DE102015207046A1

DE102015207046A1 - Fahrzeug mit einem mechanischen Energiespeichersystem sowie Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem mechanischen Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102015207046A1
Application number: DE102015207046.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kain; Michael Günthner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-10-20

Abstract

Fahrzeug, mit einem Antriebsstrang und einem zum Speichern mechanischer Energie vorgesehenen Energiespeichersystem, einer Kopplungseinrichtung, über die der Antriebsstrang mechanisch mit dem Energiespeichersystem koppelbar ist, wobei im gekoppelten Zustand kinetische Energie des Antriebsstrangs in das Energiespeichersystem einspeisbar oder im Energiespeichersystem gespeicherte Energie in den Antriebsstrang einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem einen ersten mechanischen Speicher und einen sich davon unterscheidenden zweiten mechanischen Speicher aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 15.
Es sind bereits verschiedene Konzepte zur Zwischenspeicherung kinetischer Energie eines Fahrzeugs in einem im Fahrzeug verbauten Schwungrad bekannt. Derartige Schwungräder weisen Maximaldrehzahlen von mehreren zehntausend U/min auf, was zwischen dem Antriebsstrang und dem Schwungrad ein Getriebe mit einer großen Getriebespreizung (bis zu 10) erforderlich macht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einem weiterentwickelten mechanischen Energiespeicher zu schaffen bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem derartigen Energiespeicher anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang und einem zum Speichern mechanischer Energie vorgesehenen „Energiespeichersystem”. Der Antriebsstrang des Fahrzeugs kann über eine „Kopplungseinrichtung” mechanisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelt werden. Im gekoppelten Zustand kann wahlweise kinetische Energie des Fahrzeugs bzw. des Antriebsstrangs in das Energiespeichersystem eingespeist und dort zwischengespeichert werden. Alternativ dazu kann im gekoppelten Zustand mechanische Energie, die im Energiespeichersystem zwischengespeichert ist, in den Antriebsstrang eingespeist werden, um ein Beschleunigen des Fahrzeugs zu unterstützen bzw. um das Fahrzeug (z. B. aus dem Stand heraus oder auch während der Fahrt) eventuell sogar vorübergehend ausschließlich mit der im Energiespeichersystem gespeicherten Energie zu beschleunigen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass das Energiespeichersystem einen ersten mechanischen Speicher und einen sich davon unterscheidenden zweiten mechanischen Speicher aufweist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die beiden mechanischen Speicher für unterschiedliche Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbereiche des Fahrzeugs auszulegen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der erste mechanische Speicher dazu vorgesehen ist, in einem ersten, niedrigen Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbereich des Antriebsstrangs mit dem Fahrzeug gekoppelt zu werden, z. B. in einem Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs von bis zu 30 km/h.
Der zweite mechanische Speicher kann dazu vorgesehen sein, in einem zweiten, höheren Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbereich des Antriebsstrangs mit dem Antriebsstrang gekoppelt zu werden. Die beiden Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbereiche können disjunkt sein oder einander zumindest teilweise überlappen.
Der erste mechanische Speicher kann durch eine mechanische Feder oder durch mehrere mechanische Federn, insbesondere durch eine Drehfeder bzw. mehrere Drehfedern gebildet sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Antriebsstrang über eine „schaltbare Drehrichtungsumkehreinrichtung”, insbesondere über ein schaltbares Getriebe, mit dem ersten mechanischen Speicher gekoppelt. Die Drehrichtungsumkehreinrichtung ist erforderlich, wenn dem Antriebsstrang beim „Entladen des ersten mechanischen Speichers” Drehenergie in derselben Richtung zugeführt werden soll, in der sich der Antriebsstrang beim „Laden” des ersten mechanischen Speichers dreht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Feststelleinrichtung vorgesehen, die beispielsweise durch eine Bremse gebildet sein kann. Mittels der Feststelleinrichtung kann der erste mechanische Speicher (z. B. Drehfeder) in einem „geladenen Zustand” festgestellt werden. Durch Lösen der Feststelleinrichtung kann der mechanische Speicher entladen und die in ihm gespeicherte mechanische Energie abgegeben bzw. z. B. dem Antriebsstrang zugeführt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Antriebsstrang über eine erste Kupplung mit dem ersten mechanischen Speicher koppelbar.
