DE102014217034A1

DE102014217034A1 - Hydropneumatisches Speichersystem

Info

Publication number: DE102014217034A1
Application number: DE102014217034.6A
Authority: DE
Inventors: Sriganesh Sriram; Frank Karbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Hydropneumatisches Speichersystem (1), insbesondere Hochdruckspeicher (15) für ein hydraulisches Hybridsystem, zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines Gases, umfassend: einen Basisspeicherbehälter (19) mit einem Gasraum (3) zur Aufnahme des zu komprimierenden Gases in dem Gasraum (3), einem Hydraulikraum (2) zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit und ein bewegliches Trennelement (4) zur Komprimierung und Expansion des Gases in dem Gasraum (3) des Basisspeicherbehälters (19) und zur fluiddichten Abdichtung des Gasraumes (3) des Basisspeicherbehälters (19) von dem Hydraulikraum (2) des Basisspeicherbehälters (19), einen Zusatzspeicherbehälter (7) mit einem Zusatzgasraum (8) zur Aufnahme des zu komprimierenden Gases, eine Verbindungsgasleitung (32) zur fluidleitenden Verbindung des Gasraumes (3) des Basisspeicherbehälters (19) mit dem Zusatzgasraum (8) des Zusatzspeicherbehälters (7), wobei in die Verbindungsgasleitung (32) ein Stellorgan (30) eingebaut ist zur Steuerung und/oder Regelung des durch die Verbindungsgasleitung (32) leitbaren Volumenstromes an Gas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydropneumatisches Speichersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Speicheranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9, ein hydraulisches Hybridsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10 und ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Hybridsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11.
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 hydropneumatischen Speicher gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt kann mittels des Hydraulikfluides in dem hydropneumatischen Speicher von dem hydraulischen Motor die hydraulische Energie in dem hydropneumatischen Speicher in mechanische Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Die Hydraulikflüssigkeit dient zur Druckübertragung zu dem zu komprimierenden Gas in dem hydropneumatischen Speicher.
Als hydropneumatische Speicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, d. h. eines Hydraulikfluides unter einem erhöhten Druck, sind beispielsweise Kolbenspeicher als Gasfederspeicher mit einem Kolben bekannt. Innerhalb eines Gehäuses ist ein Kolben an einem Zylinder angeordnet und ein Kolben wird von der Hydraulikflüssigkeit bewegt, so dass dadurch der Druck in dem Gas erhöht wird und hydraulische Energie in dem Kolbenspeicher gespeichert werden kann. Außerdem sind Blasenspeicher mit einer flexiblen elastischen Membran zur Trennung eines Hydraulikraumes von einem Gasraum bekannt.
In einem hydraulischen Hybridsystem sind ein Hochdruckspeicher und ein Niederdruckspeicher erforderlich. In dem Hochdruckspeicher wird die hydraulische Energie für den Antrieb des Kraftfahrzeuges gespeichert und der Niederdruckspeicher dient dazu, die aus dem Hochdruckspeicher ausgeleitete Hydraulikflüssigkeit zu speichern um diese später wieder von dem Niederdruckspeicher in den Hochdruckspeicher leiten zu können. Mit einer hydraulischen Pumpe wird Hydraulikflüssigkeit von dem Niederdruckspeicher zu dem Hochdruckspeicher gefördert, um hydraulische Energie in dem Hochdruckspeicher zu speichern. Durch das Leiten von Hydraulikflüssigkeit von dem Hochdruckspeicher durch einen hydraulischen Motor in einen Niederdruckspeicher wird in dem hydraulischen Motor die hydraulische Energie aus dem Hochdruckspeicher in dem hydraulischen Motor in mechanische Energie umgewandelt. In nachteiliger Weise kann der Druck in dem Hochdruckspeicher nur mittels des Leitens von Hydraulikflüssigkeit durch die hydraulische Pumpe oder den hydraulischen Motor verändert werden, so dass eine Anpassung des Druckes in dem Hochdruckspeicher an einen Betriebszustand nur durch Leiten von Hydraulikflüssigkeit in oder aus dem Hochdruckspeicher möglich ist. In unterschiedlichen Betriebszuständen des Kraftfahrzeuges kann ein unterschiedlicher Druck in dem Hochdruckspeicher erforderlich sein.
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.
Die DE 10 2010 062 696 A1 zeigt eine Hydrospeichereinrichtung in der Bauart eines Membranspeichers mit einer Membran, die ein Pneumatikvolumen von einem Hydraulikvolumen abtrennt. Die Membran ist zwischen zwei Haltekörpern eingespannt, die jeweils mehrere Vertiefungen aufweisen und zwischen denen die Membran eingespannt ist, um mehrere hydropneumatische Membranspeicher darzustellen.
