DE102016008148A1

DE102016008148A1 - Verfahren, Vorrichtung und Produkt eines CO2-minimierten Energiewandler-Hybridsystems

Info

Publication number: DE102016008148A1
Application number: DE102016008148.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Produkt eines Energiewandler-Hybridsystems, das mindestens zwei unterschiedliche auf mindestens physikalischem Wandlungsprozess beruhende Energiewandler mit dem gleichen Treibstoff betreibt. Erfindungsgemäß wird z. B. ein existierendes Hybrid-System zumindest durch den Einbau und/oder (Teil-)Ersetzen von mechanischen, elektrischen, elektronischen und Signal- und Informationstechnischen Systemen und Teilsystemen, Komponenten und Teilkomponenten, Teilen, Bauteilen, Stoffen und Transformation dieser Systeme, Teilsysteme, Teilkomponenten und Komponenten, das Umbauen, Ergänzen und Modifizieren von bestehenden Systemen und Teilsystemen, Komponenten und Teilkomponenten und durch das Einbauen von neuen Systemen und Teilsystemen, Komponenten und Teilkomponenten, Bauteilen und Steuerungssystemen und deren Subsystemen. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um die Treibstoffbehältnisse, die Treibstoff sowohl für Verbrennungsmotoren und gleichzeitig auch z. B. für Brennstoffzellen bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Produkt eines Energiewandler-Hybridsystems, das mindestens zwei unterschiedliche auf mindestens physikalischem Wandlungsprozess beruhende Energiewandler mit dem gleichen Treibstoff betreibt und in Energie-Bereitstellungssystemen für stationäre sowie mobile Nutzung Anwendung findet, z. B. in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Fahrzeuge, z. B. Automobile und leichte Lastwagen nach dem Stand der Technik, haben eine Karosserie, deren Funktion darin besteht, Insassen und zusätzliches Gepäck aufzunehmen und während der Fahrt zu transportieren und zu schützen. Karosserien sind mit zahlreichen mechanischen, elektrischen und strukturellen bzw. tragenden Komponenten verbunden, die in Kombination mit einer Karosserie ein voll funktionsfähiges Fahrzeug bilden. Ein Fahrwerk des Kraftfahrzeugs und ein mit dem Fahrwerk verbundener Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs sorgen für den Vortrieb des Kraftfahrzeuges. Das Fahrwerk mit seinen Antriebswellen und seinen an den Antriebswellen aufgenommenen Rädern überträgt die mechanische Arbeit des Antriebstrangs zumeist rotierend auf die Fahrbahn. Der Vortrieb eines Kraftfahrzeugs ist das Ergebnis einer Relativbewegung und nach Lagrange'scher Betrachtung zwischen der feststehenden Fahrbahn und dem Kraftfahrzeug abhängig einer Beschleunigung und damit der zeitlichen Veränderung der Relativgeschwindigkeit zwischen feststehender Fahrbahn und dem Kraftfahrzeug.
Eine erste Hauptkomponente eines konventionellen Antriebstrangs ist ein Antriebsaggregat, in Form eines Verbrennungsmotors mit seinen so genannten Nebenaggregaten wie bspw. Einspritzanlage, Kühlwasserpumpe, Fremdgaseinspritzungsanlage, usw. Auch ein eine thermodynamische Leistung des Verbrennungsmotors steigerndes Aufladeaggregat wie z. B. Abgasturbolader oder mechanisch betriebener Kompressor ist den Nebenaggregaten zuzuordnen. Mit anderen Worten umfasst die erste Hauptkomponente sämtliche zum Betrieb des Verbrennungsmotors notwendigen Aggregate einschließlich des Verbrennungsmotors selbst.
Dieser ersten Hauptkomponente sind des Weiteren zuzuordnen Brennstoff/Treib-, Aufbereitungs-, Zündung,- Umwandlungs- und Abführungssysteme bzw. Vorbehandlungs-, Nachbereitungskomponenten wie z. B. Pumpe-Düse-Systeme, Common-Rail, Injektions-Systeme, Abgasrückführ-Komponenten und -Systeme, Abgas-Katalyse-Systeme, Auspuff-Anlage mit Dämpfungs- und Nachreinigungs-Komponenten.