Der zweite mechanische Speicher kann beispielsweise durch ein Schwungrad gebildet sein oder ein Schwungrad aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem „Schwungrad” um eine Einrichtung, die auf eine Drehzahl von mehreren zehntausend U/m ausgelegt ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine zweite Kupplung vorgesehen, über die der Antriebsstrang mit dem zweiten mechanischen Speicher (z. B. Schwungrad) koppelbar ist.
Zwischen dem Antriebsstrang und dem zweiten mechanischen Speicher kann ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen sein, welches die Drehzahl eines Antriebsstrangelements in die (sehr hohe) Drehzahl des zweiten mechanischen Speichers übersetzt. Als Übersetzungsgetriebe kommt insbesondere ein stufenlos verstellbares Übersetzungsgetriebe, wie z. B. ein Umschlingungsgetriebe oder ein Reibradgetriebe, wie z. B. ein Toroidgetriebe, in Betracht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann das Fahrzeug einen Zustand einnehmen, in dem das Energiespeichersystem vom Antriebsstrang entkoppelt ist und der erste mechanische Speicher mit dem zweiten mechanischen Speicher gekoppelt ist. In diesem Zustand ist also weder der erste mechanische Speicher noch der zweite mechanische Speicher mit dem Antriebsstrang gekoppelt. Aufgrund der Kopplung der beiden mechanischen Speicher kann in diesem Zustand Energie von dem einen mechanischen Speicher auf den anderen mechanischen Speicher übertragen und dort zwischengespeichert werden. Beispielsweise kann bei abgestelltem Fahrzeug Restenergie, die im Schwungrad gespeichert ist, in den ersten mechanischen Speicher übertragen und dort bei abgestelltem Fahrzeug beliebig lange gespeichert werden.
Umgekehrt ist es möglich, mittels der im ersten mechanischen Speicher gespeicherten Energie nach einer längeren Standphase des Fahrzeugs das Schwungrad zumindest auf eine gewisse Drehzahl „hochzuschleppen”.
Für eine Leistungsübertragung von dem ersten mechanischen Speicher auf den zweiten mechanischen Speicher oder umgekehrt kann eine dritte Kupplung vorgesehen sein. Durch Schließen der dritten Kupplung können die beiden mechanischen Speicher miteinander gekoppelt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Planetengetriebe vorgesehen, welches drei Drehmomentübertragungskomponenten aufweist, nämlich ein Sonnenrad, einen Planetenträger und ein Hohlrad. Der erste mechanische Speicher kann mit einer ersten der drei Drehmomentübertragungskomponenten gekoppelt sein, der zweite mechanische Speicher mit einer zweiten der drei Drehmomentübertragungskomponenten und der Antriebsstrang kann mit einer dritten der drei Drehmomentübertragungskomponenten des Planetengetriebes koppelbar oder gekoppelt sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung können das Schwungrad und die mechanische Feder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Beispielsweise kann auch vorgesehen sein, dass die mechanische Feder in einem „Innenraum des Schwungrads” angeordnet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: eine erfindungsgemäße Anordnung in äußerst schematisierter Darstellung;
2: das Laden und Entladen der beiden mechanischen Energiespeicher dargestellt in einem Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm.
1 zeigt in äußerst schematisierter Darstellung ein Achsgetriebe 1 eines hier nicht näher dargestellten Fahrzeugs. Das Achsgetriebe 1 wird von einer Gelenkwelle 2, welche über ein Getriebe (z. B. Automatik- oder Schaltgetriebe) mit einem Antriebsmotor (z. B. Verbrennungsmotor) verbunden ist, angetrieben. Auf einander gegenüberliegenden Seiten des Achsgetriebes 1 sind zwei Antriebsachsen 3, 4 vorgesehen, welche zugeordnete Antriebsräder 5, 6 des Fahrzeugs antreiben.
Das Fahrzeug weist ein „Energiespeichersystem 7 mit einem ersten mechanischen Speicher 8 und einem zweiten mechanischen Speicher 9 auf. Der erste mechanische Speicher 8 ist hier durch eine Federanordnung gebildet. Der zweite mechanische Speicher 9 ist durch ein Schwungrad gebildet. Über eine erste Trennkupplung 10 und eine Drehrichtungsumkehreinrichtung 11 kann der erste mechanische Speicher 8 mit dem Antriebsstrang (z. B. mit der Gelenkwelle 2) gekoppelt werden. Bei der Drehrichtungsumkehreinrichtung handelt es sich beispielsweise um ein Getriebe, das umschaltbar ist. Beim Entladen des ersten mechanischen Speichers dreht sich dieser nämlich entgegengesetzt zur Richtung, in der er geladen wird. Um dem Antriebsstrang ein „positives Drehmoment” beim Entladen des ersten mechanischen Speichers 8 zu überlagern, muss die Drehrichtungsumkehreinrichtung 11 so geschaltet werden, dass sich in Bezug auf ihre Ladedrehrichtung am ersten mechanischen Speicher 8 eine umgekehrte Drehrichtung ergibt (so dass an der Trennkupplung 10 dieselbe Drehrichtung vorliegt, wie beim Laden des ersten mechanischen Speichers).
