DE102016115330A1 - Hydraulic hybrid drive for a motor vehicle and method for operating such a hybrid drive - Google Patents
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- B60K6/08—Prime-movers comprising combustion engines and mechanical or fluid energy storing means
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem hydraulischen Antriebsmotor, sowie mit einem Energiespeicher, in dem ein Betriebsfluid des hydraulischen Antriebsmotors unter einem Betriebsdruck gespeichert werden kann. Es ist vorgesehen, dass an dem Energiespeicher eine Wärmeübertragungseinheit vorgesehen ist, mit welcher der Energiespeicher in einem ersten Betriebszustand des hydraulischen Antriebsmotors beheizt werden kann, um den Gasdruck eines im Energiespeicher bevorrateten Arbeitsgases zu erhöhen und somit die Energiedichte im Energiespeicher zu erhöhen, und in einem zweiten Betriebszustand des hydraulischen Antriebsmotors gekühlt werden kann, um ein Abkühlen des Arbeitsgases vor einem erneuten Einströmen des hydraulischen Arbeitsmediums in den Energiespeicher zu beschleunigen.The invention relates to a hydraulic hybrid drive for a motor vehicle having an internal combustion engine and a hydraulic drive motor, as well as to an energy store in which an operating fluid of the hydraulic drive motor can be stored under an operating pressure. It is envisaged that a heat transfer unit is provided on the energy storage, with which the energy storage can be heated in a first operating state of the hydraulic drive motor to increase the gas pressure of a stored in the energy storage working gas and thus to increase the energy density in the energy storage, and in one second operating state of the hydraulic drive motor can be cooled in order to accelerate cooling of the working gas before re-flow of the hydraulic working medium into the energy storage.
Description
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Hybridantriebs. The invention relates to a hybrid drive for a motor vehicle and a method for operating such a hybrid drive.
Unter einem Hybridantrieb wird im Allgemeinen ein Antriebskonzept verstanden, bei welchen zumindest zwei unterschiedliche Antriebstechniken zum Einsatz kommen. Ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb ist ein Kraftfahrzeug, in dem mindestens zwei unterschiedliche Antriebsmotoren oder Energiewandler vorgesehen sind. Dazu sind in der Regel zwei voneinander getrennte, unabhängige Energiespeicher vorgesehen, welche jeweils einen der Antriebsmotoren oder Energiewandler versorgen. Die einzelnen Antriebsmotoren oder Energiewandler können entweder parallel eingesetzt werden, dann wirken die unterschiedlichen Energiewandler gleichzeitig zum Antrieb des Kraftfahrzeuges oder seriell, dann wirkt nur einer der Antriebsmotoren oder Energiewandler zum Antrieb, während der andere Energiewandler oder Antriebsmotor nur Leistung bereitstellt, welche dann umgewandelt dem direkt zum Antrieb wirkenden Antriebsmotor oder Energiewandler zugeführt wird. Under a hybrid drive is generally understood a drive concept in which at least two different drive techniques are used. A motor vehicle with hybrid drive is a motor vehicle in which at least two different drive motors or energy converters are provided. For this purpose, usually two separate, independent energy storage are provided, each supplying one of the drive motors or energy converters. The individual drive motors or energy converters can either be used in parallel, then the different energy converters act simultaneously to drive the motor vehicle or serially, then only one of the drive motors or energy converter to drive, while the other energy converter or drive motor only provides power, which then converted directly to drive acting drive motor or energy converter is supplied.
Durch den Gesetzgeber ergibt sich eine Forderung, den Kraftstoffverbrauch und somit die Kohlenstoffdioxid-(CO2)-Emissionen von Kraftfahrzeugen zu reduzieren. Dabei werden vornehmlich bei Personenkraftwagen Hybridantriebe verwendet, welche einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor kombinieren. Als Energiespeicher sind dazu ein Kraftstofftank für den Verbrennungsmotor und eine Batterie für den Elektromotor vorgesehen. Legislators are calling for a reduction in fuel consumption and thus the carbon dioxide (CO2) emissions of motor vehicles. In this case, hybrid drives are mainly used in passenger cars, which combine an internal combustion engine and an electric motor. As energy storage, a fuel tank for the internal combustion engine and a battery for the electric motor are provided for this purpose.
