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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug.
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Zur Erzeugung elektrischer Leistung ist in einem Fahrzeug üblicherweise ein Generator verbaut, welcher im Betrieb bedarfsweise elektrische Leistung erzeugt. Bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ist der Generator beispielsweise eine Lichtmaschine, welche an den Verbrennungsmotor über einen Riementrieb gekoppelt ist und entsprechend vom Verbrennungsmotor angetrieben wird. Auch in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug kommen Generatoren regelmäßig zum Einsatz, um z.B. elektrische Verbraucher mit Energie zu versorgen. Zusätzlich ist es möglich, den Generator auch zum Laden eines Hochvoltspeichers zu verwenden, in welchem Energie zum Antrieb des Fahrzeugs mittels eines Elektromotors gespeichert ist. Ein Generator kann auch im Rahmen eines Rekuperationsbetriebs des Fahrzeugs eingesetzt werden, um beispielsweise bei einem Bremsvorgang des Fahrzeugs kinetische Energie zurückzugewinnen.
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Die elektrische Leistung, insbesondere der Strom, welcher von einem Generator erzeugt wird, hängt prinzipbedingt von der Temperatur des Generators ab. Ein wärmerer Generator weist einen höheren Wicklungswiderstand und somit höhere Verluste auf und generiert entsprechend weniger Leistung, weist also einen geringeren Wirkungsgrad auf.
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Zur Temperierung des Fahrgastraums des Fahrzeugs, weist selbiges typischerweise eine Klimaanlage auf, mit einem Kältekreis und mit einem Kühlkreis. Dabei dient der Kältekreis üblicherweise dem Wärmeaustausch mit der Umgebung des Fahrzeugs, d.h. mit der Außenluft.
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In der
DE 10 2011 075 284 A1 wird ein Verfahren zur Konditionierung eines Fahrgastraums eines Fahrzeugs beschrieben, wobei kinetische Energie, welche beim Bremsen oder beim Beschleunigen des Fahrzeugs erzeugt wird, zur Konditionierung eines Wärme-/Kältespeichers verwendet wird. Dieser besteht beispielsweise aus einem Phasenwechselmaterial und ist gemäß einer Ausführungsform in den Kältekreis des Fahrzeugs integriert.
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In der
DE 10 2006 038 675 A1 wird ein Verfahren zum Energiemanagement für ein Kraftfahrzeug beschrieben, welches über Mittel zur Prädiktion bestimmter Fahrsituationen und einem damit zusammenhängenden Energiebedarf verfügt. Um auf den in einer gegebenen Fahrsituation erforderlichen Energiebedarf zu schließen, werden den Fahrsituationen Verbraucher zugeordnet, welche in diesen Fahrsituationen aktiviert sind. Im Falle einer Prädiktion einer Fahrsituation, welcher ein bestimmter Verbraucher zugeordnet ist, wird dann die Leistung eines geregelten Stromgenerators des Kraftfahrzeugs derart erhöht, dass der Energiebedarf in der entsprechenden Fahrsituation bei deren Eintreten gedeckt werden kann. Dadurch werden Verzögerungszeiten wirkungsvoll kompensiert.
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In der
DE 10 2011 088 988 A1 wird ein Verfahren zur Steuerung der Energieabgabe zumindest zweier elektrischer Energiewandler, nämlich eines konventionellen und eines thermoelektrischen Generators, in einem Kraftfahrzeug beschrieben, wobei Umgebungsinformationen des Kraftfahrzeugs erfasst werden und die Energieabgabe der beiden Energiewandler in Abhängigkeit von diesen Umgebungsinformationen gesteuert wird. Die Steuerung der Energieabgabe wird in einer Ausführungsform im Vorfeld geplant.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein möglichst effizientes Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs anzugeben. Dabei soll insbesondere ein Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung möglichst effizient betrieben werden. Weiterhin soll auch ein entsprechendes Fahrzeug angegeben werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für das Fahrzeug und umgekehrt.
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Das Verfahren dient zum Betrieb eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor oder eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Zum Antrieb weist das Fahrzeug einen Antriebsstrang auf, welcher einen Motor aufweist sowie eine geeignete Mechanik, welche den Motor mit Rädern des Fahrzeugs verbindet. Weiterhin weist das Fahrzeug einen Generator auf, zur Erzeugung einer elektrischen Leistung. Diese wird insbesondere zum Betrieb eines Bordnetzes mit elektrischen Verbrauchern verwendet, beispielsweise zur Beleuchtung, oder zum Laden einer Batterie. Außerdem weist das Fahrzeug einen Kältekreis mit einem Verdichter auf, zur Erzeugung einer Kühlleistung. Die Kühlleistung wird insbesondere zur Kühlung zumindest einer Komponente des Fahrzeugs verwendet, beispielsweise des Fahrgastraums. Hierzu ist der Kältekreis zweckmäßigerweise mit einer Klimaanlage verbunden, welche zur Temperierung des Fahrgastraums dient.
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Das Fahrzeug weist zudem eine Steuereinheit auf, welche das Fahrzeug in einen Rekuperationsbetrieb schaltet, in welchem aus dem Antriebsstrang eine Rekuperationsleistung gewonnen wird. Diese Rekuperationsleistung ist nicht notwendigerweise eine elektrische Leistung, sondern vorzugsweise eine mechanische oder kinetische Leistung, welche im Antriebsstrang zur Verfügung steht und nicht zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird oder welche dem Antriebsstrang entnommen werden soll, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu reduzieren. Das Schalten, auch als Umschalten bezeichnet, erfolgt insbesondere aus einem Normalbetrieb des Fahrzeugs heraus, wobei im Normalbetrieb keine Leistung rekuperiert wird. Der Normalbetrieb und der Rekuperationsbetrieb sind jeweils insbesondere Fahrbetriebe, in welchen das Fahrzeug fährt oder zumindest rollt, d.h. allgemein bewegt wird.
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Vorzugsweise wird die Rekuperationsleistung beim Bremsen und allgemein bei einer Verlangsamung des Fahrzeugs gewonnen. Dabei soll das Fahrzeug abgebremst werden und dem Antriebsstrang wird dann als Rekuperationsleistung solche kinetische Leistung entnommen, welche ansonsten als überschüssige Antriebsleistung über eine Bremsvorrichtung, z.B. Bremsscheiben vernichtet werden müsste. Die Rekuperationsleistung stellt also insgesamt einen Teil der momentan vorhandenen Antriebsleistung dar, welche nicht zum Antrieb genutzt werden soll und welche darüber hinaus insbesondere aus dem Antriebsstrang abgeführt werden soll und daher vorteilhaft einer anderen Verwendung zugeführt werden kann.