Die DE 10 2014 200 364 A1 zeigt einen hydropneumatischer Speicher für ein hydraulisches Hybridsystem zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines Gases mit einem Gasraum zur Aufnahme des zu komprimierenden Gases in dem Gasraum, einen Hydraulikraum zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit, ein bewegliches Trennelement zur Komprimierung und Expansion des Gases in dem Gasraum und zur fluiddichten Abdichtung des Gasraumes von dem Hydraulikraum sowie eine Begrenzungskomponente zur Begrenzung des Gasraumes. Die Begrenzungskomponente ist mehrteilig ausgebildet, so dass der Gasraum in mehrere Teilgasräume mit dem Gasraum und einem Zusatzgasraum unterteilt ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßer hydropneumatisches Speichersystem, insbesondere Hochdruckspeicher für ein hydraulisches Hybridsystem, zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines Gases, umfassend: einen Basisspeicherbehälter mit einem Gasraum zur Aufnahme des zu komprimierenden Gases in dem Gasraum, einem Hydraulikraum zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit und ein bewegliches Trennelement zur Komprimierung und Expansion des Gases in dem Gasraum des Basisspeicherbehälters und zur fluiddichten Abdichtung des Gasraumes des Basisspeicherbehälters von dem Hydraulikraum des Basisspeicherbehälters, einen Zusatzspeicherbehälter mit einem Zusatzgasraum zur Aufnahme des zu komprimierenden Gases, eine Verbindungsgasleitung zur fluidleitenden Verbindung des Gasraumes des Basisspeicherbehälters mit dem Zusatzgasraum des Zusatzspeicherbehälters, wobei in die Verbindungsgasleitung ein Stellorgan eingebaut ist zur Steuerung und/oder Regelung des durch die Verbindungsgasleitung leitbaren Volumenstromes an Gas. Der Druck des Gases in dem Basisspeicherbehälter kann damit optimiert für die Betriebszustände gesteuert und/oder geregelt werden, d. h. es kann zur Speicherung von Energie nur das Gas in dem Gasraum des Basisspeicherbehälters komprimiert und dekomprimiert werden oder zusätzlich auch das Gas in dem Zusatzgasraum des Zusatzspeicherbehälters komprimiert und dekomprimiert werden. Der Druck des Gases bzw. der Hydraulikflüssigkeit in dem Basisspeicherbehälter kann ohne ein Leiten von Hydraulikflüssigkeit in oder aus dem Basisspeicherbehälter verändert werden.
In einer ergänzenden Variante ist das Stellorgan ein Ventil mit einem beweglichen Verschlussteil.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Ventil einen Stellantrieb zum aktiven Bewegen des Verschlussteiles und/oder das Ventil ist kein mediumbetätigtes Ventil.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Stellantrieb einen Elektromotor oder einen Elektromagneten. Vorzugsweise ist der Stellantrieb pneumatisch betätigbar, so dass der Stellantrieb insbesondere einen mit Druckluft betätigbaren Kolben umfasst.
In einer zusätzlichen Variante ist das Ventil ein Proportionalventil. Mit dem Proportionalventil kann die dem Gas zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche, vorzugsweise stufenlos, verändert werden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist mittels des Stellorganes bei einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Gasraum des Basisspeicherbehälters und dem Zusatzgasraum des Zusatzspeicherbehälters ein unterschiedlicher Volumenstrom an Gas von dem Gasraum des Basisspeicherbehälters in den Zusatzgasraum des Zusatzspeicherbehälters oder umgekehrt leitbar aufgrund einer unterschiedlichen Stellung oder unterschiedlichen durchschnittlichen Stellung des beweglichen Verschlussteiles und/oder das Speichersystem umfasst mehrere Zusatzspeicherbehälter, mehrere Verbindungsleitungen und mehrere Stellorgane und je einem Zusatzspeicherbehälter ist eine Verbindungsleitung und ein Stellorgan zugeordnet ist. Das Verschlussteil kann über einen längeren Zeitraum abwechselnd kurzzeitig in die Schließstellung und anschließend in die Öffnungsstellung bewegt werden und durch eine Änderung der Zeit je für die Schließstellung und die Öffnungsstellung kann eine Änderung der durchschnittlichen Stellung des Verschlussteiles und der durchschnittlichen Strömungsquerschnittsfläche erreicht werden.
