-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie in einem Fahrzeug.
-
Aus der
EP 2 372 892 A1 ist eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung elektrischer Bremsenergie eines an einem Wechselrichter mit Zwischenkreis betriebenen Motors, umfassend einen Wechselrichter, einem Zwischenkreis und eine Energiespeichereinrichtung bekannt. Der Zwischenkreis umfasst einen Zwischenkreiskondensator, der parallel zum Wechselrichter angeordnet ist. Diese Vorrichtung benötigt Baukomponenten, wie Konverter, Batterien, Kondensatoren. Diese Bauteile verringern den Bauraum, erhöhen das Fahrzeuggewicht sowie den Fahrzeugpreis.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung zu schaffen, die den Bauraum optimiert und das Fahrzeuggewicht sowie den Fahrzeugpreis senkt.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben.
-
Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit der Effizienzerhöhung von Elektro-, Hybrid- oder konventionellen Fahrzeugen durch das Zwischenspeichern von – im Fahrbetrieb gewonnener Energie mittels der Verwendung der in jedem Fahrzeug bereits vorhandenen Fahrzeugbestandteile – als Kondensator geschaffen.
-
Durch die Erfindung kann eine Reichweite von E-Fahrzeugen oder Hybriden erhöht werden, wobei durch das erfindungsgemäße Energierückgewinnungssystem wenig kinetische Energie durch Reibung verloren geht, wobei verhindert wird, dass Energie ungenutzt bleibt bzw. unnötig in Wärmeenergie umgewandelt wird.
-
Das erfindungsgemäße Energierückgewinnungssystem sorgt auf kostengünstige Weise für eine Energierückgewinnung von Bremsenergie. Die beim Bremsen entstandene Bremsenergie wird konvertiert und in dem Fahrzeug, das selbst als Kondensator dient, gespeichert. Die erfindungsgemäße Methode dient der kurzfristigen Energiespeicherung.
-
Die erfindungsgemäßen Methoden zur Speicherung der zurückgewonnenen Energie benötigen keine zusätzlichen Baukomponenten, wie beispielsweise Konverter, Batterien, Kondensatoren, etc. Durch die Erfindung wird der Bauraum vergrößert, das Fahrzeuggewicht sowie der Fahrzeugpreis gesenkt.
-
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, das Fahrzeug als Kondensator zu nutzen, insbesondere ist dieser eine Mischung aus Kugel- und Plattenkondensator. Der Fahrzeugkondensator dient der Energiezwischenspeicherung, aus beispielsweise dem Bremsvorgang.
-
Vergleicht man einen herkömmlichen Plattenkondensator mit dem erfindungsgemäßen Aufbau, so kann die Straße als eine Platte, die Luft und das Reifengummi als Dielektrikum und der Rahmen des Fahrzeugs als eine andere Platte dienen.
-
Der Fahrzeuguntergrund, also beispielsweise die Straße, kann als zweite Platte dienen. Diese zweite Platte ist geerdet (0 Volt). Das Dielektrikum des Kondensators wird z.B. durch die Luft oder Reifen gebildet. Der andere Bestandteil des Kondensators ist die erste Platte, die z.B. mittels des Fahrzeugrahmens realisiert ist. Dieser ist vorzugsweise mittels Lack elektrisch isoliert.
-
Erfindungsgemäß kann die zurückgewonnene Energie, insbesondere aus Bremsvorgängen, im Fahrzeugrahmen gespeichert werden. Dadurch entfallen zusätzliche Komponenten. Die elektrische Verbindung zwischen erster und zweiter Kondensatorplatte kann mittels Rollen oder sonstigen elektrischen Verbindern zum Untergrund, also eine Art fünftes Rad, realisiert werden. Die Rolle kann auf einem Trägerarm sitzen. Dieser Trägerarm kann gegen den Fahrzeugrahmen isoliert sein. Die am vorderen Bereich des Trägerarms sitzende Rolle kann aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Gummirad mit Metallfäden oder einem Metallrad bestehen. Alternativ zu dieser Rolle könnte auch ein herabhängender Draht oder Schleifer als Kontaktierung dienen. Dies sind nur einige Alternativen zur elektrischen Kontaktierung. Natürlich sind auch weitere Möglichkeiten, wie elektrisch leitende Flüssigkeiten, Flammen oder lonenquellen denkbar.