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Die Kühlleistung wird erzeugt, indem der Verdichter mit der Rekuperationsleistung angetrieben wird, insbesondere im Rekuperationsbetrieb. Anstatt also mit dem Motor eine zusätzliche Antriebsleistung für den Verdichter bereitzustellen, wird zum Antrieb des Verdichters im Rekuperationsbetrieb ergänzend hierzu oder ausschließlich die Rekuperationsleistung verwendet, welche aus dem Antriebsstrang gewonnen wird. Dabei wird die Rekuperationsleistung zweckmäßigerweise vorrangig verwendet und erst bei einem entsprechend hohen Kühlbedarf der Motor gegebenenfalls unterstützend hinzugeschaltet. Der Verdichter braucht damit nicht mit zusätzlichem Energieaufwand angetrieben zu werden, sondern wird vielmehr mit solcher Energie angetrieben, welche im Antriebsstrang zwar vorhanden ist, aber nicht zum Antrieb benötigt wird. Durch die Rekuperation der überschüssigen Antriebsleistung und deren anderweitige Verwendung zum Antrieb des Verdichters ist die Effizienz des Fahrzeugs deutlich verbessert.
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Im Rekuperationsbetrieb wird der Generator als Kältespeicher verwendet und mittels der Kühlleistung gekühlt. Die aus dem Antriebsstrang rekuperierte kinetische Leistung wird somit im Generator als Kühlleistung gespeichert der Generator wirkt somit als thermischer Speicher. Mit anderen Worten: mittels der rekuperierten kinetischen Energie wird dem Generator Wärme entzogen.
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Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht insbesondere darin, dass aufgrund der Verwendung des Generators als thermischer Speicher kein zusätzliches Bauteil als ein solcher thermischer Speicher benötigt wird. Eine zusätzliche thermische Reserve zur Kühlung des Generators wird nicht benötigt. Vielmehr stellt der Generator selbst eine thermische Masse und somit eine thermische Reserve dar. Der Generator als Kältespeicher dient vorteilhaft als Speicher für Energie, welche im Rekuperationsbetrieb aus dem Antriebsstrang gewonnen, insbesondere zurückgewonnen wird. Mit anderen Worten: die Rekuperationsleistung wird mittels des Verdichters in eine Kühlleistung umgewandelt und im Generator gespeichert. Anstatt mechanische Leistung im Antriebsstrang zu vernichten, wird diese mechanische Leistung stattdessen im Rekuperationsbetrieb zum Antrieb des Verdichters verwendet und die dabei erzeugte Kühlleistung im Generator gespeichert. Dem liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass der Generator aufgrund dessen Bauweise besonders geeignet zur Verwendung als thermische Masse ist. Üblicherweise besteht ein Generator nämlich zu großen Teilen aus Eisen und Kupfer und weist beispielsweise ein Gewicht im Bereich von 5 bis 10 kg auf. Die im Generator gespeicherte Kühlleistung wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung zur Kühlung einer anderen Komponente des Fahrzeugs verwendet.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht allerdings insbesondere darin, dass durch die Verwendung des Generators als Kältespeicher ebenjener Generator auf vorteilhafte Weise gekühlt wird und damit dessen Wirkungsgrad deutlich verbessert ist. Der Generator, welcher im Rekuperationsbetrieb gekühlt wird oder wurde, erzeugt dann in einem Lastbetrieb zur Erzeugung elektrischer Leistung ebenjene elektrische Leistung mit einem entsprechend verbesserten Wirkungsgrad. Falls ein Teil der Rekuperationsleistung im Rekuperationsbetrieb auch zum Antrieb des Generators zwecks Erzeugung elektrischer Leistung verwendet wird, wird die hierbei aufgewendete rekuperierte Energie entsprechend effizienter genutzt.
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Zum Betrieb des Generators und zur Erzeugung der elektrischen Leistung wird dem Generator insbesondere eine Spannung vorgegeben, sodass der Generator dann einen bestimmten Strom erzeugt und hierzu ein entsprechendes Drehmoment aufnimmt. Im Normalbetrieb wird dem Generator beispielsweise eine Spannung von 13,1 V vorgegeben, zur Versorgung des Bordnetzes des Fahrzeugs, zum Laden einer Batterie dagegen beispielsweise eine Spannung von 14,6 V. Bei einer Temperatur von etwa 25 °C erzeugt der Generator beispielsweise einen Strom von etwa bis zu 230 A.
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Grundsätzlich benötigt der Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung ein Drehmoment, welches dem Antriebsstrang entnommen wird. Falls zum Antrieb des Fahrzeugs ein höheres Drehmoment benötigt wird, wird der Generator zweckmäßigerweise deaktiviert oder bei einer geringeren Spannung betrieben. Insofern erfolgt vorzugsweise eine situations- oder bedarfsabhängige Verteilung des Drehmoments im Antriebsstrang auf den Antrieb des Fahrzeugs sowie auf den Generator.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Kühlung des Generators ist dessen Betriebstemperatur vorteilhaft verringert sowie dessen Wirkungsgrad verbessert, sodass zur Erzeugung elektrischer Leistung vorteilhaft insgesamt weniger Drehmoment benötigt wird, d.h. weniger Energie aufgewendet werden muss. Dadurch ist das Fahrzeug insgesamt effizienter. Insbesondere weist das Fahrzeug einen verringerten Kraftstoffbedarf auf, da der Generator weniger Leistung zum Antrieb benötigt. Eine Anhebung der Drehzahl des Motors zur Erhöhung des Drehmoments im Antriebsstrang zwecks Antrieb des Generators wird seltener oder gar nicht benötigt. Der effizientere Betrieb des Generators verringert zudem vorteilhaft die Gefahr eines möglichen Strommangels und eines damit einhergehenden Ausfalls von kundenwerten Funktionen des Fahrzeugs. Besonders in der Rekuperationsphase zeichnet sich das Fahrzeug durch ein verbessertes dynamisches Verhalten hinsichtlich der Erzeugung elektrische Energie aus, wodurch sich insbesondere eine Komforterhöhung ergibt, da kundenwerte Funktionen, welche elektrische Leistung benötigen, flexibler mit einer entsprechenden elektrischen Leistung versorgt werden. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass der Generator kühler ist als üblich und damit unbeachtlich des verbesserten Wirkungsgrads auch sozusagen eine thermische Reserve aufweist, welche einen Betrieb mit einer höheren Leistung und/oder über einen längeren Zeitraum ermöglicht.
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Das im Antriebsstrang vorhandene Drehmoment, d.h. im Rekuperationsbetrieb die vorhandene Rekuperationsleistung, muss nicht notwendigerweise vollständig zum Antrieb des Verdichters und zur Kühlung des Generators verwendet werden. Vielmehr wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Rekuperationsleistung auf den Verdichter und den Generator verteilt, indem die Rekuperationsleistung in Abhängigkeit eines Bedarfs an Kühlleistung und eines Bedarfs an elektrischer Leistung teilweise zum Antrieb des Verdichters und teilweise zum Antrieb des Generators verwendet wird. Mit anderen Worten: es wird eine Abwägung vorgenommen, zwischen einem Bedarf an elektrischer Leistung und einem Bedarf an Kühlleistung. Wird etwa eine bestimmte elektrische Leistung benötigt, z.B. zur Beleuchtung oder zum Laden einer Batterie, so wird zweckmäßigerweise ein Teil der Rekuperationsleistung zum Antrieb des Generators verwendet, um die benötigte elektrische Leistung zu generieren, und mit dem übrigen Teil der Rekuperationsleistung wird der Verdichter angetrieben, um diesen übrigen Teil in Kühlleistung umzusetzen und möglichst gewinnbringend zu verwerten.