Weitere der ersten Hauptkomponente zuzuordnende Bauteile sind Kühlsysteme wie z. B. Motorkühlsysteme (Ladeluftkühler, Wasserkühler, Ölkühler usw.) und z. B. Klima-Anlagen inkl. der Klima-Kühlstoffe für die Belüftung der Fahrgastzelle sowie Heizsysteme für die Innenraum-Beheizung aber auch Motor-Temperatur-Regelung.
Damit eine Leistung des Verbrennungsmotors auf die Straße übertragen werden kann, ist die erste Hauptkomponente mit Hilfe einer zweiten Hauptkomponente mit der Antriebswelle verbunden.
Die zweite Hauptkomponente umfasst ein Übersetzungsmodul, mit Hilfe dessen es möglich ist, eine Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu übersetzen und auf die Antriebswelle zu übertragen. Dabei kann die zweite Hauptkomponente in Form eines Schaltgetriebes mit einer Kupplung oder in Form eines Automatikgetriebes mit einem entsprechenden Wandler ausgebildet sein.
Eine dritte Hauptkomponente, das Fahrwerk, weist die Antriebswelle oder, je nach Antriebsart mehrere Antriebswellen und ein Übertragungsmodul auf. Das Übertragungsmodul bildet sämtliche Bauteile, welche notwendig sind eine Ausgangswelle der zweiten Hauptkomponente mit der Antriebswelle zu verbinden. Dazu gehören bspw. Achsgetriebe, Radlager, Feder-Dämpfer-Systeme, Hinterachsträger, Integralträger, usw. Weitere Fahrwerkkomponenten sind z. B. Federungssysteme, Dämpfungssysteme, Radaufhängung und -Lagerung, Räder, Reifen und Lenkung. Aktuelle Fahrzeuge sind mit elektrohydraulischen Lenkverstärkungskomponenten ausgerüstet.
Der dritten Hauptkomponenten ebenfalls zugeordnet sind Bremssysteme zuzüglich der Assistenzsysteme wie z. B. Antiblockiersysteme oder auch Einzelrad-Beschleunigungssysteme zur optimalen Drehmomentverteilung.
Eine vierte Hauptkomponente sind sämtliche Hilfs-, Betriebs- und Schmierstoffe, welche zum Betrieb der übrigen Hauptkomponenten notwendig sind. Es sind bekannt die Reinigungskomponenten wie z. B. Scheibenreinigungsanlagen inkl. ihrer Betriebs- und Hilfsstoffe.
Eine fünfte Hauptkomponente ist als Motor- und Fahrzeugsteuermodul ausgebildet und umfasst sämtlich zur Motor- und Fahrzeugsteuerung benötigten Komponenten zusätzlich der benötigten Hard- und Software zur Informationsverarbeitung und -weiterleitung (Can-Bus). Energiewandler in Form technischer insbesondere elektrochemischer Systeme wie bspw. Brennstoffzellen, Stromabnehmer in galvanischen Zellen, Elektrolyseure und Batterien sind ebenfalls bekannt.
Weiterhin bekannt sind Elektromotoren unterschiedlichster Bauarten inkl. ihrer Bestromung, Inverter-Technologien, die Gleich- in Wechselstrom umwandeln, Transformatoren wie z. B. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, Steuergeräte für unterschiedliche Steuerapplikationen inkl. Regelungsfunktionen, Sensoren für herkömmliche Fahrzeuge mit unterschiedlichen Anwendungsspektren. All das ist bereits entwickelt und in Anwendung für Bordstromversorgung (z. B. 12 Volt und 24 Volt) in Fahrzeugen aber auch für höher bis Hoch-Volt-Anwendung wie z. B. für elektrische Antriebskomponenten von Fahrzeugen. Elektrisch betriebene Fahrzeuge weisen wenigstens einen Elektromotor zum Antrieb von wenigstens einem Antriebsrad des Fahrzeugs auf. Die für den Antrieb des wenigstens eines Elektromotors erforderliche elektrische Energie kann hierbei auf unterschiedlichen Wegen bereitgestellt werden. So sind beispielsweise Fahrzeuge bekannt, bei denen die elektrische Energie mit Hilfe einer Batterie (eines Akkumulators) bereitgestellt wird und solche, bei denen die elektrische Energie mit Hilfe einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird.