Alternativ dazu sind aus dem Stand der Technik Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse und Baumaschinen bekannt, bei denen eine Kombination von einem hydraulischen Antrieb und einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Alternatively, known from the prior art passenger cars, trucks, buses and construction machinery, in which a combination of a hydraulic drive and an internal combustion engine are used.
Aus der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine möglichst effiziente Wärme- und Kälteeinkopplung in den Energiespeicher der Hydraulikmaschine zu ermöglichen, ohne Schäden für die im Energiespeicher verwendeten Fluide herbeizuführen. The invention is based on the object to enable the most efficient heat and cold coupling in the energy storage of the hydraulic machine, without causing damage to the fluids used in the energy storage.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen primären Antrieb und einen sekundären Antrieb, welcher eine Hydraulikmaschine und einen Energiespeicher umfasst, in welchem ein erstes Fluid und ein zweites Fluid bevorratet werden können, gelöst, wobei der Energiespeicher mittels einer Wärmeübertragungseinheit zumindest abschnittsweise beheizbar ist, wobei die Wärmeübertragungseinheit dazu eingerichtet ist, den Energiespeicher in einem ersten Betriebszustand der Hydraulikmaschine zu beheizen und in einem zweiten Betriebszustand der Hydraulikmaschine zu kühlen. Durch die Beheizung des Energiespeichers kann der Druck in dem Energiespeicher über einen durch die Hydraulikmaschine aufgebrachten Druck hinaus gesteigert werden, da sich das erste, gasförmige Fluid durch die Aufheizung weiter ausdehnt und somit den Druck im Hydraulikspeicher vergrößert. In einer Niederdruckphase ist es günstig, den Energiespeicher zu kühlen, um ein Einströmen des zweiten, flüssigen Fluids zu erleichtern und den Gasdruck des ersten Fluids weiter zu senken. The object is achieved by a hybrid drive for a motor vehicle, comprising a primary drive and a secondary drive, which includes a hydraulic machine and an energy storage in which a first fluid and a second fluid can be stored, solved, the energy storage means of a heat transfer unit at least can be heated in sections, wherein the heat transfer unit is adapted to heat the energy storage in a first operating state of the hydraulic machine and to cool in a second operating state of the hydraulic machine. By heating the energy store, the pressure in the energy store can be increased beyond a pressure applied by the hydraulic machine, since the first, gaseous fluid expands further as a result of the heating and thus increases the pressure in the hydraulic store. In a low-pressure phase, it is favorable to cool the energy store in order to facilitate an inflow of the second, liquid fluid and to further reduce the gas pressure of the first fluid.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. By the features listed in the dependent claims, advantageous developments and improvements of the method according to the invention specified in the independent claim are possible.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der primäre Antrieb ein Verbrennungsmotor ist. Auch wenn prinzipiell auch andere Antriebsmotoren, beispielsweise Elektromotoren Abwärme erzeugen, so ist die Kombination einer Hydraulikmaschine mit einem Verbrennungsmotor vorteilhaft, da die Hydraulikmaschine gerade in den Betriebsbereichen ein hohes Antriebsmoment liefert, in denen der Verbrennungsmotor konstruktionsbedingt seine Schwächen hat. Zudem ist durch die Hydraulikmaschine eine Rekuperation von Energie in einem Bremsbetrieb eines Kraftfahrzeuges möglich, sodass die Energieeffizienz eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs gesteigert werden kann, wenn der Primärantrieb ein Verbrennungsmotor und der Sekundärantrieb ein hydraulischer Antriebsmotor ist. In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the primary drive is an internal combustion engine. Although, in principle, other drive motors, such as electric motors generate waste heat, so the combination of a hydraulic machine with an internal combustion engine is advantageous because the hydraulic machine provides a high drive torque especially in the operating areas in which the engine has its weaknesses by design. In addition, a recuperation of energy in a braking operation of a motor vehicle is possible by the hydraulic machine, so that the energy efficiency of a drive train according to the invention can be increased if the prime mover is an internal combustion engine and the secondary drive is a hydraulic drive motor.