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Der Kältekreis dient insbesondere auch zur Kühlung des Fahrgastraums. Die erzeugte Kühlleistung wird dann in einer geeigneten Ausgestaltung vollständig oder teilweise zur Kühlung des Fahrgastraums verwendet. Bei nicht vorhandenem Bedarf oder bei einem lediglich teilweisen Bedarf an Kühlleistung wird diese bzw. deren überschüssiger Teil vorteilhafterweise zur Kühlung des Generators verwendet und somit dessen Wirkungsgrad verbessert. Alternativ oder zusätzlich wird die Kühlleistung im Generator als Kältespeicher zweckmäßigerweise zur späteren Verwendung gespeichert.
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Insgesamt erfolgt die Verteilung der Rekuperationsleistung vorzugsweise situationsabhängig unter Berücksichtigung des Bedarfs an elektrischer Energie und des Bedarfs an Kühlleistung. Ein eventuell nicht sofort benötigter Teil an Rekuperationsleistung wird dann vorteilhaft zur Kühlung des Generators genutzt, um einerseits dessen Effizienz zu verbessern und/oder andererseits später zur Kühlung einer anderen Komponente verwendet zu werden.
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In einer weiteren geeigneten Ausgestaltung wird die Rekuperationsleistung in Abhängigkeit eines aktuell vorliegenden Bedarfs an Kühlleistung und/oder in Abhängigkeit eines aktuell vorliegenden Bedarfs an elektrischer Leistung auf den Generator und den Verdichter verteilt, d.h. es erfolgt eine situative Verteilung des Drehmoments im Antriebsstrang. Unter „situativ“ wird verstanden, dass die Verteilung zu einem gegebenen Zeitpunkt abhängig vom Bedarf an elektrischer Leistung und/oder Kühlleistung zu ebenjenem Zeitpunkt erfolgt. Maßgeblich für die Aufteilung ist somit der aktuelle Bedarf an elektrischer Leistung und/oder an Kühlleistung.
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Der Aufteilung liegen insbesondere bestimmte Verteil- oder Aufteilungsregeln zugrunde, welche durch die Steuereinheit umgesetzt werden. Dabei sind verschiedene Ansätze denkbar und geeignet. Beispielsweise werden kundenwerte Funktionen, wie z.B. eine Kühlung des Fahrgastraums priorisiert. Alternativ wird ein möglichst effizienter Betrieb, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoff- und Energieverbrauchs des Fahrzeugs angestrebt und vorrangig elektrische Leistung erzeugt.
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Alternativ oder zusätzlich zur situativen Verteilung erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eine prädiktive, d.h. vorausschauende Verteilung der Rekuperationsleistung. Vorzugsweise wird hierbei die Rekuperationsleistung in Abhängigkeit eines vorhergesagten, d.h. prädizierten Bedarfs an Kühlleistung und/oder in Abhängigkeit eines vorhergesagten Bedarfs an elektrischer Leistung auf den Verdichter und den Generator verteilt. Demnach werden die verschiedenen Bedarfe zunächst ermittelt und einer geeigneten Verteilungsregel für die Verteilung der Rekuperationsleistung, welche im Rekuperationsbetrieb gewonnen wird, zugrunde gelegt.
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Grundsätzlich stehen der Generator und der Verdichter und insbesondere auch der Antrieb miteinander in Konkurrenz bezüglich der Verteilung von Drehmoment, d.h. Antriebsleistung, welche eine kinetische Leistung ist. Die Verteilungsregel legt nunmehr vorteilhafterweise eine prädizierte, d.h. vorausgesagte Situation des Fahrzeugs als Ausgangspunkt für eine Entscheidung zur Ansteuerung des Verdichters und des Generators und gegebenenfalls insbesondere auch des Antriebs zugrunde. Dadurch wird solche Leistung, welche zu einem gegebenen Zeitpunkt vorhanden ist, d.h. im Rekuperationsbetrieb insbesondere die Rekuperationsleistung, unter Berücksichtigung der vorhergesagten Situation optimal verteilt. Vor Allem im Rekuperationsbetrieb wird durch eine entsprechende Prädiktion und eine geeignete Verteilungsregel eine optimale Ausnutzung der Rekuperationsleistung erzielt, welche prinzipbedingt nur zu bestimmten Zeitpunkten erzeugt wird. Durch die Kombination mit der Kühlung des Generators ist insgesamt eine besonders vorteilhafte rekuperative, prädiktive Generatorkühlung realisiert, mittels welcher die Rekuperationsleistung insbesondere zeitlich verteilt wird, indem diese als Kühlleistung im Generator gespeichert wird. Ein besonderer synergetischer Effekt ist hierbei eine Verbesserung des Wirkungsgrads des Generators, welche durch die Kühlung erzielt wird.
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Zur prädiktiven Verteilung wird insbesondere eine Anzahl von Umgebungsparametern erfasst, um eine Vorhersage zum zukünftigen Bedarf an elektrischer Leistung und/oder zum Bedarf an Kühlleistung zu treffen. Hierzu wird beispielsweise das Fahrverhalten des Fahrers berücksichtigt, der Streckenverlauf oder das Höhenprofil, welcher bzw. welches insbesondere bei Verwendung eines Navigationssystems vorbekannt ist oder mittels einer Kamera bestimmt wird, oder mögliche Ampeln, Verkehrszeichen oder Geschwindigkeitszonen, welche z.B. aus hinterlegtem Kartenmaterial bekannt sind. Insgesamt wird dann zu einem gegebenen Zeitpunkt aus den Umgebungsparametern der bezüglich dieses Zeitpunkts zukünftige Bedarf an elektrischer Leistung und/oder an Kühlleistung ermittelt und dann bereits zu dem gegebenen Zeitpunkt die Rekuperationsleistung optimal aufgeteilt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Anzahl von Umgebungsparametern erfasst und mittels dieser eine zukünftige Rekuperationsphase vorhergesagt, während welcher das Fahrzeug voraussichtlich im Rekuperationsbetrieb betrieben wird, und der Generator wird abhängig von der zukünftigen Rekuperationsphase in einem Lastbetrieb, insbesondere Überlastbetrieb betrieben. Unter „abhängig“ wird in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden, dass der Generator im Lastbetrieb betrieben wird, wenn eine zukünftige Rekuperationsphase vorliegt, d.h. erwartet wird. Der Lastbetrieb und insbesondere eine Überlastung werden jedoch vermieden, falls keine Rekuperationsphase erwartet wird.
