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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung kinetischer Energie für ein Fahrzeug, insbesondere eine Schwungmassenspeichervorrichtung für ein Fahrzeug.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines so beschaffenen Fahrzeugs.
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In einer herkömmlichen Schwungmassenspeichervorrichtung, kurz Schwungmassenspeicher, beispielsweise einem Schwungradspeicher, wird eine Schwungmasse in Form eines Schwungrads in Rotation versetzt und dadurch mechanische bzw. kinetische Energie gespeichert.
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Eine nach diesem Prinzip arbeitende herkömmliche Vorrichtung ist beispielsweise als sog. „Kinetic Energy Recovery System” (KERS; deutsch: System zur Rückgewinnung kinetischer Energie) bekannt und findet weitestgehend im Motorsport Anwendung. Dabei sind KERS in unterschiedlichen Ausgestaltungen ausgeführt.
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Beispielsweise sind elektrische KERS bekannt, bei denen ein Generator verwendet wird, der beim Bremsen kinetische Energie, statt in thermische Energie, in elektrische Energie umwandelt und in Akkumulatoren oder Superkondensatoren speichert.
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Weiterhin sind mechanische KERS bekannt, bei denen in einem Vakuumzylinder ein rotierendes Schwungradsystem durch den Bremsvorgang beschleunigt werden kann und dieses zu einem späteren Zeitpunkt die gespeicherte Energie über ein stufenloses Getriebe wieder an die Antriebsachse bzw. den Antriebsstrang des Fahrzeugs abgeben kann.
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Ferner sind elektromechanische KERS bekannt, welche eine Kombination von elektrischen und mechanischen KERS sind. Bei diesem System wird ein Schwungradspeicher zur Speicherung von Energie als Rotationsenergie verwendet, wobei bei diesem Schwungradspeicher das Schwungrad gleichzeitig als ein Rotor einer Elektromotor-Generator-Einheit fungiert. Durch motorische Beschleunigung dieses Rotors wird kinetische Energie gespeichert. Um die Energie zurückzugewinnen wird der Rotor generatorisch abgebremst. Die kinetische Energie wird der Elektromotor-Generator-Einheit somit ausschließlich elektrisch zugeführt und von dieser elektrisch abgeführt, so dass keinerlei Ab- und Zuführung kinetischer Energie ohne vorherige Wandlung möglich ist.
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Weiterhin ist eine konkrete Ausgestaltung eines mechanischen Schwungradspeichers aus der
WO 2011/080512 A1 bekannt. Bei diesem mechanischen Schwungradspeicher wird mechanische Energie mittels eines Getriebes eingebracht, um das Schwungrad in Rotation zu versetzen und so kinetische Energie zu speichern. Mittels des Getriebes kann dem rotierenden Schwungrad auch wieder Energie entnommen werden, wobei Drehzahl-/Drehmomentwandlung über das Getriebe erfolgt. Eingangs- und Ausgangsgröße ist damit rein mechanische bzw. kinetische Energie, die ohne Wandlung im mechanischen Schwungradspeicher gespeichert wird. Damit kann der mechanische Schwungradspeicher beispielsweise direkt in den mechanischen Antriebsstrang eines Fahrzeuges integriert werden.
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Darüber hinaus ist – ähnlich dem vorgenannten elektromechanischen KERS – eine konkrete Ausgestaltung eines elektro-mechanischen Schwungradspeichers aus der
WO 2012/172355 A2 bekannt. Bei diesem elektro-mechanischen Schwungradspeicher ist die Eingangs- und Ausgangsgröße ausschließlich elektrische Energie. Diese wird im elektromechanischen Schwungradspeicher in mechanische Energie gewandelt und so das Schwungrad in Rotation versetzt. Damit kann ein elektromechanischer Schwungradspeicher beispielsweise in den Antriebsstrang eines Fahrzeuges mit mindestens einer antreibenden Elektromaschine, welche als Motor und Generator wirkt, integriert werden.