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Energiespeicher ein Isolationspanel vorgesehen, welches einen ersten Speicherabschnitt des Energiespeichers von einem zweiten Speicherabschnitt des Energiespeichers trennt. Dadurch sind die unterschiedlichen Teilbereiche des Energiespeichers thermisch im Wesentlichen voneinander entkoppelt, sodass ein Teilbereich gezielt beheizt und ein anderen Teilbereich gezielt gekühlt werden kann. Dabei können das Beheizen des einen Teilbereiches und das Kühlen des anderen Teilbereichs des Energiespeichers gleichzeitig erfolgen. Alternativ kann in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Hydraulikmaschine entweder ein Teilbereich geheizt oder ein anderer Teilbereich gekühlt werden. Durch ein Isolationspanel in dem Energiespeicher kann gezielt der Bereich des Energiespeichers, in dem sich das erste, gasförmige Fluid, insbesondere Stickstoff, befindet, beheizt werden, um eine Expansion des ersten Fluids zu unterstützen. Durch das Isolationspanel müssen nicht alle Bereiche des Energiespeichers aufgeheizt werden, wodurch insgesamt weniger Energie zum Beheizen des Hochdruckspeichers benötigt wird. According to a preferred embodiment of the invention, an insulation panel is provided in the energy store, which separates a first storage section of the energy store from a second storage section of the energy store. As a result, the different subareas of the energy store are thermally substantially decoupled from one another, so that one subarea can be specifically heated and another subarea can be specifically cooled. In this case, the heating of one subarea and the cooling of the other subarea of the energy store can take place simultaneously. Alternatively, depending on an operating state of the hydraulic machine, either one partial area can be heated or another partial area can be cooled. By means of an insulation panel in the energy store, the region of the energy store in which the first gaseous fluid, in particular nitrogen, is located, can be heated in a targeted manner in order to support an expansion of the first fluid. Due to the insulation panel, not all areas of the energy storage need to be heated, which in total requires less energy for heating the high-pressure accumulator.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Isolationspanel eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung vorgesehen sind, wobei in der ersten Öffnung ein Fördermittel für eines der Fluide im Energiespeicher vorgesehen ist. Das Fördermittel kann insbesondere als Gas-Umwälzeinrichtung für ein gasförmiges Fluid ausgebildet sein, welches ein Betriebsgas, vorzugsweise Stickstoff, aus dem ersten Teilbereich des Energiespeichers in den zweiten Teilbereich des Energiespeichers fördert. Dies erfolgt bevorzugt, wenn der Energiespeicher im Wesentlichen entladen ist und ein niedriges Druckniveau aufweist. Dadurch kann eine Umwälzung des ersten Fluides im Energiespeicher erfolgen, wobei sich ein Trennmittel, insbesondere ein Kolben oder eine Membran zur Trennung des ersten Fluids und des zweiten Fluids im Energiespeicher, von dem Isolationspanel beabstandet befindet. Durch die Umwälzeinrichtung kann die Kühlung des ersten Fluids im Energiespeicher verbessert werden. In an advantageous further development of the invention, it is provided that a first opening and a second opening are provided in the insulation panel, wherein a conveying means for one of the fluids in the energy store is provided in the first opening. The conveying means may in particular be designed as a gas circulating device for a gaseous fluid, which conveys an operating gas, preferably nitrogen, from the first subregion of the energy store into the second subregion of the energy store. This is preferably done when the energy storage is substantially discharged and has a low pressure level. As a result, a circulation of the first fluid in the energy store can take place, with a separating means, in particular a piston or a membrane for separating the first fluid and the second fluid in the energy store, being located at a distance from the insulation panel. By the circulation device, the cooling of the first fluid can be improved in the energy storage.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass die zweite Öffnung durch ein schaltbares Absperrmittel geöffnet und geschlossen werden kann oder durch ein Rückschlagventil verschlossen ist, welches einen Fluidstrom von dem zweiten Speicherabschnitt in den ersten Speicherabschnitt ermöglich und in entgegengesetzte Richtung unterbindet. Dadurch kann eine gezielte Zirkulation des Betriebsgases im Energiespeicher erreicht werden, wodurch die Kühlung des ersten Fluids nochmals verbessert wird. It is particularly preferred that the second opening can be opened and closed by a switchable shut-off or is closed by a check valve, which allows a flow of fluid from the second storage section into the first storage section and prevents in the opposite direction. This allows a targeted circulation of the operating gas can be achieved in the energy storage, whereby the cooling of the first fluid is further improved.