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Unter „zukünftig“ wird allgemein insbesondere ein Zeitraum von mehr als 0 und bis zu 30 min verstanden. In einer Variante ist der Zeitraum jedoch länger. Beispielsweise wird während der gesamten Fahrt des Fahrzeugs, welche auch mehrere Stunden dauern kann, eine Prädiktion durchgeführt. Insbesondere zu Beginn einer entsprechend langen Fahrt ergeben bei einem vorbekannten Streckenverlauf auch entsprechend lange Zeiträume für die Prädiktion. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Beschränkung des Zeitraums der Prädiktion in Abhängigkeit der thermischen Eigenschaften der beteiligten Komponenten, insbesondere des Generators. Da im Verlauf der Zeit ein Wärmeaustausch mit der Umgebung erfolgt und das Gesamtsystem prinzipbedingt zu einem thermischen Gleichgewicht strebt, ist es sinnvoll, den Zeitraum in Abhängigkeit einer Zeitkonstante zu wählen, welche insbesondere den Kühlleistungsverlust aufgrund einer Dissipation in die Umgebung berücksichtigt.
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Die Rekuperationsphase ist ein Zeitabschnitt, in welchem ein Rekuperationsbetrieb möglich ist. Die Länge einer Rekuperationsphase liegt typischerweise im Bereich zwischen wenigen Sekunden bis zu wenigen Minuten. Ein Zeitbereich in dieser Größenordnung ist auch für den Zeitraum der Prädiktion besonders sinnvoll. Dieser wird bei Erreichen des zukünftigen Zeitpunkts zweckmäßigerweise auch eingeschaltet, sofern sich die Vorhersage nicht als falsch erweist.
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Ein Kerngedanke der oben beschriebenen Ausgestaltung besteht insbesondere darin, durch die Vorhersage einer Rekuperationsphase eine temporäre Belastung, insbesondere Überbelastung des Generators und eine damit einhergehende Erzeugung von Verlustwärme zuzulassen, da eine spätere Kühlung möglich ist und dann zweckmäßigerweise auch erfolgt. Der Generator wird also zunächst in Erwartung einer zukünftigen Kühlmöglichkeit angetrieben und insbesondere überlastet und dann nachträglich gekühlt. Dadurch ist besonders bei einer temporären Überlastung des Generators eine deutliche Steigerung der Erzeugung elektrischer Leistung möglich. Die nachträgliche Kühlung ermöglicht zudem vorteilhaft einen Verzicht auf eine Kühlung durch zusätzliche Antriebsleistung, welche vom Motor erzeugt werden müsste.
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Im Überlastbetrieb erzeugt der Generator eine elektrische Leistung, welche oberhalb einer Nennleistung im Lastbetrieb, d.h. im normalen Lastbetrieb liegt. Im Gegensatz zum Lastbetrieb führt der Überlastbetrieb regelmäßig zu thermischen Verlusten, welche bei fortdauerndem Überlastbetrieb insbesondere zu einer Degradierung des Wirkungsgrads und einer Verringerung der elektrischen Leistung führen, falls keine zusätzliche Kühlung erfolgt. Im normalen Lastbetrieb ist dagegen insbesondere keine zusätzliche Kühlung mittels des Kältekreises notwendig, um eine konstante elektrische Leistung zu erzeugen. Ein Fahrzeug, z.B. der Mittelklasse, weist typischerweise einen Stromverbrauch von etwa 60 bis 100A auf. Werden jedoch besonders viele Komponenten eingeschaltet, z.B. ein Kühlerlüfter, ein Komfortverbraucher im Bordnetz und ein Fahrdynamiksystem, so steigt der Strombedarf zeitweise bis auf z.B. 300A an. Ein solcher Strombedarf, d.h. insbesondere ein Strombedarf, welcher wenigstens einen Faktor 2 über einem typischen oder normalen Strombedarf liegt, stellt dann eine Überlast dar. Beim Überlastbestrieb besteht herkömmlicherweise die Gefahr einer Überhitzung und unter Umständen einer Beschädigung des Generators. Zur Bedienung einer solchen Überlast ist es daher grundsätzlich möglich, eine sogenannte Pufferleistung mittels einer Batterie des Fahrzeugs bereitzustellen und den Generator dadurch zu entlasten, sodass dieser nicht mit Überlast betrieben werden muss. Dadurch sinkt allerdings die Bordnetzspannung unter Umständen unter die Entladespannung der Batterie, welche in teilgeladenem Ladezustand z.B. unter 12,5 V liegt. Mit anderen Worten: im Überlastbetrieb kann der Generator die verlangte Leistung und den verlangten Strom herkömmlicherweise nicht mehr bereitstellen. Vorliegend wird jedoch der Generator gekühlt und damit vorteilhaft ein zusätzlicher Leistungspuffer geschaffen, sodass der Generator auch eine Überlast gefahrlos bedienen kann und insbesondere die Batterie keine zusätzlich Pufferleistung zur Verfügung zu stellen braucht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Anzahl von Umgebungsparametern erfasst und mittels dieser eine zukünftige Lastphase vorhergesagt, während welcher der Generator voraussichtlich in einem Lastbetrieb, insbesondere Überlastbetrieb betrieben wird, und der Generator wird abhängig von der zukünftigen Lastphase vortemperiert. Unter „abhängig“ wird in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden, dass der Generator vortemperiert wird, wenn eine zukünftige Lastphase oder Überlastphase vorliegt, d.h. erwartet wird. Dadurch wird die zu einem gegebenen Zeitpunkt zur Verfügung stehende Rekuperationsleistung vorteilhaft zur Kühlung während einer zukünftigen und insbesondere verstärkten Erwärmung des Generators genutzt, um dessen Wirkungsgrad zu verbessern. Besonders falls die Rekuperationsleistung oder ein Teil hiervon momentan nicht benötigt wird, wird stattdessen der Generator vorkonditioniert. Das Kühlen, d.h. hier die Vorkonditionierung des Generators erfolgt insbesondere in einer Rekuperationsphase.
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Bei der genannten Vorkonditionierung wird demnach der Generator vorgekühlt und kann dann später effizienter oder sogar bei Überlast betrieben werden, bei der weiter oben genannten nachträglichen Kühlung, wird der Generator dagegen vor dem Kühlen bereits belastet. In beiden Fällen sind die Wärmeerzeugung des Generators beim Erzeugen elektrischer Energie und die Kühlung des Generators zeitlich voneinander getrennt. Dies wird insbesondere durch die Verwendung des Generators als thermischer Speicher unter Ausnutzung der thermischen Masse des Generators ermöglicht. In beiden Fällen wird also insbesondere eine prädiktive Betriebsstrategie angewendet, um eine optimale Leistungsverteilung zu erzielen.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Kühlleistung auf den Generator und eine weitere Komponente des Fahrzeugs, insbesondere einen Fahrgastraum, aufgeteilt, wobei die weitere Komponente vorrangig gekühlt wird und der Generator lediglich mit einer überschüssigen Kühlleistung gekühlt wird. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise zunächst der Komfort im Fahrgastraum sichergestellt, bevor der Generator gekühlt wird. In dieser Ausgestaltung wird demnach im Rekuperationsbetrieb die Kühlung des Fahrgastraums gegenüber einer Generatorkühlung priorisiert, um einen möglichst hohen Komfort für die Insassen des Fahrzeugs zu gewährleisten. Insbesondere wird auch eine besonders schnelle Kühlung der weiteren Komponente realisiert. Ist die gewonnene Kühlleistung größer als diejenige Kühlleistung, welcher zur Kühlung des Fahrgastraums benötigt wird, so wird die Differenz, d.h. die überschüssige Kühlleistung zur Generatorkühlung genutzt. Falls kein Bedarf an Kühlleistung für den Fahrgastraum besteht, wird zweckmäßigerweise die gesamte Rekuperationsleistung in Kühlleistung für den Generator umgesetzt. Alternativ wird ein Teil der Rekuperationsleistung direkt zum Antrieb des Generators und zur Erzeugung elektrischer Leistung verwendet.