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Ferner ist aus der
US 8,104,560 B1 eine Schwungradspeichervorrichtung
10' bekannt, welche in
1 näher veranschaulich ist. Eine Schwungmasseneinheit
12' der Schwungradspeichervorrichtung
10' weist ein Gehäuse
14' und eine Schwungmasse bzw. ein Schwungrad
16' auf, wobei das Schwungrad
16' mittels eines Getriebes
22' mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs mechanisch verbunden ist. Weiterhin ist das Schwungrad
16' jeweils mechanisch mit einem elektrischen Generator
40' und einem Elektromotor
42' gekoppelt, wobei der Generator
40' und der Elektromotor
42' jeweils mit einer eine Batterie
46' aufweisenden elektrischen System
44' elektrisch verbunden sind. Somit besteht neben der Möglichkeit der Zuführung/Abgabe mechanischer Energie in die Schwungmasseneinheit
12' ohne vorherige Wandlung direkt über den Antriebsstrang auch die Möglichkeit, mechanische Energie in den Generator
40' zu übertragen, in der Batterie
46' zu speichern, und schließlich wieder die elektrische Energie mittels des Elektromotors
42' in mechanische Energie zu wandeln und in die Schwungmasseneinheit
12' erneut einzuleiten. Ebenso ist es möglich, dass der Elektromotor
42' das Schwungrad
16' mittels elektrischer Energie in Rotation versetzt und diese mechanische Energie wieder mittels des Generators
40' in elektrische Energie gewandelt und gespeichert wird. Bei dieser Ausgestaltung ist es daher möglich, mittels des rotierenden Schwungrades
16' gleichzeitig den Antriebsstrang mit mechanischer Energie zu versorgen und einen Leistungsüberschuss in elektrische Energie zu wandeln, der wiederum dazu eingesetzt wird, das Schwungrad
16' zu einem späteren Zeitpunkt erneut mittels Elektromotor
42' in Rotation zu versetzen.
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Ein Anwendungsfall von dieser Schwungmassenspeichervorrichtung 10' kann beispielsweise sein, beim Abbremsen eines mit dieser Schwungmassenspeichervorrichtung 10' ausgestatteten Fahrzeugs mit anschließendem länger andauerndem Stillstand die kinetische Energie des noch fahrenden Fahrzeuges in dem rotierenden Schwungrad 16' als mechanische bzw. kinetische Energie zu speichern. Wird dem Schwungrad 16' keine weitere mechanische Energie von dem Antriebsstrang zugeführt, so nimmt dessen Drehzahl und damit der Energieinhalt aufgrund von Verlusten, z. B. aufgrund von Reibungsverlusten, ab. Wird die in der Schwungmasseneinheit 12' gespeicherte, mechanische Energie mittels des Generators 40' in elektrische Energie gewandelt und in der Batterie 46' gespeichert, kann dem Verlust der kinetischen Energie zumindest größtenteils entgegengewirkt werden. Vor der erneuten Anfahrt mit dem Fahrzeug wird das Schwungrad 16' mittels Elektromaschine bzw. des Elektromotors 42' unter Nutzung der in der Batterie 46' gespeicherten Energie beschleunigt und kann damit mechanisch in den Antriebsstrang eingeleitet werden.
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Mit den herkömmlichen Schwungmassenspeichervorrichtungen ist es daher möglich, bei einem Fahrzeug mit konventionellem Verbrennungsmotor mechanische Energie mittels einer rotierenden Schwungmasse zu speichern. Dadurch ist es möglich, die kinetische Energie des bewegten Fahrzeugs bei einer Verzögerung zu rekuperieren und diese für eine anschließende Beschleunigung oder Konstantfahrt wieder zu verwenden.