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragungseinheit einen Wärmetauscher umfasst, welcher mit einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei der Wärmetauscher von einem Abgas des Verbrennungsmotors durchströmt werden kann, um den Energiespeicher zu beheizen. Durch einen Wärmetauscher kann die Abwärme des Verbrennungsmotors genutzt werden, um den Energiespeicher der Hydraulikmaschine zu beheizen. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Hybridsystems gesteigert, da die Abwärme des Verbrennungsmotors nicht ungenutzt den Abgastrakt verlässt, sondern über den Wärmetauscher Energie an das erste Fluid im Energiespeicher abgibt, welche in Form eines erhöhten Drucks des ersten Fluids gespeichert werden kann. In a preferred embodiment of the invention it is provided that the heat transfer unit comprises a heat exchanger, which is connected to an exhaust passage of the internal combustion engine, wherein the heat exchanger can be flowed through by an exhaust gas of the internal combustion engine to heat the energy storage. By a heat exchanger, the waste heat of the engine can be used to heat the energy storage of the hydraulic machine. As a result, the efficiency of the hybrid system is increased, since the waste heat of the internal combustion engine does not leave the exhaust tract unused, but outputs energy to the first fluid in the energy store via the heat exchanger, which can be stored in the form of an increased pressure of the first fluid.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragungseinheit einen Wärmetauscher umfasst, welcher mit einem Kühlluftkanal oder einer Kühlmittelleitung eines Kraftfahrzeuges verbunden ist, wobei der Wärmetauscher von der Luft oder dem Kühlmittel durchströmt wird, um den Energiespeicher zu kühlen. Durch den Anschluss eines Wärmetauschers an einen Kühlluftkanal oder eine Kühlmittelleitung kann die Effizienz der Kühlung weiter verbessert werden, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des hydraulischen Hybridantriebs nochmals verbessert. In a further, preferred embodiment of the invention it is provided that the heat transfer unit comprises a heat exchanger which is connected to a cooling air duct or a coolant line of a motor vehicle, wherein the heat exchanger is flowed through by the air or the coolant in order to cool the energy storage. By connecting a heat exchanger to a cooling air duct or a coolant line, the efficiency of the cooling can be further improved, thereby further improving the overall efficiency of the hydraulic hybrid drive.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Kühlung des Energiespeichers und zum Beheizen des Energiespeichers derselbe Wärmetauscher verwendet wird, wobei zwischen dem Abgaskanal und dem Kühlluftkanal ein Steuerelement vorgesehen ist, mit welchem zwischen einem Abgasstrom und einem Kühlluftstrom durch den Wärmetauscher umgeschaltet werden kann. Dadurch kann eine kompakte und kostengünstige Bauweise des Hybridantriebs erreicht werden, da nur ein Wärmetauscher notwendig ist, welcher bedarfsgerecht entweder zum Kühlen oder zum Heizen des Energiespeichers genutzt werden kann. According to an advantageous further development of the invention, it is provided that the same heat exchanger is used for cooling the energy store and for heating the energy store, wherein between the exhaust passage and the cooling air passage, a control is provided with which can be switched between an exhaust gas flow and a cooling air flow through the heat exchanger , This allows a compact and cost-effective design of the hybrid drive can be achieved, since only one heat exchanger is necessary, which can be used as needed either for cooling or for heating the energy storage.