Zweckmäßig umfasst der Zusatzspeicherbehälter keinen Hydraulikraum und kein bewegliches Trennelement und/oder die Summe aus dem Volumen des Hydraulikraum, des Gasraumes und dem Volumen des wenigstens einen Zusatzgasraumes ist größer als 20 l, 30 l, 40 l oder 50 l. Die Summe des Volumens des Hydraulikraumes und des Gasraumes des Basisspeicherbehälters und des Zusatzgasraumes des Zusatzspeicherbehälters ist somit größer als 20 l, 30 l, 40 l oder 50 l, d. h. das hydropneumatische Speichersystem ist insbesondere für ein Lastkraftfahrzeug geeignet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das bewegliche Trennelement als eine, vorzugsweise elastische, Membran ausgebildet und der Basisspeicherbehälter ist als ein Blasenspeicher ausgebildet oder das bewegliche Trennelement ist als ein Kolben ausgebildet und der Basisspeicherbehälter ist als ein Kolbenspeicher ausgebildet.
Erfindungsgemäße Speicheranordnung, insbesondere für ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes hydraulisches Hybridsystem, umfassend: einen Hochdruckspeicher zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines Gases, einen Niederdruckspeicher zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines Gases, wenigstens eine Hydraulikleitung zur hydraulischen Verbindung des Hochdruckspeichers mit dem Niederdruckspeicher, wobei der Hochdruckspeicher als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes hydropneumatisches Speichersystem ausgebildet ist.
Erfindungsgemäßes Hydraulisches 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 Hochdruckspeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, einen Niederdruckspeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, wenigstens eine Hydraulikleitung zur hydraulischen Verbindung des Hochdruckspeichers mit dem Niederdruckspeicher, wobei der Hochdruckspeicher als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Speichersystem ausgebildet ist und/oder das hydraulische Hybridsystem eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Speicheranordnung umfasst und/oder mit dem hydraulischen Hybridsystem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Hybridsystems, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen hydraulisches Hybridsystem, mit den Schritten: Leiten von Hydraulikflüssigkeit von einem Hochdruckspeicher mit einem Basisspeicherbehälter und einem Zusatzspeicherbehälter durch einen hydraulischen Motor in einen Niederdruckspeicher, so dass hydraulischer Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und der Druck in dem Hochdruckspeicher abgesenkt wird, Fördern von Hydraulikflüssigkeit von einem Niederdruckspeicher mit einer hydraulischen Pumpe in einen Hochdruckspeicher, so dass mechanische Energie in hydraulische Energie umgewandelt wird und der Druck in dem Hochdruckspeicher erhöht wird, Leiten von Gas durch eine Verbindungsgasleitung von einem Gasraum des Basisspeicherbehälters in einen Zusatzgasraum des Zusatzspeicherbehälters oder umgekehrt, wobei mit einem Stellorgan der durch die Verbindungsgasleitung geleitete Volumenstrom an Gas gesteuert und/oder geregelt wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die Verbindungsgasleitung mit dem Stellorgan verschlossen, so dass das Gas in dem Gasraum des Basisspeicherbehälters und das Gas in dem Zusatzgasraum des Zusatzspeicherbehälters einen unterschiedlichen Druck aufweist, beispielsweise über einen Zeitraum vom mehr als 1 min, 5 min oder 50 min und/oder mit einem Druckunterschied von mehr als 1 bar, 10 bar oder 30 bar und/oder während eines unterschiedlichen Druckes des Gases in dem Gasraum des Basisspeicherbehälters und dem Zusatzgasraum des Zusatzspeicherbehälters bei einem wenigstens teilweise geöffneten Stellorgan der Druck des Gases in dem Gasraum verändert wird indem Gas von dem Gasraum in den Zusatzgasraum geleitet wird oder umgekehrt. Das Gas in dem Gasraum des Basisspeicherbehälters und das Gas in dem Zusatzgasraum des Zusatzspeicherbehälters können somit optimiert für unterschiedlichen Betriebszustände einen unterschiedlichen Druck aufweisen und/oder verändert werden.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird mit dem Stellorgan die dem Gas zur Durchleitung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche verändert, insbesondere indem die Stellung eines beweglichen Verschlussteiles des Stellorganes mit einem Stellantrieb aktiv verändert wird und/oder das Verfahren mit einem hydraulischen Hybridsystem in einem Lastkraftfahrzeug ausgeführt wird.