Da bei einem Betrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs Betriebszustände mit ganz unterschiedlichen Anforderungen in Bezug auf die benötigte oder auch rückgewinnbare elektrische Energie gegeben sein können (z. B. konstante Fahrt, geringe, mittlere oder starke positive oder negative Beschleunigungen), sind weiter elektrisch betriebene Fahrzeuge bekannt, die zwei Stromversorgungsquellen aufweisen, mit Hilfe derer unterschiedlichen Betriebszuständen besser gerecht werden kann, als dies mit nur einer Stromversorgungsquelle der Fall ist.
Es sind auch Fahrzeuge und mobile Systeme bekannt, die mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie als Energiewandler ausgerüstet sind. Der Triebstrang besteht aus mindestens einem Elektromotor, aus mindestens einem Getriebe, aus mindestens einer Leistungselektrik, aus mindestens einer Leistungselektronik, aus mindestens einer Steuerungselektronik und aus mindestens einem Hochdruck-Tanksystem und konventionellen Bauteilen.
Es sind auch Fahrzeuge und mobile Systeme bekannt, die mit mindestens einem Verbrennungsmotor und mindestens einem Treibstoff-Behältnis, das gasförmigen Treibstoff beinhaltet, ausgestattet sind.
DE 10 2010 011 579 A1 beschreibt ein Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle folgendermaßen: „Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug in Form eines nicht spurgebundenen Kraftfahrzeugs, insbesondere Personenkraftwagens, mit zumindest zwei Antriebsaggregaten in Form eines Antriebs-Elektromotors sowie eines Verbrennungsmotors, und mit einer Brennstoffzellen-Einheit, mit welcher durch Umwandlung von im Fahrzeug gespeichertem Wasserstoff elektrischer Strom gewonnen wird, der einem Zwischenspeicher für elektrische Energie und direkt oder über diesen Zwischenspeicher indirekt dem Antriebs-Elektromotor zuführbar ist, wobei die Brennstoffzellen-Einheit sowie der elektrische Energiespeicher solchermaßen dimensioniert sind, dass ein üblicher sog. Stadtzyklus, den nicht spurgebundene Kraftfahrzeuge absolvieren müssen, um eine behördliche Zulaalten, ohne Zuschaltung des Verbrennungsmotors unter Berücksichtigung einer Sicherheitsreserve in der Größenordnung von maximal 10% der für diesen Stadtzyklus benötigten Energie gerade noch erfolgreich absolviert werden kann.” EP 00 0001 923 288 A2 zu Hybridfahrzeugen: „Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybrid-Antrieb (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor (2) zum Generieren von Antriebsleistung durch Verbrennen eines Kohlenwasserstoff enthaltenden Kraftstoffs, einen Kraftstofftank (5) zum Speichern des Kraftstoffs, wenigstens einen Elektromotor (3) zum Generierung von Antriebsleistung durch Umsetzen von elektrischer Energie und wenigstens eine Batterie (6) zum Speichern von elektrischer Energie. Um die Effektivität des Hybrid-Antriebs (1) zu verbessern, ist ein Brennstoffzellensystem (4) zum Generieren von elektrischer Energie aus dem Kraftstoff und aus einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator vorgesehen, wobei der Verbrennungsmotor (2) und das Brennstoffzellensystem (4) zur Versorgung mit Kraftstoff an den Kraftstofftank (5) angeschlossen sind.” DE 10 2010 052 797 A1 zu Brennstoffzellenfahrzeugen: „Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug (1), umfassend – eine Brennstoffzelleneinheit (2) mit mindestens einer Brennstoffzelle, mittels derer in einem galvanischen Prozess eine chemische Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel in elektrische Energie umgewandelt werden kann, – einen elektrischen