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Im Gegensatz zur oben beschriebenen Priorisierung der weiteren Komponente, ist es in bestimmten Situationen sinnvoller, die Generatorkühlung zu priorisieren und gegebenenfalls einen Komfortverlust hinzunehmen, welcher sich aus einer unzureichenden Kühlung der weiteren Komponente ergibt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Generator im Überlastbetrieb betrieben wird oder wenn allgemein ein hoher Bedarf an elektrischer Leistung bedient werden soll. In diesen Fällen ist eine Degradation des Wirkungsgrads des Generators zu befürchten. Daher wird dieser in einer zweckmäßigen Ausgestaltung im Rekuperationsbetrieb vorrangig vor der weiteren Komponente gekühlt, falls der Generator insbesondere momentan in einem Überlastbetrieb betrieben wird. Ansonsten wird die weitere Komponente vorrangig gekühlt, wie oben beschrieben. Die Priorisierung der Generatorkühlung zu Lasten der Kühlung der weiteren Komponente oder mehrerer weiterer Komponenten stellt somit insbesondere eine Ausnahmesituation dar.
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Wie bereits oben angedeutet, stellt der Antriebsstrang ein bestimmtes Drehmoment bereit, welches sich insbesondere aus der Antriebsleistung des Motors ergibt und/oder welches z.B. beim Rollen bergab über Räder des Fahrzeugs in den Antriebsstrang eingebracht wird. Im Rekuperationsbetrieb soll insbesondere Antriebsleistung vernichtet werden, um eine Bremswirkung zu erzielen. Die daraus gewonnene Rekuperationsleistung wird dann bevorzugterweise verteilt, indem das entsprechende Drehmoment mittels einer Drehmomentverteilvorrichtung auf den Generator und den Verdichter aufgeteilt wird. Der Generator und der Verdichter und insbesondere auch der Motor sind somit mittels der Drehmomentverteilvorrichtung mechanisch miteinander gekoppelt, zur Verteilung des Drehmoments und somit zur Aufteilung der Rekuperationsleistung im Rekuperationsbetrieb. Die Drehmomentverteilvorrichtung ist beispielsweise ein Riemengetriebe oder ein Schubkettengliedergetriebe.
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Vorzugsweise ist die Drehmomentverteilvorrichtung variabel, d.h. der Generator und/oder der Verdichter sind bzw. ist mit einer variablen Drehzahl betreibbar. Durch geeignetes Einstellen der jeweiligen Drehzahl lässt sich das Drehmoment besonders optimal verteilen. Zweckmäßigerweise wird die Drehzahl des Generators und/oder des Verdichters im Rekuperationsbetrieb insbesondere mittels der Steuereinheit bedarfsgerecht eingestellt.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung wird im Rekuperationsbetrieb und/oder bei einem insbesondere hohen Bedarf an elektrischer Leistung und/oder an Kühlleistung eine hohe Drehzahl eingestellt. Im Rekuperationsbetrieb wird dadurch die Rekuperationsleistung optimal verwertet. Alternativ oder zusätzlich werden entsprechende Bedarfe an elektrischer Leistung und Kühlleistung optimal bedient. Ansonsten wird insbesondere bei im Vergleich dazu geringen Bedarfen eine demgegenüber geringe Drehzahl eingestellt, um eine vorteilhafte Erhöhung der Lebensdauer des Generators und/oder des Verdichters zu erzielen.
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Die bedarfsgerechte Verteilung des Drehmoments ergibt sich insbesondere aus den Umgebungsbedingungen, beispielsweise der herrschenden Tages- oder Jahreszeit oder dem Ort, an welchem sich das Fahrzeug befindet, beispielsweise in einem kalten Land oder in einem heißen Land. Die Umgebungsbedingungen bestimmen den Bedarf an Kühlleistung und insbesondere auch an elektrischer Leistung.
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In einer geeigneten Ausgestaltung wird mit der oben beschriebenen Anordnung temporär, d.h. über einen kurzen Zeitraum von beispielsweise wenigen Minuten oder wenigen Stunden die erzeugte elektrische Leistung oder der Bedarf an Kühlleistung über den jeweiligen tatsächlichen Bedarf hinaus erhöht, um die Rekuperationsleistung besser zu nutzen. Alternativ oder zusätzlich werden systemische Trägheiten des Bordnetzes, des Generators, der Klimaanlage und/oder des Kältekreises in der Betriebsstrategie berücksichtigt.
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In einer weiteren geeigneten Ausgestaltung wird dem Generator höchstens ein solcher Teil der Rekuperationsleistung zugeteilt, welcher einer maximalen Antriebsleistung des Generators entspricht, sodass eine Beschädigung des Generators durch eine zu starke Belastung vorteilhaft vermieden wird. Der übrige Teil der Rekuperationsleistung wird dem Verdichter zugeteilt und dadurch optimal verwertet. Alternativ wird umgekehrt dem Verdichter höchstens ein Teil der Rekuperationsleistung zugeteilt, welche einer maximalen Antriebsleistung des Verdichters entspricht, sodass eine Beschädigung des Verdichters durch eine zu starke Belastung vorteilhaft vermieden wird. Der übrige Teil der Rekuperationsleistung wird dann dem Generator zugeteilt und dadurch optimal verwertet.
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In einer Variante weisen sowohl der Verdichter als auch der Generator eine maximale Antriebsleistung auf. Jegliche Rekuperationsleistung, welche über die Summe der beiden maximalen Antriebsleistungen hinausgeht wird zweckmäßigerweise vernichtet, beispielsweise durch Bremsscheiben, um eine Beschädigung der beiden Komponenten zu verhindern. Insgesamt ist somit auf vorteilhafte Weise eine Drehmomentbegrenzung für die Nebenaggregate realisiert.