Durch Öffnen der Trennkupplung 10 kann der erste mechanische Speicher 8 vom Antriebsstrang entkoppelt werden. Um Energie, die im ersten mechanischen Speicher 8 gespeichert ist, verlustfrei zwischen zu speichern (z. B. bei abgestelltem Fahrzeug oder auch während des Betriebs des Fahrzeugs) ist eine Bremse 12 vorgesehen, mittels der der erste mechanische Speicher im „geladenen Zustand” gehalten werden kann.
Der zweite mechanische Speicher 9 ist über eine Kupplung 13, ein Übersetzungsgetriebe 14, bei dem es sich beispielsweise um ein stufenlos verstellbares Übersetzungsgetriebe, wie z. B. ein Umschlingungsgetriebe oder ein Reibradgetriebe handeln kann, und eine weitere Kupplung 15 mit dem Antriebsstrang koppelbar. Anstatt einer weiteren Kupplung 15 kann auch ein schaltbarer Freilauf vorgesehen sein.
Über die Kupplung 13 bzw. 15 kann der zweite Energiespeicher 9 mit dem Antriebsstrang gekoppelt bzw. von diesem entkoppelt werden.
Ferner ist eine dritte Kupplung 16 vorgesehen, über die die beiden mechanischen Energiespeicher 8, 9 miteinander gekoppelt werden können. Über die dritte Kupplung 16 kann somit Energie von dem ersten mechanischen Speicher 8 auf den zweiten mechanischen Speicher 9 übertragen werden, oder umgekehrt. Beispielsweise kann bei abgestelltem Fahrzeug kinetische Energie, die noch im zweiten mechanischen Speicher 9 vorhanden ist, zum Laden des ersten mechanischen Speichers 8 verwendet werden. Alternativ dazu kann nach längerem Abstellen des Fahrzeugs, d. h. wenn der zweite mechanische Speicher 9 energielos ist, die im ersten mechanischen Speicher 8 gespeicherte Energie über die dritte Kupplung 16 in den zweiten mechanischen Speicher 9 überführt werden. Anders ausgedrückt kann nach einer längeren Stillstandsphase des Fahrzeugs die im „Federspeicher 8” gespeicherte mechanische Energie zum Hochschleppen des Schwungrads 9 verwendet werden.
2 zeigt ein Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm, anhand dessen der Betrieb der beiden Energiespeicher 8, 9 (vgl. 1) in unterschiedlichen Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbereichen des Fahrzeugs erläutert wird. Ausgehend von einer Geschwindigkeit v₁ wird das Fahrzeug in einem Zeitpunkt t₁ abgebremst. Dabei wird kinetische Energie des Fahrzeugs in ein Schwungrad übertragen und dort zwischengespeichert, was durch die schraffierte Fläche A₁ angedeutet ist.
Wenn das Fahrzeug eine vorgegebene Geschwindigkeit v₂ unterschreitet, wird ab einem Zeitpunkt t₂ die verbliebene kinetische Energie des Fahrzeugs zum „Laden” eines Federspeichers verwendet, was durch die schraffierte Fläche A₂ angedeutet ist.
In einem Zeitpunkt t₃ kommt das Fahrzeug zum Stehen.
In einem Zeitpunkt t₄ fährt das Fahrzeug erneut an. Das Anfahren aus dem Stand wird dabei durch die im Federspeicher gespeicherte Energie unterstützt, was durch die schraffierte Fläche A₃ angedeutet ist. Aufgrund unvermeidbarer mechanischer Verluste ist die Fläche A₃ etwas kleiner als die Fläche A₂.