Traktionsmotor (14) zum Antreiben eines oder mehrerer Antriebsräder (15, 16) des Brennstoffzellenfahrzeugs (1), wobei der elektrische Traktionsmotor (14) an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist und von dieser mit elektrischem Strom versorgt werden kann, – eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung (5), die an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist und für eine Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (2) mit dem Oxidationsmittel eingerichtet ist, wobei die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung (5) mindestens eine Oxidationsmittelzufuhrleitung (6, 21), mindestens ein Kompressormittel (7, 20) zum Verdichten des Oxidationsmittels und einen Oxidationsmittelspeicherbehälter (8) umfasst, der an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist und innerhalb dessen unter Druck stehendes Oxidationsmittel gespeichert und wahlweise der Brennstoffzelleneinheit (2) zugeführt werden kann, wobei – das Brennstoffzellenfahrzeug (1) mindestens einen elektrischen Antriebsmotor (17, 22) umfasst, der an den elektrischen Traktionsmotor (14) sowie an das Kompressormittel (7, 20) angeschlossen ist und das Kompressormittel (7, 20) elektrisch antreiben kann, so dass der Oxidationsmittelspeicherbehälter (8) und/oder die Brennstoffzelleneinheit (2) von dem elektrisch antreibbaren Kompressormittel (7, 20) mit verdichtetem Oxidationsmittel versorgt werden können/kann, und wobei – der elektrische Traktionsmotor (14) dazu eingerichtet ist, in einem Generatorbetrieb mechanische Bremsenergie des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) in elektrische Energie zu wandeln und den elektrischen Antriebsmotor (17, 22) zu speisen.”
Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Produkt eines Energiewandler-Hybridsystems, das mindestens zwei unterschiedliche auf mindestens physikalischem Wandlungsprozess beruhende Energiewandler mit dem gleichen Treibstoff betreibt.
Die Erfindung ist am Beispiel eines Personenkraftwagens (Pkw) dargestellt (1). Im Wesentlichen besteht das Fahrzeug aus mindestens einem Treibstoff-Behältnis-System (1), z. B. mit Wasserstoff unter Hochdruck, mit mindestens einer Tank-Kopf-Einheit (2) und dem dazugehörigen Leitungssystem (3), mindestens einer Steuerungseinheit (10), mindestens zwei Energiewandlern (5, 6) mit mindestens physikalischem Wandlungsprozess (z. B. Brennstoffzelle, Verbrennungsmotor usw.), mindestens einem Schalt-/Verteilersystem (4) und mindestens einer elektrischen Antriebseinheit (8).
Im Rahmen vorliegender Erfindung werden mindestens zwei Energiewandler (5, 6), z. B. Brennstoffzelle und z. B. Wasserstoff verbrennender Verbrennungsmotor, mit z. B. dem gleichen Treibstoff, z. B. Wasserstoff, aus mindestens einem Treibstoff-Behältnis-System (1) betrieben.
Die situationsgerechte Bereitstellung des Treibstoffs für die jeweiligen Energiewandler (5, 6) wird über z. B. mindestens eine Steuerungs-/Regeleinheit (10) inklusive Steuerungs- und Regelprogramm, mindestens eine Schalt-/Verteilereinheit (4) und z. B. Treibstoffleitungen (3) realisiert.
Die von den Energiewandlern (5, 6) bereitgestellte Energie erzeugt Leistung, die in Drehmoment und Drehzahl umgewandelt und z. B. mechanisch über eine Welle an z. B. die Antriebsräder übertragen wird.
Vorteilhafterweise arbeiten die Energiewandler (5, 6) unabhängig voneinander und können zeitgleich und/oder zeitunabhängig voneinander betrieben werden. Die Betriebsweise ist anwendungsspezifisch und/oder situationsbedingt über z. B. die Steuerungs-/Regeleinheit (10) anpassbar.
