Wheel drive system with flywheel mass according to claim 1 to 12, characterized in that the generator ( 2 ) also works as a motor. Radantriebssystem mit Schwungmasse nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrokabel zwischen dem Batteriesystem (11) und den mit Strom versorgten Komponenten, wie Motor (1), Generator (2), Batteriemanagementsystem BMS, Steuerung etc. nur ein paar Zentimeter lang sind.Wheel drive system with flywheel according to claim 1 to 13, characterized in that the electric cables between the battery system ( 11 ) and the powered components, such as the engine ( 1 ), Generator ( 2 ), Battery management system BMS, control etc. are only a few inches long.
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