-
Diese Abstandsrolle kann zur Kompensation von Verbrauchsspitzen herabgelassen werden, bis diese in Kontakt mit der Straße steht. Denkbar wäre die Realisierung dieser elektrischen Verbindung auch über die Einarbeitung von Metallfäden in die Reifen. Durch die Metallfäden kann die Kontaktierungsrolle entfallen. Bei dieser Methode ist wichtig, dass sich eine Art Metallgewebe, also ein Kontaktierungsnetz von Felgen, Reifen und Fahrbahnuntergrund in elektrischer Verbindung stehen.
-
Ein Generator erzeugt beispielsweise Energie bei Bremsvorgängen. Die damit erzeugte Energie wird im Fahrzeugrahmen gespeichert und kann bei Bedarf vom E-Motor oder der Leistungselektronik in kürzester Zeit abgerufen werden. Somit stehen in regelmäßigen Abständen einige Kilowatt an Leistung zur Verfügung, ohne dass hierfür auf eine Batterie zurückgegriffen wird und ein zusätzlicher Kondensator im Fahrzeug verbaut werden muss.
-
Aus Sicherheitsgründen bzw., damit keine ungewollte Entladung bei Berührung durch eine Person bzw. einen Fußgänger eintritt, kommuniziert die Kondensatorvorrichtung mit den Radsensoren oder dem Tacho zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Sollte die Fahrzeuggeschwindigkeit unter einen bestimmten Wert fallen, so wird der Kondensator entladen, wobei die Kondensatoraufladung erst wieder bei einer bestimmten Geschwindigkeit durchgeführt wird.
-
Grundsätzlich können große Teile der Kondensatoroberfläche durch einen Lack isoliert sein. Diese Lackschicht könnte jedoch beschädigt sein. Das Entladen bzw. Abschalten des Kondensators wäre daher bei beispielsweise 35 km/h denkbar. Bei dieser Geschwindigkeit ist davon auszugehen, dass Personen, beispielsweise Fußgänger, das Fahrzeug nicht mehr berühren. Aus Sicherheitsgründen sollten die Türschlösser und der Unterboden des Fahrzeugs ebenfalls lackiert oder mittels Unterbodenverkleidung elektrisch isoliert sein.
-
Die Entladung des Kondensators könnte beispielsweise durch eine schnelle Erdung mittels Abstandsrolle oder Motor durchgeführt werden. Denkbar wäre zur Entladung auch die schnelle Ansteuerung eines großen Verbrauchers, wie beispielsweise der Klimaanlage.
-
Bremsvorgänge können in unregelmäßigen Abständen durchgeführt werden. Demnach erfolgt auch die Energieerzeugung bzw. der Energieverbrauch in unregelmäßigen Abständen. Das Speichern der Energie in einer Batterie anstatt in einem Kondensator würde bedeuten, dass diese in kurzen Abständen auf- und entladen werden würde. Dies verringert die Lebenszeit der Batterie erheblich. Durch den erfindungsgemäßen Kondensator wird die Batterie weniger beansprucht, was ihre Lebensdauer erhöht.
-
Es werden außerdem kaum zusätzliche Bauteile benötigt. Auf teure Zusatzkondensatoren und Batterien kann verzichtet werden. Kurze Leistungsschwankungen können mit der gespeicherten Energie im Fahrzeugrahmen ausgeglichen werden. Beispielsweise könnte die Klimaanlage im Fahrzeug mit dem Einschalten des Lichtes und einem Beschleunigungsprozess zusammen fallen. In diesem Fall hätte man eine Leistungsspitze, welche zu starken Netzschwankungen führen könnte. Solche Schwankungen können kurzzeitig durch die gespeicherte Energie ausgeglichen werden. Das System wird also durch den kurzen Leistungsbedarf nicht unnötig belastet, wobei Flickerströme vermieden werden.