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Um ein Maximum an kinetischer Energie rekuperieren zu können und die rekuperierte Energie mit maximaler Effizienz wieder für den Vortrieb des Fahrzeugs nutzen zu können, ist es notwendig, den Verbrennungsmotor sowohl während der Energierückgewinnung in den Schwungmassenspeicher (Rekuperation) als auch während der Energiewiederverwendung (Antreiben des Fahrzeugs aus dem Schwungmassenspeicher) von dem Antriebsstrang abzukoppeln; dies deshalb, als bei mit dem Antriebsstrang gekoppelten Verbrennungsmotor ein durch ein Schleppmoment des Verbrennungsmotors sowie ggfs. eines damit verbundenen Abtriebs oder Getriebes hervorgerufener zusätzlicher Energieaufwand entsteht, welcher folgerichtig eine Abnahme der Effizienz der Rekuperation und Energiewiedergewinnung darstellt. Folglich kann dann bei Verzögerung des Fahrzeuges mit abgekoppelten Verbrennungsmotor mehr Energie rekuperiert werden, als in dem Fall, bei dem der Verbrennungsmotor bei gleicher Verzögerung während der Rekuperation mit dem Antriebsstrang gekoppelt bleibt; gleiches gilt für den Fall der Energiewiedergewinnung sinngemäß, d. h. der Verbrennungsmotor bleibt auch während der Energiewiedergewinnung abgekoppelt, so dass keine zusätzliche, aufgrund von Schleppmomenten herrührende Energie beim Antreiben des Fahrzeugs aus dem Schwungmassenspeicher aufgewendet werden muss, sondern ausschließlich in den Antriebsstrang zum Antreiben des Fahrzeugs eingeleitet werden kann.
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Um den Kraftstoff, der für das Betreiben des abgekoppelten Verbrennungsmotors im Leerlauf notwendig ist, einzusparen, wird dieser vorzugsweise abgestellt; zur Vereinfachung wird nachfolgend ein sowohl von dem Antriebsstang entkoppelter bzw. abgekoppelter als auch abgestellter Verbrennungsmotor als „abgelegter” Verbrennungsmotor bezeichnet. Damit entfällt allerdings die Erzeugung der elektrischen Leistung für die Versorgung des elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs durch den Generator (beispielsweise durch die Lichtmaschine), der über einen Riementrieb mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist. Dies hat zur Folge, dass die benötigte elektrische Bordnetzenergie in der Zeit, in der der Verbrennungsmotor von dem Antriebsstrang entkoppelt und zugleich abgestellt ist, d. h. in der Zeit, in der der Verbrennungsmotor abgelegt ist, aus einer konventionellen Niedervoltbatterie, d. h. einer herkömmlichen Starterbatterie bzw. Fahrzeugbatterie, entnommen werden muss. Die deutlich erhöhte Anzahl von Motorzustarts und die erhöhte Dauer der Bordnetzversorgung aus der Niedervoltbatterie machen eine Anwendung konventioneller Batterietechnik aufgrund der stark erhöhten Anzahl von solchen Zyklen bei üblichen Kraftfahrzeugen nicht möglich. Die Anwendung moderner Batterietechnologien treibt jedoch die Kosten relativ zu den Kosten für einen beispielsweise mechanisch angebundenen Schwungmassenspeicher deutlich in die Höhe.
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Ein elektrisch angebundener Schwungmassenspeicher, der die Option der Bordnetzunterstützung zwar per se ermöglichen würde, hat gegenüber elektrischen Systemen mit modernen elektrischen Akkumulatorsystemen den deutlichen Nachteil der geringen Energiedichte und der Flüchtigkeit des Speichers. Die Kosten für eine leistungsstarke elektrische Maschine im Antriebsstrang machen das elektrische Schwungmassensystem bezogen auf das Kosten-Nutzen-Verhältnis zusätzlich unattraktiv (keine ausreichende elektrische Reichweite im Zyklus speicherbar).