In einer zusätzlichen Variante wird die dem Gas zur Durchleitung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebszuständen des hydraulischen Hybridsystems, insbesondere eines Betriebszustandes eines Kraftfahrzeuges mit dem hydraulischen Hybridsystem, und/oder in Abhängigkeit von dem Druck des Gases in dem Gasraum und dem Zusatzgasraum gesteuert und/oder geregelt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird mit Drucksensoren der Druck des Gases in dem Gasraum und dem Zusatzgasraum erfasst und/oder die Betriebszustände, insbesondere der Verlauf der Betriebszustände, werden erfasst und mit einer Steuereinheit, vorzugsweise mittels in der Steuereinheit hinterlegter Steuerkurven, wird die dem Gas zur Durchleitung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche gesteuert und/oder geregelt. Die Betriebszustände sind insbesondere die Betriebszustände eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges und/oder ein Bremsvorgang des Kraftfahrzeuges und/oder ein Beschleunigungsvorgang des Kraftfahrzeuges und/oder ein Rekuperationsbetrieb des Kraftfahrzeuges.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der Durchmesser der Verbindungsgasleitung wesentlich kleiner als der Durchmesser des Basisspeicherbehälters und/oder des Zusatzspeicherbehälters, insbesondere ist der Durchmesser der Verbindungsgasleitung kleiner als 50%, 40%, 20% oder 10% des Durchmessers des Basisspeicherbehälters und/oder des Durchmessers des Zusatzspeicherbehälters. Der Durchmesser der Verbindungsleitung ist senkrecht zu der Strömungsrichtung des Gases durch die Verbindungsleitung ausgerichtet. Der Durchmesser des Basisspeicherbehälters und/oder des Zusatzspeicherbehälters ist vorzugsweise der minimale Durchmesser des Basisspeicherbehälters und/oder des Zusatzspeicherbehälters.
In einer weiteren Ausführungsform sind der hydraulische Motor und die hydraulische Pumpe zu einem hydraulischen Getriebe miteinander verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung sind der hydraulische Motor und die hydraulische Pumpe von je einer Schrägscheibenmaschine gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das hydraulische Hybridsystem einen hydraulischen Antriebsteilstrang mit dem hydraulischen Getriebe.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst das hydraulische Hybridsystem einen mechanischen Antriebsteilstrang mit einem mechanischen Getriebe zur ausschließlichen mechanischen Kraftübertragung von einem Verbrennungsmotor zu wenigstens einem Antriebsrad.
Zweckmäßig sind der hydraulische Antriebsteilstrang und der mechanische Antriebsteilstrang mit einem ersten Leistungsverzweigungsgetriebe mit dem Verbrennungsmotor mechanisch gekoppelt.
Zweckmäßig sind der hydraulische Antriebsteilstrang und der mechanische Antriebsteilstrang mit einem zweiten Leistungsverzweigungsgetriebe mit dem Differentialgetriebe mechanisch gekoppelt.
In einer ergänzenden Variante ist die Antriebsenergie des Verbrennungsmotors ausschließlich mit dem hydraulischen Antriebsteilstrang auf das wenigstens eine Antriebsrad übertragbar und/oder die Antriebsenergie des Verbrennungsmotors ist ausschließlich mit dem mechanischen Antriebsteilstrang auf das wenigstens eine Antriebsrad übertragbar und/oder die Antriebsenergie des Verbrennungsmotors ist simultan mit dem mechanischen und hydraulischen Antriebsteilstrang auf das wenigstens eine Antriebsrad übertragbar.
Vorzugsweise ist der maximal zulässige Druck in dem Speichersystem größer als 100 bar, 200 bar oder 300 bar.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt einer Speicheranordnung mit einem hydropneumatischen Speichersystem,
2 einen Querschnitt des Ventils des Speichersystems gemäß 1 und
3 eine stark vereinfachte Darstellung eines hydraulischen Hybridsystems.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Speicheranordnung 37 mit einem Niederdruckspeicher 16 als einem Kolbenspeicher 40 und einem Hochdruckspeicher 15 als einem hydropneumatischen Speichersystem 1 dargestellt. Das hydropneumatische Speichersystem 1 umfasst einen Basisspeicherbehälter 19 und einen Zusatzspeicherbehälter 7 aus Metall, beispielsweise Stahl. Der Hochdruckspeicher 15 wird dazu verwendet, um in einem hydraulischen Hybridsystem 20 (3) 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 Niederdruckspeicher 16 als ein Kolbenspeicher 40 bildet teilweise einen Zylinder 5 zur beweglichen Lagerung eines Kolbens 6 als ein bewegliches Trennelement 4 beweglich gelagert. Der Kolben 6 trennt fluiddicht einen Hydraulikraum 2 von einem Gasraum 3 ab. Der Gasraum 3 ist mit einem Verschluss 17 an einer Gasöffnung 10 gasdicht verschlossen. Der Kolbenspeichers 40 weist eine Hydrauliköffnung 11 auf, welche in den Hydraulikraum 2 mündet. An der Hydrauliköffnung 11 ist eine Hydraulikleitung 26 als eine Niederdruck-Hydraulikleitung 13 angeschlossen. Der Kolbenspeicher 40, ist mit wenigstens einer Befestigungsvorrichtung 38 an einer nicht dargestellten Karosserie eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs, insbesondere Lastkraftfahrzeuges bzw. LKWs befestigt.