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Eine Drehmomentbegrenzung ist auch für die übrigen Komponenten zweckmäßig, besonders für die Drehmomentverteilvorrichtung oder den Motor. Im Betrieb weisen der Generator und der Verdichter zu einem gegebenen Zeitpunkt einen bestimmten Drehmomentbedarf auf, welcher sich insbesondere aus dem Bedarf an elektrischer Leistung und dem Bedarf an Kühlleistung ergibt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dann das Drehmoment auf ein maximales Betriebsdrehmoment beschränkt, falls der Drehmomentbedarf größer ist als das maximale Betriebsdrehmoment. Das maximale Betriebsdrehmoment ist hierbei dasjenige Drehmoment bei welchem die Drehmomentverteilvorrichtung und/oder der Motor maximal betrieben werden sollen, um eine Beschädigung zu vermeiden.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist einen Antriebsstrang, einen Generator, zur Erzeugung einer elektrischen Leistung, und einen Kältekreis mit einem Verdichter, zur Erzeugung einer Kühlleistung, auf, sowie eine Steuereinheit, welche derart ausgebildet ist, dass das Fahrzeug in einen Rekuperationsbetrieb geschaltet wird, in welchem aus dem Antriebsstrang eine Rekuperationsleistung gewonnen wird, wobei die Kühlleistung erzeugt wird, indem der Verdichter mit der Rekuperationsleistung angetrieben wird, und wobei der Generator als Kältespeicher verwendet wird und mittels der Kühlleistung gekühlt wird. Die Vorteile sowie vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich sinngemäß aus obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren. Ebenso gelten die nachfolgenden Ausführungen sinngemäß auch für das Verfahren.
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Grundsätzlich ist es möglich, den Generator beispielsweise mittels Luft oder mittels eines Kühlkreises mit Wasser als Kühlmittel zu kühlen. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung, bei welcher der Generator direkt an den Kältekreis angeschlossen ist, zum Wärmeaustausch mit diesem. Mit anderen Worten: der Kältekreis und der Generator sind miteinander gekoppelt. Dadurch ist der Generator in den Kältekreis integriert und die Anordnung besonders kompakt. Zudem wird kein zusätzlicher Kühlkreis benötigt, beispielsweise ein Generatorkühlkreis, und daher zweckmäßigerweise auf einen solchen verzichtet. Der Generator wird vielmehr direkt mittels des Kältekreises gekühlt, d.h. direkt durch das Kältemittel, welches im Kältekreis zirkuliert. Dazu ist der Generator geeigneterweise als Wärmetauscher ausgebildet oder am Generator ist ein entsprechender Wärmetauscher angebracht, sodass das Kältemittel bei Durchströmen des Wärmetauschers mit dem Generator besonders effizient Wärme austauscht.
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Der Kältekreis weist einen Verdampfer auf, zur Wärmeaufnahme in den Kältekreis, und einen Kondensator, zur Wärmeabgabe aus dem Kältekreis. Stromab des Kondensators und stromauf des Verdampfers ist zudem insbesondere ein Expansionsorgan angeordnet, zur Entspannung des Kältemittels vor einem Eintritt in den Verdampfer.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Generator stromab des Verdampfers und stromauf des Verdichters angeordnet. Dem Generator wird somit entspanntes und abgekühltes Kältemittel zugeführt. Der Generator wird somit mittels des Kältemittels gekühlt, bevor dieses im Verdichter wieder verdichtet wird. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Generator durch Kältemittel gekühlt wird, welches zuvor im Verdampfer bereits gekühlt wurde, sodass der Generator insgesamt auf ein besonders niedriges Temperaturniveaus gebracht wird, d.h. besonders stark gekühlt wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist der Generator in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung stromab des Verdichters und stromauf des Kondensators angeordnet. Dadurch wird der Generator oder dessen Wärmetauscher von verdichtetem Kältemittel durchströmt, noch bevor dieses im Kondensator abgekühlt wird. Der Generator stellt dann eine Wärmequelle dar, welche das Temperaturniveau des Kältemittels stromab des Verdichters weiter erhöht, sodass nachfolgend die Wärmeabgabe am Kondensator effektiver ist und vorteilhaft auch bei besonders hohen Außentemperaturen noch möglich ist.
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In einer ersten Ausgestaltung ist lediglich eine der beiden oben genannten Verschaltungen des Generators mit dem Kältekreis realisiert. Der Generator ist in einer ersten vorteilhaften Variante direkt an eine Kältemittelleitung zwischen Verdampfer und Verdichter bzw. zwischen Verdichter und Kondensator angeschlossen. Eine solche direkte Durchleitung von Kältemittel, d.h. eine Ausgestaltung ohne eine Bypassleitung für den Generator, ist besonders kostengünstig.
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In einer vorteilhaften Alternative ist eine Bypasskonfiguration realisiert, bei welcher das Kältemittel oder ein Teil davon am Generator vorbeigeleitet werden kann und bedarfsweise dann vorbeigeleitet wird. Dazu ist der Generator zweckmäßigerweise in einer Bypassleitung des Kältekreises angeordnet. Dieser weist dann zwei Abzweigungen auf, zwischen welchen sich die Bypassleitung erstreckt. Je nach Anordnung des Generators sind die Abzweigungen zwischen Verdichter und Kondensator oder zwischen Verdampfer und Verdichter angeordnet. In der Ausgestaltung mit dem Generator stromab des Verdichters, wird dann stromab des Verdichters mittels der Bypassleitung ein Teil des Kältemittels zur Generatorkühlung abgezweigt und danach dem Kondensators zugeführt, insbesondere gemeinsam mit dem übrigen Teil des Kältemittels. In der Ausgestaltung mit dem Generator stromauf des Verdichters, wird analog stromab des Verdampfers mittels der Bypassleitung ein Teil des Kältemittels zur Generatorkühlung abgezweigt und danach dem Verdichter zugeführt, insbesondere gemeinsam mit dem übrigen Teil des Kältemittels. Allgemein wird die Generatorkühlung dann bedarfsweise, insbesondere im Rekuperationsbetrieb zugeschaltet. Das Zuschalten erfolgt insbesondere mittels einer geeigneten Ventilanordnung, welche von der Steuereinheit angesteuert wird. Die Ausgestaltung mit einer Bypassleitung, bei welcher der Generator bedarfsweise mit Kältemittel kühlbar ist, bietet deutliche funktionelle Vorteile.
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In einer zweiten Ausgestaltung werden die beiden Verschaltungen kombiniert, indem mittels einer geeigneten Ventilanordnung und geeignet geführter Leitungsabschnitte der Generator zwischen einer Anordnung stromab des Verdichters und einer Anordnung stromauf des Verdichters umgeschaltet wird. Das Umschalten erfolgt vorzugsweise abhängig von der Situation des Fahrzeugs und/oder abhängig von den Umgebungsparametern.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
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1 ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang und einem Kältekreis,
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2 eine erste Variante des Kältekreises, und
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3 eine zweite Variante des Kältekreises.
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In 1 ist ein Fahrzeug 2 dargestellt, mit einem Antriebsstrang 4, welcher einen Motor 6, mehrere Räder 8 und eine Mechanik 10, welche den Motor 6 mit den Rädern 8 verbindet, aufweist. Die Mechanik 10 ist hier stark vereinfacht als gestrichelte Linien dargestellt. Der Motor 6 ist beispielsweise ein Verbrennungsmotor oder ein Elektromotor.