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Ein mechanisch angebundenes System mit geschlossenem elektrischen Kreislauf umfassend einen Generator, einen Elektromotor, einen Umrichter und eine zusätzliche Batterie ist aus Gewichts-, Kosten und Integrationsgründen sowie wegen des niedrigen Wirkungsgrad ebenfalls in Bezug auf das Kosten-Nutzen-Verhältnis der zusätzlichen Peripherie in einem Personenkraftwagen wenig vorteilhaft.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die dem Stand der Technik angehörenden Schwungmassenspeichervorrichtungen derart weiterzubilden, dass das Kosten-Nutzen-Verhältnis bei Einsatz von Schwungmassenspeichervorrichtungen in Kraftfahrzeugen verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Speicherung kinetischer Energie für ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug wie ein Personenkraftwagen, vorgesehen. Insbesondere kann die erfindungsgemäße als Schwungmassenspeichervorrichtung für ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug wie ein Personenkraftwagen ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Schwungmasseneinheit mit einem Gehäuse und einer durch das Gehäuse aufgenommenen, kinetische Energie aufnehmenden und abgebenden Schwungmasse auf, wobei die Schwungmasse eingerichtet ist, zur Aufnahme und Abgabe kinetischer Energie mit einem Antriebstrang des Fahrzeugs oder einem von dem Antriebsstrang (18) separaten mit Fahrzeugrädern verbundenen Getriebestrang mechanisch gekoppelt zu werden, wobei das Gehäuse und die Schwungmasse einen elektrischen Generator zur Wandlung der durch die Schwungmasse aufgenommenen kinetischen Energie in elektrische Energie ausbilden.
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Die Erfindung stellt somit auf eine Schwungmassenspeichervorrichtung ab, welche mechanisch an den Antriebsstrang oder an den mit Fahrzeugrädern verbundenen Getriebestrang ankoppelbar ausgeführt ist. Darüber hinaus kann anhand der erfindungsgemäßen Schwungmassenspeichervorrichtung im Falle eines abgelegten Verbrennungsmotors, d. h. eines sowohl von dem Antriebsstrang entkoppelten als auch abgestellten Verbrennungsmotors, und dem daraus resultierenden Entfall der generatorischen Erzeugung elektrischer Energie zur Bordnetzversorgung die in der Schwungmassenspeichereinheit vorhandene kinetische Energie zur Kompensation des Bordnetzgrundbedarfs verwendet werden.
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Im Gegensatz zu der technischen Lehre der
US 8,104,560 B1 erfolgt gemäß der Erfindung vorzugsweise die Wandlung mechanischer in elektrische Energie nicht durch eine zusätzliche mechanisch an das Schwungrad angekoppelte Generatoreinheit; dies deshalb, als das Schwungrad so ausgeführt ist, dass es im Zusammenspiel mit dem umschließenden Gehäuse eine Generatoreinheit ausbildet.
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Vorzugsweise sind das Schwungrad aus CFK-Kompositmaterial und das Gehäuse aus Eisen/Stahl ausgeführt sein. Durch Einbringen von zusätzlichem Material in das Schwungrad und weitergehende Modifikationen an dem Gehäuse kann somit eine Generatoreinheit realisiert werden. Die erfindungsgemäße Schwungmassenspeichervorrichtung ermöglicht somit, bei abgelegtem Verbrennungsmotor die Unterstützung des elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs und zugleich die Ladung/Entladung des Schwungmassensystems, ohne das Schleppmoment des Verbrennungsmotors überwinden zu müssen. Vorzugsweise immer dann, wenn der Verbrennungsmotor abgelegt ist, wird über den Schwungmassenspeicher rekuperiert oder das Fahrzeug angetrieben. Zudem ermöglicht die im Schwungmassenspeicher gespeicherte Energie in diesen Zeiträumen die Bordnetzstützung über den schwungmassenintegrierten Generator, wenn der Verbrennungsmotor abgelegt ist.