Die Speicheranordnung 37 umfasst auch den Blasenspeicher 39. Der Blasenspeicher 39 ist ein Hochdruckspeicher 15 für das hydraulische Hybridsystem 20 mit dem Basisspeicherbehälter 19 und dem Zusatzspeicherbehälter 7. Der Basisspeicherbehälter 19 begrenzt dabei neben dem Gasraum 3 als einem Teilgasraum 9 auch einen Hydraulikraum 2 des Basisspeicherbehälters 19 und mittels einer flexiblen und elastischen Membran 14 als dem Trennelement 4 ist der Gasraum 3 von dem Hydraulikraum 2 fluiddicht abgedichtet. An dem Basisspeicherbehälter 19 ist eine Hydrauliköffnung 11 ausgebildet und an die Hydrauliköffnung 11 ist die Hydraulikleitung 26 als eine Hochdruck-Hydraulikleitung 12 fluiddicht angeschlossen. Der Basisspeicherbehälter 19 für den Gasraum 3 weist eine Verbindungsöffnung 35 auf und an die Verbindungsöffnung 35 ist ein Schlauch 36 oder ein Rohr 36 als eine Verbindungsgasleitung 32 angeschlossen. Der Zusatzspeicherbehälter 7 weist ebenfalls die Verbindungsöffnung 35 auf und an die Verbindungsöffnung 35 des Zusatzspeicherbehälters 7 ist die Verbindungsgasleitung 32 angeschlossen. Der Zusatzspeicherbehälter 7 begrenzt nur einen Zusatzgasraum 8 als dem Teilgasraum 9. Der Hochdruckspeicherbehälter 15 weist somit zwei Teilgasräume 9 jeweils in dem Basisspeicherbehälter 19 und dem Zusatzspeicherbehälter 7 auf, welche mit der Verbindungsgasleitung 32 gasleitend miteinander verbunden sind. In jedem der Teilgasräume 9 ist ein Drucksensor 18 zur getrennten Erfassung des Druckes des Gases in jedem Teilgasraum 9 angeordnet. Der Zusatzspeicherbehälter 7 ist in analoger Weise wie der Basisspeicherbehälter 19 mittels wenigstens einer Befestigungsvorrichtung 38 an einer nicht dargestellten Karosserie eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs befestigt.
In 3 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 und umgekehrt. Der hydraulische Motor 23 und die hydraulische Pumpe 24 sind dabei jeweils als Schrägscheibenmaschinen 25 ausgebildet, so dass beide Schrägscheibenmaschinen 25 ein hydraulisches Getriebe bilden. 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 mit einem mechanischen Getriebe 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 Hydraulikleitungen 26 als Hochdruck-Hydraulikleitung 12 und Niederdruck-Hydraulikleitung 13 und Hydraulikventile 41 von einem Niederdruckspeicher 16 zu dem 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 hydraulisch angetrieben werden.
In die Verbindungsgasleitung 32 ist ein Ventil 31 als ein Stellorgan 30 eingebaut. Das Stellorgan 30 umfasst ein Ventilgehäuse 34 innerhalb dessen ein Stellantrieb 33 zum aktiven Bewegen eines Verschlussteiles 45 als einem Verschlussschieber 46 befestigt ist (2). Der Stellantrieb 33 umfasst einen Elektromotor 42 oder einen Elektromagneten 43 mit einer Feder (nicht dargestellt). Mit dem Elektromotor 42 kann auf das Verschlussteil 45 eine Stellkraft aufgebracht werden, so dass das Verschlussteil 45 zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung beweglich ist. Bei einer Ausbildung des Stellantriebes 33 mit dem Elektromagneten 43 umfasst das Ventil 31 außerdem eine Feder, welche auf das Verschlussteil 45 dahingehend eine Stellkraft aufbringt, dass sich das Verschlussteil 45 in der Öffnungsstellung befindet. Bei einer Bestromung des Elektromagneten 43 wird das Verschlussteil 45 von dem Elektromagneten 43 entgegen der von der Feder auf das Verschlussteil 45 aufgebrachten Stellkraft von der Öffnungsstellung in die Schließstellung bewegt. Das Verschlussteil 45 kann dabei nur die Schließstellung oder die Öffnungsstellung einnehmen. Die Steuerung des Stellantriebes 33 erfolgt mit einer Steuereinheit 47 in Abhängigkeit von dem von den Drucksensoren 18 erfassten Druck in dem Basisspeicherbehälter 19 und dem Zusatzspeicherbehälter 7 sowie dem Betriebszustand des Kraftfahrzeuges.