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Das Fahrzeug 2 weist weiterhin einen Kältekreis 12 auf, mit einem Verdampfer 14, einem Verdichter 16 und einem Kondensator 18. Der Verdampfer 14 dient zur Wärmeaufnahme aus der Umgebung des Fahrzeugs 2 und der Kondensator 18 dient zur Wärmeabgabe. Der Verdichter 16 und insbesondere der Kältekreis 12 an sich dienen zur Erzeugung einer Kühlleistung. Außerdem weist das Fahrzeug 2 einen Generator 20 auf, zur Erzeugung einer elektrischen Leistung, mittels welcher ein nicht näher gezeigtes Bordnetz versorgt wird.
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Weiterhin ist eine Drehmomentverteilvorrichtung 22 angeordnet, mittels welcher der Motor 6, der Verdichter 16 und der Generator 20 miteinander mechanisch gekoppelt sind, sodass ein im Antriebsstrang 4 vorhandenes Drehmoment aufgeteilt werden kann. Die Drehmomentverteilvorrichtung 22 ist beispielsweise ein Riemengetriebe oder ein Schubkettengliedergetriebe. Vorliegend ist die Drehmomentverteilvorrichtung 22 variabel, d.h. der Generator 20 und der Verdichter 16 sind mit einer variablen Drehzahl betreibbar. Dabei wird die Drehzahl des Generators 20 und des Verdichters 16 im Rekuperationsbetrieb mittels der Steuereinheit 24 bedarfsgerecht eingestellt. So wird bei einem hohen Bedarf an elektrischer Leistung und/oder an Kühlleistung entsprechend eine hohe Drehzahl eingestellt und die Rekuperationsleistung optimal verwertet. Bei im Vergleich dazu geringen Bedarfen wird eine demgegenüber geringe Drehzahl eingestellt, um die Lebensdauer des Generators 20 und des Verdichters 16 zu erhöhen. Zudem ist eine Drehmomentbegrenzung derart realisiert, dass eine zu starke Belastung des Generators 20 und des Verdichters 16 verhindert wird.
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Das Fahrzeug 2 weist weiterhin eine Steuereinheit 24 auf, welche das Fahrzeug 2 in einen Rekuperationsbetrieb schaltet, in welchem aus dem Antriebsstrang 4 eine Rekuperationsleistung gewonnen wird, mittels welcher dann im Rekuperationsbetrieb der Verdichter 16 angetrieben wird, um die Kühlleistung zu erzeugen, d.h. hier die Rekuperationsleistung ganz oder teilweise in Kühlleistung umzuwandeln. Der Rekuperationsbetrieb wird vorzugsweise beim Bremsen des Fahrzeugs 2 eingeschaltet, um Antriebsleistung aus dem Antriebsstrang 4 zu entnehmen und eine Bremswirkung zu erzielen. Anstatt die Antriebsleistung zur Verlangsamung des Fahrzeugs 2 zu vernichten, wird die Antriebsleistung effizient rekuperiert und in Kühlleistung umgewandelt. Die Steuereinheit 24 steuert insbesondere den Motor 6, den Verdichter 16, den Generator 20 und die Drehmomentverteilvorrichtung 22 an und ist dazu mit diesen Komponenten in geeigneter Weise verbunden.
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Zusätzlich wird der Generator 20 als Kältespeicher verwendet und mittels der Kühlleistung, welche im Rekuperationsbetrieb erzeugt wurde, gekühlt. Der Generator 20 wird dabei als thermischer Speicher verwendet, ein zusätzliches Bauteil zur Speicherung der Kühlleistung ist demnach nicht notwendig und insbesondere auch nicht vorhanden. Die Rekuperationsleistung wird also mittels des Verdichters 16 in eine Kühlleistung umgewandelt und im Generator 20 gespeichert. Anstatt mechanische Leistung im Antriebsstrang zu vernichten, wird diese mechanische Leistung stattdessen im Rekuperationsbetrieb zum Antrieb des Verdichters 16 verwendet. Der Generator 20 wird dadurch gekühlt und damit dessen Wirkungsgrad bei der Erzeugung elektrischer Leistung deutlich verbessert.
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Aufgrund der Kühlung des Generators 20 wird zur Erzeugung elektrischer Leistung insgesamt weniger Drehmoment benötigt, wodurch das Fahrzeug 2 effizienter ist einen verringerten Kraftstoffbedarf aufweist. Eine Anhebung der Drehzahl des Motors 6 zur Erhöhung des Drehmoments im Antriebsstrang 4 zwecks Antrieb des Generators 20 wird seltener oder gar nicht benötigt.
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Das im Antriebsstrang 4 vorhandene Drehmoment, d.h. im Rekuperationsbetrieb die vorhandene Rekuperationsleistung, wird nicht notwendigerweise vollständig zum Antrieb des Verdichters 16 und zur Kühlung des Generators 20 verwendet. Vielmehr wird in einer möglichen Ausgestaltung die Rekuperationsleistung mittels der Drehmomentverteilvorrichtung 22 auf den Verdichter 16 und den Generator 20 verteilt, indem die Rekuperationsleistung in Abhängigkeit eines Bedarfs an Kühlleistung und eines Bedarfs an elektrischer Leistung teilweise zum Antrieb des Verdichters 16 und teilweise zum Antrieb des Generators 20 verwendet wird. Insgesamt erfolgt die Verteilung der Rekuperationsleistung insbesondere situationsabhängig unter Berücksichtigung des Bedarfs an elektrischer Energie und des Bedarfs an Kühlleistung. Ein eventuell nicht sofort benötigter Teil an Rekuperationsleistung wird dann zur Kühlung des Generators 20 genutzt, um einerseits dessen Effizienz zu verbessern und/oder andererseits später zur Kühlung einer anderen Komponente, z.B. des Fahrgastraums des Fahrzeugs 2, verwendet zu werden.
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Die Verteilung erfolgt entweder situativ, d.h. abhängig von der momentanen Situation des Fahrzeugs 2, oder prädiktiv, d.h. abhängig von einer vorhergesagten, zukünftigen Situation des Fahrzeugs 2, oder sowohl situativ als auch prädiktiv. In jedem Fall liegen der Aufteilung bestimmte Verteilungsregeln zugrunde, welche durch die Steuereinheit 24 umgesetzt werden. Dabei sind verschiedene Ansätze denkbar. Beispielsweise werden kundenwerte Funktionen, wie z.B. eine Kühlung des Fahrgastraums priorisiert. Alternativ wird ein möglichst effizienter Betrieb, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoff- und Energieverbrauchs des Fahrzeugs 2 angestrebt und vorrangig elektrische Leistung erzeugt.