-
Die Erfindung ist für Hybrid- und Elektrofahrzeuge geeignet. Künftig sollen immer mehr Fahrzeuge aus Carbon oder anderen Verbundwerkstoffen gebaut werden. Diese Materialien sind dank ihrer elektrischen Leitfähigkeit besonders für die erfindungsgemäße Idee geeignet. Durch diese Werkstoffe könnte die Kapazität des Kondensators erheblich verbessert werden.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
-
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung ist ein Fahrzeugrahmen oder eine Fahrzeugkarosserie Teil des Kondensators. Der Fahrzeugrahmen oder eine Fahrzeugkarosserie bildet eine erste Kondensatorplatte, wobei Fahrzeugreifen und/oder Luft zwischen dem Fahrzeugrahmen bzw. der Fahrzeugkarosserie und dem Untergrund als ein Dielektrikum und eine Fahrbahn bzw. ein Fahrzeuguntergrund als eine zweite Kondensatorplatte dient. Der Fahrzeugrahmen bzw. die Fahrzeugkarosserie weisen eine relativ große Fläche auf, so dass eine große Kapazität vorhanden ist, und relativ viel Energie gespeichert werden kann. Der Untergrund dient als Erde und gleichzeitig als zweite Kondensatorplatte, so dass keine weiteren Komponenten eingesetzt werden müssen. Denkbar ist aber auch, dass zur Kapazitätsvergrößerung ein zusätzliches Dielektrikum eingesetzt wird.
-
Gemäß einer anderen günstigen Ausgestaltung ist ein Kontaktelement zur insbesondere elektrischen Kontaktherstellung mit der Fahrbahn bzw. mit dem Fahrzeuguntergrund vorhanden, wobei das Kontaktelement gegen den Fahrzeugrahmen oder der Fahrzeugkarosserie elektrisch isoliert ist. Durch das Kontaktelement kann die Fahrbahn abgegriffen werden, so dass ein geschlossener Stromkreis möglich ist. Auch steht so eine relativ große Kapazität zur Verfügung.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Kontaktelement einen Trägerarm, an dessen Ende ein Kontaktleiter zum Kontaktieren der Fahrbahn bzw. des Fahrzeuguntergrundes angeordnet ist. Der Trägerarm kann fest positioniert sein, so dass ein ständiger Kontakt mit der Fahrbahn vorhanden ist. Denkbar ist auch, dass der Trägerarm bedarfsweise heruntergefahren werden kann, so beispielsweise nur während eines Bremsvorganges oder während einer Kondensatorentladung. Dies verhindert einen vorzeitigen Verschleiß des Kontaktelementes.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das Kontaktelement als eine Kontaktrolle mit elektrisch leitfähigem Material, insbesondere als ein Gummirad mit Metallfäden oder als ein Metallrad, ausgeführt. Die Kontaktrolle sorgt für einen reibungsarmen Kontakt mit der Fahrbahn. Der Durchmesser der Rolle kann viel kleiner als die Räder des Fahrzeuges sein.
-
Alternativ kann das Kontaktelement als ein Schleifkontakt ausgeführt sein. Dieser kann ein dünner Metalldraht sein. Die Kosten zur Umsetzung dieser Variante sind sehr niedrig.
-
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist eine von einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängige Kondensatorentladungseinrichtung vorhanden, die bei Unterschreiten einer definierten Grenzgeschwindigkeit den Kondensator entlädt.
-
Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Energierückgewinnung zu schaffen, das dazu beiträgt, den Bauraum des Fahrzeugs zu optimieren und das Fahrzeuggewicht sowie den Fahrzeugpreis zu senken.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 8 angegeben. Das Verfahren zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie in einem Fahrzeug hat eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie vorstehend beschrieben, und zeichnet sich dadurch aus, dass überschüssige elektrische Energie eines elektrischen Systems des Fahrzeugs durch den Kondensator zwischengespeichert wird.
-
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Vorrichtung zur Rückgewinnung von Bremsenergie eingesetzt. Bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug wird so die Reichweite deutlich erhöht. Gleichzeitig wird ohne den Einsatz zusätzlicher Kondensatoren die Batterie geschont, da hohe Ladungsspitzen sich nachteilig auf die Lebensdauer der Batterie auswirken.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Kondensator zur Kompensation von Leistungsspitzen eines elektrischen Systems des Fahrzeugs entladen wird. Diese Maßnahme schont die Batterie des Fahrzeuges überproportional, da solche Leistungsspitzen die Batteriekapazität ansonsten erheblich kürzen können.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer einen Kondensator umfassenden Vorrichtung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie in einem Fahrzeug in einer schematischen Darstellung,
-
2 ein Ausführungsbeispiel des Kondensators der Vorrichtung gemäß 1 in einer schematischen Darstellung,
-
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines bei dem Kondensator gemäß 1 oder 2 verwendeten Kontaktelements, und
-
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines bei dem Kondensator gemäß 1 oder 2 verwendeten Kontaktelements.