In einem normalen Betrieb des hydraulischen Hybridsystems 20 ist das Ventil 31 geöffnet, so dass beide Teilgasräume 9 zur Speicherung von Energie zur Verfügung stehen. In einem Rekuperationsbetrieb des Kraftfahrzeuges bei einer starken Bremsung hängt das von der hydraulischen Pumpe 24 auf die Antriebsräder 28 aufbringbare Bremsdrehmoment von dem Druck des Gases in dem Basisspeicherbehälter 19 ab, weil der Hydraulikraum 2 in dem Basisspeicherbehälter 19 angeordnet ist und somit der Druck der Hydraulikflüssigkeit an der Hochdruck-Hydraulikleitung 12 im Wesentlichen dem Druck der Hydraulikflüssigkeit in dem Basisspeicherbehälter 19 entspricht. Das aufbringbare Bremsdrehmoment ist direkt proportional zu dem Druck der Hydraulikflüssigkeit. Bei einer starken Bremsung sollen die Reibungsbremsen, beispielsweise Scheibenbremsen, im Wesentlichen nicht betätigt werden und das im Wesentlichen gesamte Bremsdrehmoment von der hydraulischen Pumpe 24 im Rekuperationsbetrieb aufgebracht werden. Weist jedoch der Basisspeicherbehälter 19 einen geringen Druck auf wird bei einer starken Bremsung das Ventil 31 geschlossen, so dass bei einem Einleiten von Hydraulikflüssigkeit der Druck in dem Basisspeicherbehälter 19 schnell ansteigt, weil nur das Gas in dem Gasraum 3 Basisspeicherbehälters 19 verdichtet wird. Damit kann in kurzer Zeit durch ein Einleiten einer geringen Menge an Hydraulikflüssigkeit der Druck in dem Basisspeicherbehälter 19 stark erhöht werden, so dass die hydraulische Pumpe 24 bereits nach kurzer Zeit ein starkes Bremsdrehmoment auf die Antriebsräder 28 aufbringen kann. Die Reibungsbremse muss somit nur während einer kurzen Anfangsphase des Bremsvorganges aktiviert werden und kann anschließend vollständig oder im Wesentlichen vollständig deaktiviert werden, so dass ein sehr großer Anteil der kinetischen Energie mit der hydraulischen Pumpe 24 in hydraulische Energie umgewandelt werden kann. Das Ventil 31 wird während des Bremsvorganges nur geöffnet, wenn der maximal zulässige Druck, z. B. 300 bar, oder ein anderer gewünschter Druck des Basisspeicherbehälters 19 überschritten wird. Nach dem Bremsvorgang steht damit in dem Basisspeicherbehälter 19 Hydraulikflüssigkeit unter einem hohen Druck, beispielsweise 250 bar, zur Verfügung, so dass zum Antrieb des Kraftfahrzeuges mit dem hydraulischen Motor 23 ein großes Antriebsdrehmoment auf die Antriebsräder 28 aufgebracht werden kann. Die Größe des Antriebsdrehmomentes ist direkt proportional zu dem Druck der Hydraulikflüssigkeit in der Hochdruck-Hydraulikleitung 12. Das Stellorgan 30 wird von der Steuereinheit 47 mittels in der Steuereinheit hinterlegter Steuerkurven in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Kraftfahrzeuges, beispielsweise einem Brems- oder Beschleunigungsvorgang, gesteuert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das das Ventil 31 als ein Proportionalventil 31 ausgebildet. Das Verschlussteil 45 kann somit auch Zwischenstellungen zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung einnehmen. Die dem Gas an dem Proportionalventil 31 zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche kann somit stufenlos eingestellt werden. Während der Angangsphase eines Bremsvorganges mit einem Rekuperationsbetrieb wird das Proportionalventil 31 vollständig geschlossen. Nach dem Erreichen eines vorgegebenen Druckes, beispielsweise 250 bar, des Basisspeicherbehälters 19 zur Erzielung eines ausreichenden Bremsdrehmomentes mit der hydraulischen Pumpe 24 wird das Proportionalventil 31 nur soweit in die Zwischenstellung bewegt, so dass während des Bremsvorganges und des Rekuperationsbetriebes der Druck in dem Basisspeicherbehälter 19 konstant bei beispielsweise 250 bar bleibt. Die Steuereinheit 37 kann anhand der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges die kinetische Energie des Kraftfahrzeuges bestimmen. Mittels des Druckes des Gases in den Teilgasräumen 9 kann die maximal in dem Hochdruckspeicher 15 als hydropneumatischem Speichersystem 1 speicherbare Energie berechnet werden. Ist die kinetische Energie des Kraftfahrzeuges kleiner als die in dem Hochdruckspeicher 15 speicherbare Energie wird zu Beginn eines Rekuperationsbetriebes bzw. Bremsvorganges das Proportionalventil 31 vollständig geschlossen, da nur so ein großer Druck in dem Basisspeicherbehälter 19 erreicht werden kann.