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In vorteilhafter Weise werden somit Schleppmomente verringert, welche beispielseise bei der Lösung der
US 8,104,560 B1 vorkommen, nämlich aufgrund der Anbindung des zusätzlichen Elektromotors und des Generators. Weiterhin können aufgrund des Entfalls des elektrischen Motors und der zusätzlichen Starterbatterie für den Elektromotor Kosten und Gewicht reduziert werden. Des Weiteren ist es erfindungsgemäß ebenso möglich, nach einer Rekuperation und einer anschließenden Motor-Stopp-Standphase die Bordnetzlast zu kompensieren. Diese Funktion steigert die Lebensdauer und senkt die potentiellen Gewährleistungskosten der Starterbatterie durch eine abnehmende Anzahl von Belastungszyklen. Des Weiteren kann die Verfügbarkeit der Start-Stopp Funktion aufgrund der Möglichkeit der Entkopplung der Start-Stopp-Funktion von der Außentemperatur erhöht werden. Durch die Realisierung einer Generatoreinheit mittels der bereits im Ausgangssystem „mechanischer Schwungradspeicher” vorhandenen Komponenten, nämlich des Schwungrads und des Gehäuses, steigt der Bauraumbedarf trotzt erweiterter Funktionalität nicht oder nur geringfügig, was eben durch die in der
US 8,104,560 B1 vorgeschlagene Lösung anhand des zusätzlichen Generators etc. nicht erzielt wird. Vorzugsweise nimmt der erfindungsgemäße Generator eine Wandlung der Rotationsenergie in elektrische Energie in eine Spannungslage von 12 V zur Bordnetzunterstützung vor und stellt damit einen Bordnetzgrundbedarf sicher.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass das Gehäuse der Schwungmasseneinheit einen Stator des elektrischen Generators zumindest teilweise ausbildet und/oder die Schwungmasse einen Rotor des elektrischen Generators zumindest teilweise ausbildet.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet werden, dass die Schwungmasseneinheit unmittelbar mit einem Vorschaltgetriebe mechanisch gekoppelt ist, welches unmittelbar mit dem Antriebsstrang des Fahrzeugs zur Aufnahme und Abgabe kinetischer Energie mechanisch koppelbar ist.
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Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung derart umgesetzt werden, dass der elektrische Generator eingerichtet ist, mit einem Bordnetz des Fahrzeugs elektrisch verbunden zu werden.
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Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so verwirklicht werden, dass die Schwungmasse eingerichtet ist, kinetische Energie als mechanische Energie ausschließlich über die einzige mechanische Kopplung mit dem Antriebstrang aufzunehmen und abzugeben und/oder kinetische Energie in elektrische Energie zu wandeln und ausschließlich über den einzigen durch das Gehäuse und die Schwungmasse ausgebildeten elektrischen Generator abzugeben.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist vorzugsweise ein Kraftfahrzeug wie ein Personenkraftwagen und umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei der elektrische Generator der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Bordnetz des Fahrzeugs elektrisch verbunden ist.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass das Fahrzeug einen Antriebsstrang aufweist, welcher ausgehend von einem Fahrzeugmotor bis zu Antriebsrädern des Fahrzeugs mindestens eine der folgenden Komponenten in der genannten Reihenfolge aufweist: ein Hauptgetriebe, insbesondere ein Schaltgetriebe, eine Antriebswelle oder Gelenkwelle und ein Achsgetriebe, insbesondere ein Achsdifferenzial, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Antriebsstrang mechanisch gekoppelt ist, insbesondere mit dem Antriebsstrang zwischen Achsgetriebe und einem Antriebsrad oder unmittelbar mit dem Achsgetriebe oder unmittelbar mit der Antriebswelle oder Gelenkwelle zwischen dem Hauptgetriebe und dem Achsgetriebe oder unmittelbar mit dem Hauptgetriebe mechanisch verbunden ist.