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Durch die Speicherung der Rekuperationsleistung als Kühlleistung in Kombination mit einer prädiktiven Betriebsstrategie ist vor Allem eine zeitliche Verlagerung der Nutzung der Rekuperationsleistung derart möglich, dass diese zu einem späteren Zeitpunkt und insbesondere außerhalb des Rekuperationsbetriebs noch nutzbar ist. Im Rahmen der prädiktiven Betriebsstrategie wird beispielsweise ein zukünftiger Bedarf an elektrischer Leistung vorhergesagt, welche dann besonders effizient generiert wird, indem der Generator 20 zuvor im Rekuperationsbetrieb vorgekühlt wird. Andersherum ist auch eine nachträgliche Kühlung möglich. Beispielsweise wird eine Rekuperationsphase vorhergesagt, in welcher ein Umschalten in den Rekuperationsbetrieb sowie eine Erzeugung von Kühlleistung aus Rekuperationsleistung möglich ist, sodass der Generator 20 dann zuvor zur Erzeugung elektrischer Leistung verwendet werden kann. Die elektrische Leistung wird dann in einer Ausgestaltung sogar in einem Überlastbetrieb des Generators 20 erzeugt, in welchem dieser eine besonders starke Erwärmung erfährt, welche jedoch hingenommen wird, da ja die Möglichkeit einer nachträglichen Kühlung vorhergesagt wurde und eine solche nachträgliche Kühlung dann auch erfolgt.
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Zur Prädiktion, aber auch im Rahmen einer situativen Betriebsstrategie, werden Umgebungsparameter des Fahrzeugs 2 mittels der Steuereinheit 24 und insbesondere mittels geeigneter Sensoren erfasst. Solche Umgebungsparameter sind beispielsweise das Fahrverhalten des Fahrers, der Streckenverlauf oder das Höhenprofil, welcher bzw. welches insbesondere bei Verwendung eines Navigationssystems vorbekannt ist oder mittels einer Kamera bestimmt wird, oder mögliche Ampeln, Verkehrszeichen oder Geschwindigkeitszonen, welche z.B. aus hinterlegtem Kartenmaterial bekannt sind.
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In einer Variante wird die Kühlleistung auf den Generator 20 und eine weitere Komponente 26 des Fahrzeugs 2, beispielsweise den Fahrgastraum, aufgeteilt, wobei die weitere Komponente 26 dann vorrangig gekühlt wird und der Generator 20 lediglich mit einer überschüssigen Kühlleistung gekühlt wird. Dadurch wird zunächst die Kühlung des Fahrgastraums gegenüber einer Generatorkühlung priorisiert, um einen möglichst hohen Komfort für die Insassen des Fahrzeugs 2 zu gewährleisten. Gegebenenfalls wird jedoch in bestimmten Situationen andersherum die Generatorkühlung priorisiert und gegebenenfalls ein Komfortverlust hingenommen, welcher sich dann aus einer unzureichenden Kühlung der weiteren Komponente 26 ergibt. Dies ist beispielsweise sinnvoll, falls der Generator 20 im Überlastbetrieb betrieben wird oder wenn allgemein ein hoher Bedarf an elektrischer Leistung vorliegt. In diesen Fällen wird dann im Rekuperationsbetrieb vorrangig der Generator 20 gekühlt, um eine Beschädigung zu vermeiden.
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In den 2 und 3 ist jeweils eine Variante des Kältekreises 12 gezeigt, wobei 2 den bereits in 1 dargestellten Kältekreis 12 detaillierter zeigt. Zusätzlich zu dem Verdampfer 14, dem Verdichter 16 und dem Kondensator 18 weist der Kältekreis 12 ein Expansionsorgan 28 auf, welches stromab des Kondensators 18 und stromauf des Verdampfers 14 angeordnet ist. Der Generator 20 ist allgemein verdichterseitig angeordnet, d.h. stromab des Verdampfers 14 und stromauf des Kondensators 18. Der Generator 20 ist hier direkt an den Kältekreis 12 angeschlossen und in diesen integriert, sodass der Generator 20 direkt mittels des Kältekreises 12 gekühlt wird. Dazu ist der Generator 20 beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet oder am Generator 20 ist ein entsprechender Wärmetauscher angebracht.
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Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Varianten der 2 und 3 ist die Anordnung des Generators 20 relativ zum Verdichter 16. So ist in 2 der Generator 20 stromab des Verdampfers 14 und stromauf des Verdichters 16 angeordnet, sodass dem Generator 20 entspanntes und abgekühltes Kältemittel zugeführt wird. Dadurch wird der Generator 20 durch Kältemittel gekühlt, welches zuvor im Verdampfer 14 bereits gekühlt wurde, sodass der Generator 20 insgesamt auf ein besonders geringes Temperaturniveaus gebracht wird, d.h. besonders stark gekühlt wird.
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3 zeigt eine Alternative, bei welcher der Generator 20 stromab des Verdichters 16 und stromauf des Kondensators 18 angeordnet ist. Dadurch wird der Generator 20 oder dessen Wärmetauscher von verdichtetem Kältemittel durchströmt, noch bevor dieses im Kondensator abgekühlt wird. Dadurch wird das Temperaturniveau des Kältemittels stromab des Verdichters 16 erhöht, sodass nachfolgend die Wärmeabgabe am Kondensator 18 effektiver ist und auch bei besonders hohen Außentemperaturen noch möglich ist.
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Der Generator 20 ist beispielsweise wie in den 2 und 3 gezeigt direkt an eine Kältemittelleitung zwischen Verdampfer 14 und Verdichter 16 bzw. zwischen Verdichter 16 und Kondensator 18 angeschlossen. In einer nicht gezeigten, jedoch vorteilhaften Alternative ist dagegen eine Bypasskonfiguration realisiert, bei welcher das Kältemittel oder ein Teil davon am Generator 20 mittels einer geeigneten Ventilanordnung vorbeigeleitet werden kann. Der Generator 20 ist dann in einer Bypassleitung des Kältekreises 12 angeordnet. Dieser weist dann zwei Abzweigungen auf, zwischen welchen sich die Bypassleitung erstreckt. Je nach Anordnung des Generators 20 sind die Abzweigungen zwischen Verdichter 16 und Kondensator 18 oder zwischen Verdampfer 14 und Verdichter 16 angeordnet.
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Grundsätzlich ist auch Kombination der beiden Schaltungen der 2 und 3 denkbar wobei dann mittels einer geeigneten Ventilanordnung und geeignet geführter Leitungsabschnitte der Generator 20 zwischen einer Anordnung stromab des Verdichters 16 und einer Anordnung stromauf des Verdichters 16 umschaltbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Fahrzeug
- 4
- Antriebsstrang
- 6
- Motor
- 8
- Rad
- 10
- Mechanik
- 12
- Kältekreis
- 14
- Verdampfer
- 16
- Verdichter
- 18
- Kondensator
- 20
- Generator
- 22
- Drehmomentverteilvorrichtung
- 24
- Steuereinheit
- 26
- weitere Komponente
- 28
- Expansionsorgan
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011075284 A1 [0005]
- DE 102006038675 A1 [0006]
- DE 102011088988 A1 [0007]