Bei einem Antrieb des Kraftfahrzeuges (Basisspeicherbehälter 19 sowie der Zusatzspeicherbehälter 7 weisen zu Beginn des Antriebes einen sehr großen Druck, z. B. 300 bar, auf) mit dem hydraulischen Motor 23 sinkt der Druck in dem Basisspeicherbehälter 19 ab. Das Proportionalventil 31 bleibt zunächst vollständig geschlossen und erst nach dem Erreichen eines optimalen Druckes, beispielsweise 150 bar, in dem Basisspeicherbehälter 19 zum Antrieb des Kraftfahrzeuges mit dem hydraulischen Motor 23 wird während des hydraulischen Antriebes das Proportionalventil 31 dahingehend in die Zwischenstellung bewegt, dass in dem Basisspeicherbehälter 19 während des Antriebes der Druck auf dem optimalen Druck konstant gehalten werden kann, d. h. dass Gas von dem Zusatzspeicherbehälter 7 durch die Verbindungsleitung 32 und das Proportionalventil 31 in den Basisspeicherbehälter 19 eingeleitet wird.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen hydropneumatischen Speichersystem 1, der Speicheranordnung 37 und dem hydraulischen Hybridsystem 20 wesentliche Vorteile verbunden. Der Hochdruckspeicher 15 zur Speicherung der hydraulischen Energie ist in zwei Teilgasräume 9 unterteilt und der Zusatzgasraum 8 kann von dem Gasraum 3 mit dem Ventil 31 abgetrennt werden, so dass der Druck in dem Basisspeicherbehälter 19 für die verschiedenen Betriebszustände optimiert betrieben werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013206397 A1 [0005]
DE 102010062696 A1 [0006]
DE 102014200364 A1 [0007]

Claims

Hydropneumatisches Speichersystem (1), insbesondere Hochdruckspeicher (15) für ein hydraulisches Hybridsystem (20), zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines Gases, umfassend: – einen Basisspeicherbehälter (19) mit einem Gasraum (3) zur Aufnahme des zu komprimierenden Gases in dem Gasraum (3), einem Hydraulikraum (2) zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit und ein bewegliches Trennelement (4) zur Komprimierung und Expansion des Gases in dem Gasraum (3) des Basisspeicherbehälters (19) und zur fluiddichten Abdichtung des Gasraumes (3) des Basisspeicherbehälters (19) von dem Hydraulikraum (2) des Basisspeicherbehälters (19), – einen Zusatzspeicherbehälter (7) mit einem Zusatzgasraum (8) zur Aufnahme des zu komprimierenden Gases, – eine Verbindungsgasleitung (32) zur fluidleitenden Verbindung des Gasraumes (3) des Basisspeicherbehälters (19) mit dem Zusatzgasraum (8) des Zusatzspeicherbehälters (7), dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbindungsgasleitung (32) ein Stellorgan (30) eingebaut ist zur Steuerung und/oder Regelung des durch die Verbindungsgasleitung (32) leitbaren Volumenstromes an Gas.
Speichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan (30) ein Ventil (31) mit einem beweglichen Verschlussteil (45) ist.
Speichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (31) einen Stellantrieb (33) zum aktiven Bewegen des Verschlussteiles (45) umfasst und/oder das Ventil (31) kein mediumbetätigtes Ventil (31) ist.
Speichersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (33) einen Elektromotor (42) oder einen Elektromagneten (43) umfasst.
Speichersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (31) ein Proportionalventil (31) ist.
Speichersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Stellorganes (30) bei einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Gasraum (3) des Basisspeicherbehälters (19) und dem Zusatzgasraum (8) des Zusatzspeicherbehälters (7) ein unterschiedlicher Volumenstrom an Gas von dem Gasraum (3) des Basisspeicherbehälters (19) in den Zusatzgasraum (8) des Zusatzspeicherbehälters (7) oder umgekehrt leitbar ist aufgrund einer unterschiedlichen Stellung oder unterschiedlichen durchschnittlichen Stellung des beweglichen Verschlussteiles (45) und/oder das Speichersystem (1) mehrere Zusatzspeicherbehälter (7), mehrere Verbindungsleitungen (32) und mehrere Stellorgane (30) umfasst und je einem Zusatzspeicherbehälter (7) eine Verbindungsleitung (32) und ein Stellorgan (30) zugeordnet ist.
Speichersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzspeicherbehälter (7) keinen Hydraulikraum (2) und kein bewegliches Trennelement (4) umfasst und/oder die Summe aus dem Volumen des Hydraulikraum (2), des Gasraumes (3) und dem Volumen des wenigstens einen Zusatzgasraumes (8) größer als 20 l, 30 l, 40 l oder 50 l ist.
Speichersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Trennelement (4) als eine, vorzugsweise elastische, Membran (14) ausgebildet ist und der Basisspeicherbehälter (19) als ein Blasenspeicher (39) ausgebildet ist oder das bewegliche Trennelement (4) als ein Kolben (6) ausgebildet ist und der Basisspeicherbehälter (19) als ein Kolbenspeicher (40) ausgebildet ist.
Speicheranordnung (37), insbesondere für ein hydraulisches Hybridsystem (20) gemäß Anspruch 10, umfassend: – einen Hochdruckspeicher (15) zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines Gases, – einen Niederdruckspeicher (16) zur Speicherung von Energie mittels einer Komprimierung eines Gases, – wenigstens eine Hydraulikleitung (12, 13, 26) zur hydraulischen Verbindung des Hochdruckspeichers (15) mit dem Niederdruckspeicher (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckspeicher (15) als ein hydropneumatisches Speichersystem (1) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet 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 Hochdruckspeicher (15) zur Speicherung von hydraulischer Energie, – einen Niederdruckspeicher (16) zur Speicherung von hydraulischer Energie, – wenigstens eine Hydraulikleitung (12, 13, 26) zur hydraulischen Verbindung des Hochdruckspeichers (15) mit dem Niederdruckspeicher (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckspeicher (15) als ein Speichersystem (1) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist und/oder das hydraulische Hybridsystem (20) eine Speicheranordnung (37) gemäß Anspruch 9 umfasst und/oder mit dem hydraulischen Hybridsystem (20) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 11 bis 15 ausführbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Hybridsystems (20), insbesondere eines hydraulisches Hybridsystem (20) gemäß Anspruch 10, mit den Schritten: – Leiten von Hydraulikflüssigkeit von einem Hochdruckspeicher (15) mit einem Basisspeicherbehälter (19) und einem Zusatzspeicherbehälter (7) durch einen hydraulischen Motor (23) in einen Niederdruckspeicher (16), so dass hydraulischer Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und der Druck in dem Hochdruckspeicher (15) abgesenkt wird, – Fördern von Hydraulikflüssigkeit von einem Niederdruckspeicher (16) mit einer hydraulischen Pumpe (24) in einen Hochdruckspeicher (16), so dass mechanische Energie in hydraulische Energie umgewandelt wird und der Druck in dem Hochdruckspeicher (15) erhöht wird, – Leiten von Gas durch eine Verbindungsgasleitung (32) von einem Gasraum (3) des Basisspeicherbehälters (19) in einen Zusatzgasraum (8) des Zusatzspeicherbehälters (7) oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Stellorgan (30) der durch die Verbindungsgasleitung (32) geleitete Volumenstrom an Gas gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsgasleitung (32) mit dem Stellorgan (30) verschlossen wird, so dass das Gas in dem Gasraum (3) des Basisspeicherbehälters (19) und das Gas in dem Zusatzgasraum (8) des Zusatzspeicherbehälters (7) einen unterschiedlichen Druck aufweist, beispielsweise über einen Zeitraum vom mehr als 1 min, 5 min oder 50 min und/oder mit einem Druckunterschied von mehr als 1 bar, 10 bar oder 30 bar und/oder während eines unterschiedlichen Druckes des Gases in dem Gasraum (3) des Basisspeicherbehälters (19) und dem Zusatzgasraum (8) des Zusatzspeicherbehälters (7) bei einem wenigstens teilweise geöffneten Stellorgan (30) der Druck des Gases in dem Gasraum (3) verändert wird indem Gas von dem Gasraum (3) in den Zusatzgasraum (8) geleitet wird oder umgekehrt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Stellorgan (30) die dem Gas zur Durchleitung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche verändert wird, insbesondere indem die Stellung eines beweglichen Verschlussteiles (45) des Stellorganes (30) mit einem Stellantrieb (33) aktiv verändert wird und/oder das Verfahren mit einem hydraulischen Hybridsystem (20) in einem Lastkraftfahrzeug ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Gas zur Durchleitung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebszuständen des hydraulischen Hybridsystems (20), insbesondere eines Betriebszustandes eines Kraftfahrzeuges mit dem hydraulischen Hybridsystem (20), und/oder in Abhängigkeit von dem Druck des Gases in dem Gasraum (3) und dem Zusatzgasraum (8) gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit Drucksensoren (18) der Druck des Gases in dem Gasraum (3) und dem Zusatzgasraum (8) erfasst wird und/oder die Betriebszustände, insbesondere der Verlauf der Betriebszustände, erfasst werden und mit einer Steuereinheit (47), vorzugsweise mittels in der Steuereinheit hinterlegter Steuerkurven, die dem Gas zur Durchleitung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche oder durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche gesteuert und/oder geregelt wird.