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Alternativ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem vom dem Antriebsstrang separaten mit Fahrzeugrädern verbundenen Getriebestrang mechanisch gekoppelt sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben des erfindungsgemäßen Fahrzeugs vorgesehen und führt die folgenden Schritte aus:
Trennen des Antriebsstrangs von dem Fahrzeugmotor, vorzugsweise auch Abstellen des Fahrzeugmotors, und
Wandeln von der durch die Schwungmasse aufgenommenen kinetischen Energie in elektrische Energie und Versorgen des Bordnetzes mit der elektrischen Energie und/oder Aufladen einer Bordnetzbatterie.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Schwungmassenspeichervorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schwungmassenspeichervorrichtung;
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3a)–d) schematische Darstellungen von Anbindungsvarianten der erfindungsgemäßen Schwungmassenspeichervorrichtung von 2 an einem Antriebsstrang eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs;
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4a)–e) weitere schematische Darstellungen von Anbindungsvarianten der erfindungsgemäßen Schwungmassenspeichervorrichtung von 2 an einem Antriebsstrang/Getriebestrang eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs; und
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5a)–c) weitere schematische Darstellungen von Anbindungsvarianten der erfindungsgemäßen Schwungmassenspeichervorrichtung von 2 an einem Antriebsstrang eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 wird zunächst deren Aufbau anhand von 2 näher beschrieben. Anschließend werden anhand von 3 mögliche Anbindungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 an dem Antriebsstrang des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 20 beschrieben.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, welche zur Speicherung kinetischer Energie für das erfindungsgemäße Fahrzeug 20 vorgesehen ist und im dargestellten Fall als Schwungmassenspeichervorrichtung ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 weist eine Schwungmasseneinheit 12 auf, welche wiederum ein Gehäuse 14 sowie eine durch das Gehäuse 14 bzw. in dem Gehäuse 14 aufgenommene, kinetische Energie aufnehmende und abgebende Schwungmasse 16 in Form eines Schwungrads umfasst.
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Die rotierbare Schwungmasse 16 in Form des Schwungrads ist dabei eingerichtet, zur Aufnahme und Abgabe kinetischer Energie mit einem nachstehend näher im Zusammenhang mit 3 erläuterten Antriebstrang 18 des Fahrzeugs 20 mechanisch gekoppelt zu werden.
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Weiterhin bilden das Gehäuse 14 und die Schwungmasse 16 einen elektrischen Generator zur Wandlung der durch die Schwungmasse 16 aufgenommenen kinetischen Energie in elektrische Energie aus, d. h. im dargestellten Fall bildet das Gehäuse 14 der Schwungmasseneinheit 12 einen Stator des elektrischen Generators zumindest teilweise aus und die Schwungmasse 16 in Form des Schwungrads bildet einen Rotor des elektrischen Generators zumindest teilweise aus. Um die durch den elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie abführen zu können, ist der elektrische Generator eingerichtet, mit einem Bordnetz 24 des Fahrzeugs 20 elektrisch verbunden zu werden, das unter anderem eine Batterie 26 aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bordnetz 24 um ein Niedervoltbordnetz, beispielsweise mit einer Spannung von 12 V oder 48 V.
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In einer alternativen Ausgestaltung des elektrischen Generators ist der elektrische Generator eingerichtet, sowohl in einem generatorischen Betrieb zur Erzeugung elektrischer Energie als auch in einem motorischen Betrieb zur Erzeugung kinetischer Energie betrieben zu werden; dies vorzugsweise für den Fall, bei dem das Niedervoltbordnetz eine Spannung von 48 V zur Verfügung stellen kann. Sofern der Generator motorisch betrieben wird, kann die somit erzeugte kinetische Energie in den Antriebstrang 18 eingeleitet werden.
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Weiterhin ist die Schwungmasseneinheit 12 unmittelbar mit einem Vorschaltgetriebe 22 mechanisch gekoppelt, welches unmittelbar mit dem Antriebsstrang 18 des Fahrzeugs 20 zur Aufnahme und Abgabe kinetischer Energie mechanisch koppelbar ist.
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Wie somit aus 2 ersichtlich ist, ist die Schwungmasseneinheit 12 bzw. die Schwungmasse 16 eingerichtet, kinetische Energie als mechanische Energie ausschließlich über die einzige mechanischen Kopplung mit dem Antriebstrang 18 aufzunehmen und abzugeben und kinetische Energie in elektrische Energie zu wandeln und ausschließlich über den einzigen durch das Gehäuse und die Schwungmasse 16 ausgebildeten elektrischen Generator abzugeben.