-
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten des im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiels können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.
-
1 zeigt eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie in einem Fahrzeug 1, wobei ein Kondensator, der in 2 veranschaulicht ist, als ein Speicherelement zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie eingesetzt wird.
-
Das Fahrzeug umfasst einen Fahrzeugrahmen 2 bzw. eine Fahrzeugkarosserie. Dieses besteht im Wesentlichen aus elektrischem leitfähigem Material. Zwischen dem Fahrzeugrahmen 2 und der Fahrbahn 3 sind Luft sowie die Reifen 4 angeordnet. Diese wirken als Dielektrikum 5. Das Dielektrikum ist ein Luft-/Gummigemisch. Der Rahmen 2 wirkt als ein erstes Plattenteil des Kondensators. Die Straße bzw. die Fahrbahn 3 wirkt als ein zweites Plattenteil des Kondensators. Somit ist das Fahrzeug oder ein Teil des Fahrzeugs selbst als der Kondensator ausgeführt.
-
Der Fahrzeugrahmen 2 oder eine Fahrzeugkarosserie sind Teil des Kondensators. Der Fahrzeugrahmen 2 dient als eine erste Kondensatorplatte 6, wie 2 zeigt. Die Fahrzeugreifen 4 und die Luft zwischen Fahrzeugrahmen oder einer Fahrzeugkarosserie und einem Untergrund bzw. Fahrbahn 3 sind das Dielektrikum. Die Fahrbahn 3 bzw. ein Fahrzeuguntergrund dienen als eine zweite Kondensatorplatte 7.
-
Um einen geschlossenen Stromkreis zu erhalten – wie in 2 gezeigt ist – muss die Fahrbahn elektrisch kontaktiert werden. Daher ist ein Kontaktelement 8 zur Kontaktherstellung der Fahrbahn 3 bzw. des Fahrzeuguntergrundes vorhanden. Das Kontaktelement 8 kontaktiert die zweite Kondensatorplatte 7. Diese ist geerdet und hat 0 Volt als Potential. Das Kontaktelement 8 ist gegen den Fahrzeugrahmen 2 oder die Fahrzeugkarosserie elektrisch isoliert.
-
Wie weiterhin 2 veranschaulicht, umfasst das Kontaktelement 8 einen Trägerarm 9. An dem Ende des Trägerarms ist das Kontaktelement 8 angeordnet. Es ist daher ein Kontaktleiter zum Kontaktieren der Fahrbahn 3 bzw. des Fahrzeuguntergrundes vorhanden. Die Bezugszeichen 10 und 11 in 2 stellen die Kondensatoranschlüsse dar.
-
Wie 3 zeigt, kann gemäß einer ersten Ausführungsform das Kontaktelement als eine Kontaktrolle 12 mit elektrisch leitfähigem Material, insbesondere als ein Gummirad mit Metallfäden oder als ein Metallrad, ausgeführt sein.
-
Alternativ kann das Kontaktelement 8 als ein Schleifkontakt 13 ausgeführt sein, wie 4 zeigt.
-
Um Fußgänger, die versehentlich die Karosserie berühren könnten zu schützen, ist eine Geschwindigkeit abhängige Kondensatorentladungseinrichtung vorhanden, die bei Unterschreiten einer definierten Grenzgeschwindigkeit, wie 20 km/h bis 50 km/h, insbesondere etwa 35 km/h, den Kondensator entlädt.
-
1 zeigt, dass der Kondensator zum einen an einem Generator G angeschlossen ist. Damit wird der Kondensator geladen. Zum anderen wird der Kondensator an einem Motor M oder einem anderen Verbraucher angeschlossen und dadurch entladen. Die Vorrichtung wird zur Rückgewinnung von Bremsenergie eingesetzt. Der Kondensator wird zur Kompensation von Leistungsspitzen eines elektrischen Systems des Fahrzeugs entladen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fahrzeug
- 2
- Fahrzeugrahmen
- 3
- Fahrbahn
- 4
- Reifen
- 5
- Dielektrikum
- 6
- erste Kondensatorplatte
- 7
- zweite Kondensatorplatte
- 8
- Kontaktelement
- 9
- Trägerarm
- 10
- erster Kondensatoranschluss
- 11
- zweiter Kondensatoranschluss
- 12
- Kontaktrolle
- 13
- Schleifkontakt
- G
- Generator
- M
- Motor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