Vorteilhafterweise wird über eine Schalt-/Verteilereinheit (4) der jeweilige Treibstoffstrom zu den Energiewandlern gesteuert und geregelt. Hierzu ist ein Programm in z. B. der Steuerungs-/Regeleinheit (10) hinterlegt.
Flüssigtreibstoffe können für den Betrieb von z. B. Brennstoffzellen-Verbrennungsmotor-Hybriden genauso verwendet werden durch Einbau zusätzlicher z. B. Reformierungs- und Aufbereitungssysteme.
Damit kann z. B. die Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik von Verbrennungsmotoren mit denen der Elektromotoren kombiniert werden, ohne hierfür in diesem Fall zwei unterschiedliche Tank-Systeme verwenden zu müssen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Produkt eines Energiewandler-Hybridsystems, das mindestens zwei unterschiedliche auf mindestens physikalischem Wandlungsprozess beruhende Energiewandler mit dem gleichen Treibstoff betreibt, technisch darzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein bereits existierendes System damit ausgerüstet werden kann. Genauso wie dass ein neues System mit diesen Attributen aufgebaut werden kann.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die mit diesem System ausgerüstete Produkte verglichen zu anderen bis heute dargestellten Hybrid-Systemen deutlich interessanter für Nutzer und Anwender sind.
Ein weiterer signifikanter Vorteil dieses Verfahrens, dieser Vorrichtung und dieses Produkts ist, dass es sich um ein CO2-neutrales Produkte handelt und emissionsminimiertes Fahren möglich ist.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Bauraum für einen Brennstoffzellen-Verbrennungsmotor-Hybridantrieb im Fahrzeug deutlich kleiner ist.
Somit ist eine technische Lösung angegeben für ein System das mindestens zwei unterschiedliche auf mindestens physikalischem Wandlungsprozess beruhende Energiewandler mit dem gleichen Treibstoff betreibt.
Mit anderen Worten wird die genannte Aufgabe gelöst durch den Einbau und/oder (Teil-)Ersetzen von mechanischen, elektrischen, elektronischen und Signal- und Informationstechnischen Systemen und Teilsystemen, Komponenten und Teilkomponenten, Teilen, Bauteilen, Stoffen und Transformation dieser Systeme, Teilsysteme, Teilkomponenten und Komponenten, das Umbauen, Ergänzen und Modifizieren von bestehenden Systemen und Teilsystemen, Komponenten und Teilkomponenten und durch das Einbauen von neuen Systemen und Teilsystemen, Komponenten und Teilkomponenten, Bauteilen und Steuerungssystemen und deren Subsystemen.
1 in einer Prinzipdarstellung ist ein möglicher Systemaufbau abgebildet
Bezugszeichenliste

1: Treibstoff-Behältnis-System
2: Tank-Kopf-Einheit
3: Treibstoffleitung
4: Schalt-/Verteiler-Einheit
5: Energiewandler (z. B. 4-Zylinder-Verbrennungsmotor)
6: Energiewandler (z. B. Brennstoffzelle)
7: Getriebeeinheit
8: Elektromotor
9: Getriebeeinheit
10: Steuergerät
11: Elektrische Verbindung

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

DE 102010011579 A1 [0016]
EP 000001923288 A2 [0016]
DE 102010052797 A1 [0016]

Claims

Verfahren, Vorrichtung und Produkt eines Energiewandler-Hybridsystems, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei unterschiedliche auf mindestens physikalischem Wandlungsprozess beruhende Energiewandler mit dem gleichen Treibstoff betreibt.
Verfahren, Vorrichtung und Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es für stationäre und für mobile Anwendungen angewendet werden kann.
Verfahren, Vorrichtung und Produkt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandler zeitgleich und/oder zeitunabhängig voneinander betrieben werden.
Verfahren, Vorrichtung und Produkt nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsform des Energiewandler-Hybridsystems anwendungsspezifisch und situationsgerecht anpassbar ist.
Verfahren, Vorrichtung und Produkt nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren, Vorrichtung und Produkt des Energiewandler-Hybridsystems auch in bereit bestehenden (Markt-)Produkten angewendet werden kann.