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Die 3a)–d) zeigen schematische Darstellungen von unterschiedlichen Anbindungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 von 2 an dem Antriebsstrang 18 des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 20.
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Wie aus den 3a)–d) insgesamt ersichtlich ist, ist das erfindungsgemäße Fahrzeug 20 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 von 2 derart ausgestattet, dass der elektrische Generator der Vorrichtung 10 mit dem Bordnetz 24 des Fahrzeugs 20 elektrisch verbunden ist.
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Der Antriebsstrang 18 weist ausgehend von einem Fahrzeugmotor 30 bis zu Antriebsrädern 32 des Fahrzeugs 20 mindestens folgende Komponenten in der genannten Reihenfolge aufweist: ein Hauptgetriebe 34, insbesondere ein Schaltgetriebe in Form eines manuellen oder automatischen Schaltgetriebes, eine Antriebswelle oder Gelenkwelle 36 und ein Achsgetriebe 38 in Form eines Achsdifferenzials
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Die Schwungmasseneinheit 12 ist über das Vorschaltgetriebe 22 mit dem Antriebsstrang 18 mechanisch gekoppelt, wobei die Schwungmasseneinheit 12 in 3a mit dem Antriebsstrang 18 zwischen Achsgetriebe 38 und einem Antriebsrad 32 oder in 3b unmittelbar mit der Antriebswelle oder der Gelenkwelle 36 zwischen dem Hauptgetriebe 34 und dem Achsgetriebe 38 oder in 3c unmittelbar mit dem Achsgetriebe 38 oder in 3d unmittelbar mit dem Hauptgetriebe 34 mechanisch verbunden ist.
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4a)–e) zeigen weitere schematische Darstellungen von Anbindungsvarianten der erfindungsgemäßen Schwungmassenspeichervorrichtung 10 von 2 an einem Antriebsstrang 18/Getriebestrang eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 20.
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In 4a) ist ein Fahrzeug 20 mit Vorderachsantrieb dargestellt, wobei die Schwungmasseneinheit 12 mit dem Hauptgetriebe 34 gekoppelt ist, so dass die Schwungmasseneinheit 12 kinetische Energie des Fahrzeugmotors 30 oder des Achsgetriebes bei entkoppeltem Fahrzeugmotor 30 über das Hauptgetriebe 34 aufnehmen kann.
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In 4b) ist ein Fahrzeug 20 mit Vorderachsantrieb dargestellt, wobei die Schwungmasseneinheit 12 separat von dem Vorderachsantrieb an der Hinterachse, insbesondere an einem Hinterachsgetriebe (Getriebestrang) vorgesehen ist. Dementsprechend kann die Schwungmasseneinheit 12 kinetische Energie des Hinterachsgetriebes aufnehmen, um damit elektrische Energie aus der durch das Hinterachsgetriebe herrührenden kinetischen Energie zu erzeugen, wobei das Hinterachsgetriebe kinetische Energie während der Fahrt des Fahrzeugs erlangt, vorzugsweise während eines Schubbetriebs des Fahrzeugs, d. h. während der Verbrennungsmotor keinerlei Drehmoment zur Bewegung des Fahrzeugs zur Verfügung stellen muss, beispielsweise bei einer Bergabfahrt.
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In 4c) ist im Wesentlichen das Fahrzeug 20 von 4b) dargestellt, allderdings mit Allradantrieb anstelle eines Vorderachsantriebs. Zur Vermeidung bzw. Reduzierung etwaiger durch den Allradantriebsstrang hervorgerufener Schleppmomente ist eine Kupplung 40 zur Trennung von Vorderachsgetriebe und Hinterachsgetriebe vorgesehen.
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In 4d) ist im Wesentlichen das Fahrzeug 20 von 4c) dargestellt, das in diesem Fall keinen Allradantrieb aufweist, sondern einen Hinterachsantrieb mit Frontmotor 30.