Ab einer Geschwindigkeit v₃ des Fahrzeugs ist die im Federspeicher zwischengespeicherte Energie aufgebraucht. Oberhalb der Geschwindigkeit v₃ wird das weitere Beschleunigen des Fahrzeugs durch die im Schwungradspeicher gespeicherte Energie unterstützt, was durch die schraffierte Fläche A₄ angedeutet ist. Die Fläche A₄ ist etwas kleiner als die Fläche A₁, was auf die unvermeidlichen mechanischen Verluste des Schwungradspeichers zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₅ zurückzuführen ist.

Claims

Fahrzeug, mit – einem Antriebsstrang (1, 2) und – einem zum Speichern mechanischer Energie vorgesehenen Energiespeichersystem (8, 9), – einer Kopplungseinrichtung (10, 13, 15), über die der Antriebsstrang (1, 2) mechanisch mit dem Energiespeichersystem (8, 9) koppelbar ist, wobei im gekoppelten Zustand • kinetische Energie des Antriebsstrangs (1, 2) in das Energiespeichersystem (8, 9) einspeisbar oder • im Energiespeichersystem (8, 9) gespeicherte Energie in den Antriebsstrang (1, 2) einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (8, 9) einen ersten mechanischen Speicher (8) und einen sich davon unterscheidenden zweiten mechanischen Speicher (9) aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste mechanische Speicher (8) dazu vorgesehen ist, in einem ersten, niedrigen Drehzahlbereich des Antriebsstrangs (1, 2) mit dem Antriebsstrang (1, 2) gekoppelt zu werden und – der zweite mechanische Speicher (9) dazu vorgesehen ist, in einem zweiten, höheren Drehzahlbereich mit dem Antriebsstrang (1, 2) gekoppelt zu werden.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste mechanische Speicher (8) eine mechanische Feder, insbesondere eine Drehfeder, ist oder aufweist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1, 2) über eine schaltbare Drehrichtungsumkehreinrichtung (11), insbesondere über ein schaltbares Getriebe, mit dem ersten mechanischen Speicher (8) gekoppelt ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feststelleinrichtung (12), insbesondere eine Bremse, vorgesehen ist, mittels der der erste mechanische Speicher (8) in einem geladenen Zustand feststellbar ist, wobei der erste mechanische Speicher (8) durch Lösen der Feststelleinrichtung (12) entladbar ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1, 2) über eine erste Kupplung (10) mit dem ersten mechanischen Speicher (8) koppelbar ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite mechanische Speicher (9) ein Schwungrad ist oder aufweist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1, 2) über mindestens eine zweite Kupplung (13, 15) mit dem zweiten mechanischen Speicher (9) koppelbar ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Antriebsstrang (1, 2) und dem zweiten mechanischen Speicher (9) ein Übersetzungsgetriebe (14), insbesondere ein stufenlos verstellbares Übersetzungsgetriebe, angeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen Zustand einnehmen kann, in dem das Energiespeichersystem (8, 9) vom Antriebsstrang (1, 2) entkoppelt ist und der erste mechanische Speicher (8) mit dem zweiten mechanischen Speicher (9) gekoppelt ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Kupplung (16) vorgesehen ist, über die die beiden mechanischen Speicher (8, 9) miteinander koppelbar sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetengetriebe vorgesehen ist, welches drei Drehmomentübertragungskomponenten, nämlich ein Sonnenrad, einen Planetenträger und ein Hohlrad, aufweist, wobei – der erste mechanische Speicher (8) mit einer ersten der Drehmomentübertragungskomponenten, – der zweite mechanische Speicher (9) mit einer zweiten der Drehmomentübertragungskomponenten und – der Antriebsstrang mit einer dritten der drei Drehmomentübertragungskomponenten koppelbar oder gekoppelt ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad und die mechanische Feder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Feder in einem Innenraum des Schwungrads angeordnet ist.
Verfahren zum – Speichern kinetischer Energie eines Antriebsstrangs (1, 2) eines Fahrzeugs in einem Energiespeichersystem (8, 9) und zum – Einspeisen von in dem Energiespeichersystem (8, 9) gespeicherter Energie in den Antriebsstrang, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (8, 9) – einen ersten mechanischen Energiespeicher (8) aufweist, der in einem Niedrigdrehzahlbereich des Antriebsstrangs (1, 2) mit dem Antriebsstrang (1, 2) gekoppelt wird und – einen zweiten mechanischen Energiespeicher (9), der in einem höheren Drehzahlbereich mit dem Antriebsstrang (1, 2) gekoppelt wird.