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragungseinheit zwei separate Wärmetauscher aufweist, welche an dem Energiespeicher angeordnet sind, wobei ein erster Wärmetauscher zum Heizen und ein zweiter Wärmetauscher zum Kühlen des Energiespeichers an unterschiedlichen Bereichen des Energiespeichers angeordnet sind. Alternativ ist es möglich, dass zwei separate Wärmetauscher vorgesehen sind, von denen einer vorzugsweise von einem Abgas des Verbrennungsmotors durchströmt werden kann und der andere von einem Kühlmittel, insbesondere von Luft, durchströmt wird. Dabei können die beiden Wärmetauscher vorzugsweise unabhängig voneinander thermisch an den Energiespeicher angekoppelt oder getrennt werden, um ein bestmögliches Beheizen und/oder Kühlen des Energiespeichers zu ermöglichen. According to an alternative embodiment of the invention, it is provided that the heat transfer unit has two separate heat exchangers, which are arranged on the energy store, wherein a first heat exchanger for heating and a second heat exchanger for cooling the energy storage are arranged at different areas of the energy store. Alternatively, it is possible that two separate heat exchangers are provided, one of which can preferably be traversed by an exhaust gas of the internal combustion engine and the other of a coolant, in particular of air, flows through. In this case, the two heat exchangers can preferably be thermally coupled or disconnected independently of one another to the energy store, in order to allow the best possible heating and / or cooling of the energy store.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einem Hybridantrieb mit einem primären Antrieb und einem sekundären Antrieb, welche eine Hydraulikmaschine und einen Energiespeicher umfasst, in welchem ein erstes Fluid und ein zweites Fluid bevorratet werden, wobei der Energiespeicher mittels einer Wärmeübertragungseinheit in einem ersten Betriebszustand der Hydraulikmaschine zumindest bereichsweise beheizt und in einem zweiten Betriebszustand zumindest bereichsweise gekühlt wird, wobei der Energiespeicher in dem ersten Betriebszustand ein höheres Druckniveau als in dem zweiten Betriebszustand der Hydraulikmaschine aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Beheizung des Energiespeichers dann eingeschaltet oder eingekoppelt wird, wenn das erste Fluid im Energiespeicher durch die mechanische Verdichtung durch das durch die Hydraulikmaschine in den Energiespeicher geförderte zweite Medium seinen Enddruck erreicht hat. Dabei kann der Bereich des Energiespeichers während des Einströmens des zweiten Fluids gekühlt werden, damit eine möglichst optimale Füllung des Energiespeichers erreicht wird. The invention further relates to a method for operating a motor vehicle with a hybrid drive with a primary drive and a secondary drive, which comprises a hydraulic machine and an energy storage in which a first fluid and a second fluid are stored, wherein the energy storage means of a heat transfer unit in a first operating state of the hydraulic machine is at least partially heated and cooled in a second operating state at least partially, wherein the energy storage in the first operating state has a higher pressure level than in the second operating state of the hydraulic machine. It is provided that the heating of the energy storage is then switched on or coupled when the first fluid has reached its final pressure in the energy storage by the mechanical compression by the pumped by the hydraulic machine in the energy storage medium second. In this case, the region of the energy store can be cooled during the inflow of the second fluid, so that the best possible filling of the energy store is achieved.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
In
Der Energiespeicher
In einer zweiten Betriebsphase der Hydraulikmaschine
In
In einer Heizphase des Energiespeichers
In einer Kühlphase ist die Abgasklappe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Hybridantrieb hybrid drive
- 12 12
- primärer Antrieb primary drive
- 14 14
- sekundärer Antrieb secondary drive
- 16 16
- Hydraulikmaschine hydraulic machine
- 18 18
- Energiespeicher energy storage
- 20 20
- Wärmeübertragungseinheit Heat transfer unit
- 22 22
- erstes Fluid first fluid
- 24 24
- zweites Fluid second fluid
- 26 26
- Isolationspanel insulation panel
- 28 28
- erster Speicherabschnitt first storage section
- 30 30
- Verbrennungsmotor internal combustion engine
- 32 32
- zweiter Speicherabschnitt second memory section
- 34 34
- erste Öffnung first opening
- 36 36
- zweite Öffnung second opening
- 38 38
- Fördermittel funding
- 40 40
- Absperrmittel shutoff
- 42 42
- Wärmetauscher heat exchangers
- 44 44
- Abgaskanal exhaust duct
- 46 46
- Wärmetauscher heat exchangers
- 48 48
- Kühlluftkanal Cooling air duct
- 50 50
- Kühlmittelleitung Coolant line
- 52 52
- Steuerelement control
- 54 54
- Abgasklappe exhaust flap
- 56 56
- Ausgleichsbehälter surge tank
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2009/0205892 A1 [0005] US 2009/0205892 A1 [0005]
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DE102016115330.3A Withdrawn DE102016115330A1 (en) | 2016-08-18 | 2016-08-18 | Hydraulic hybrid drive for a motor vehicle and method for operating such a hybrid drive |
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