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In 4e) ist im Wesentlichen das Fahrzeug 20 von 4d) dargestellt, wobei die Schwungmasseneinheit 12 zwischen Hinterachsgetriebe und Kupplung 40 in den Antriebsstrang 18 angekoppelt ist.
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5a)–c) zeigen weitere schematische Darstellungen von Anbindungsvarianten der erfindungsgemäßen Schwungmassenspeichervorrichtung 10 von 2 an einem Antriebsstrang eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs. In den 5a)–c) ist das Fahrzeug 20 in einer Transaxle-Antriebsbauform ausgeführt, bei der der Motor 30 vorne, das Hauptgetriebe 34 jedoch an der angetriebenen Hinterachse sitzt. Bei der dargestellten Form des Hinterradantriebes sind Hauptgetriebe, Anfahrkupplung, Differential und Achsantrieb in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und mit dem Motor durch eine Welle, der Transaxlewelle, verbunden. Ebenso ist jedoch eine Ausgestaltung möglich, bei der Hauptgetriebe, Differential und Achsantrieb in einem gemeinsamen Gehäuse bei der Hinterachse untergebracht sind und mit dem Motor durch die Transaxlewelle über die Anfahrkupplung verbunden sind. In diesem Fall ist die Anfahrkupplung somit bei der Vorderachse nahe des Motors in dem Antriebsstrang vorgesehen.
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In 5a) ist die Schwungmasseneinheit 12 zwischen Kupplung 40 und Hauptgetriebe 34 an den Antriebsstrang 18 angekoppelt.
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In 5b) ist die Schwungmasseneinheit 12 unmittelbar an das Hauptgetriebe 34 an den Antriebsstrang 18 angekoppelt. Allerdings kann die in 5a) gezeigte Kupplung 40 auch in diesem Fall optional vorgesehen sein.
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In 5c) ist die Schwungmasseneinheit 12 zwischen Hinterrad und Hauptgetriebe 34 in dem Hinterachsantrieb des Antriebsstrangs 18 angekoppelt. Allerdings kann die in 5a) gezeigte Kupplung 40 auch in diesem Fall optional vorgesehen sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gestaltet sich wie folgt:
Aufnahme kinetischer Energie des Antriebsstrangs oder des mit Fahrzeugrädern verbundenen Getriebestrangs durch die Schwungmasse 16, d. h. die Schwungmasse 16 wird durch die Aufnahme kinetischer Energie des Antriebsstrangs oder des mit Fahrzeugrädern verbundenen Getriebestrangs in Rotation versetzt,
Trennen des Antriebsstrangs 18 von dem Fahrzeugmotor 30, vorzugsweise auch Abstellen des Fahrzeugmotors 30, und
Wandeln von der durch die Schwungmasse 16 aufgenommenen kinetischen Energie in elektrische Energie und Versorgen des Bordnetzes 24 mit der elektrischen Energie, wobei alternativ oder zusätzlich die Bordnetzbatterie 26 aufgeladen wird. Somit ist denkbar, dass durch die Zuführung elektrischer Energie in das Bordnetz 24 sowohl elektrische Verbraucher als auch die Bordnetzbatterie 26 mit der durch den elektrischen Generator erzeugten elektrischen Energie versorgt werden können. Selbstverstandlich ist aber auch eine Betriebsweise möglich, bei der ausschließlich die elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie des elektrischen Generators versorgt werden, wobei die Bordnetzbatterie 26 dabei optional von den elektrischen Verbrauchern entkoppelt sein kann und somit vollständig entlastet wird oder bei der Versorgung der elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie des elektrischen Generators unterstützend mitwirkt, d. h. ebenso den elektrischen Verbrauchern elektrische Energie zur Verfügung stellen kann.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/080512 A1 [0008]
- WO 2012/172355 A2 [0009]
- US 8104560 B1 [0010, 0021, 0023, 0023]
