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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Herkömmliche Kraftfahrzeuge, wie zum Beispiel Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen mit einer dem Antrieb vorbehaltenen Verbrennungskraftmaschine und einem manuellen oder automatischen Getriebe sowie einem 12-Volt-Bordnetz, das heißt keine Vollhybrid- und keine Elektrofahrzeuge, sind im allgemeinen nicht in der Lage, die kinetische Fahrzeugenergie bei einer Verzögerung des Fahrzeugs zurückzugewinnen (hierin auch als Rekuperation bezeichnet), sie wird vielmehr durch herkömmliche Reibungsbremsen des Fahrzeugs in Wärme umgewandelt und geht verloren.
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Für Vollhybrid- oder Elektrofahrzeuge sind bereits Strategien entwickelt worden, diese kinetische Energie beim Bremsen des Fahrzeugs wenigstens teilweise zu rekuperieren. Selbst für Nicht-Vollhybrid- und Nicht-Elektrofahrzeuge sind Entwicklungen unternommen worden, welche die Rekuperation wenigstens eines – wenn auch nur – geringen Teils der kinetischen Fahrzeugenergie beim Ausrollen oder Bremsen mit Hilfe einer Fahrzeuglichtmaschine zum Ziel haben, indem die Lichtmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie parallel zu einem herkömmlichen, mittels Reibungsbremsen durchgeführten Bremsvorgang herangezogen wird.
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So ist beispielsweise aus der
US 5,125,469 A ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem System zur Speicherung von Fahrzeugverzögerungsenergie und zur Verwendung der gespeicherten Verzögerungsenergie für eine Fahrzeugantriebsunterstützung bekannt. Hierzu weist das System einen mit einem Fahrzeugantriebsstrang mechanisch gekoppelten Generator zur Umwandlung der Verzögerungsenergie in elektrische Energie, ein elektrisch mit dem Generator verbundenes Mittel zur Speicherung der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie, und einen mechanisch mit dem Antriebsstrang und elektrisch mit dem Speichermittel verbundenen Motor zur Umwandlung der gespeicherten elektrischen Energie in mechanische Energie für eine Antriebsunterstützung des Fahrzeugs auf. Der Generator wird eingeschaltet und der Unterstützungsmotor wird ausgeschaltet, wenn das Fahrzeug verzögert, der Generator wird ausgeschaltet und der Unterstützungsmotor wird eingeschaltet, wenn das Fahrzeug beschleunigt, und der Generator und der Unterstützungsmotor werden ausgeschaltet, wenn das Fahrzeug weder verzögert noch beschleunigt.
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Die
US 8,392,030 B2 offenbart zudem ein System, das wenigstens einen elektrischen Generator umfasst, der mit einer bewegbaren Komponente des Systems derart verbunden ist, dass eine Änderung einer effektiven Impedanz des Generators die kinematische Charakteristik des Generators steuert, die wiederum die Bewegung der bewegbaren Komponente beeinflusst. Ferner umfasst das System wenigstens eine elektrische Last, die eine oder mehrere elektrische Komponenten des Systems aufweist, wie zum Beispiel eine Fahrzeugbatterie, eine Fahrzeugbeleuchtung, Heizeinrichtungen und ähnliche elektrische Energie verbrauchende Vorrichtungen. Gemäß einer Ausführungsform kann der elektrische Generator eine Fahrzeuglichtmaschine sein, wobei die Änderung der kinematischen Charakteristik der Lichtmaschine die Drehzahl eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs verringern kann, um ein Verzögern des Fahrzeugs zu unterstützen. Die hierbei durch den Generator erzeugte elektrische Energie kann in einer Energiespeichervorrichtung gespeichert werden.
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In der
US 2014/0305260 A1 ist weiterhin ein kinetisches Energierückgewinnungsund elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor beschrieben, das eine wahlweise in einem Motorbetrieb oder in einem Generatorbetrieb betreibbare elektrische Maschine umfasst, wobei der Generatorbetrieb aktiviert wird, wenn das Fahrzeug gebremst wird oder sich in einem Schubbetrieb befindet, und der Motorbetrieb zur Unterstützung des Verbrennungsmotors aktiviert wird, wenn das Fahrzeug beschleunigt wird.
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Des Weiteren offenbart die
WO 2008/000982 A2 ein Verfahren zur Rückgewinnung von elektrischer Energie in einem Fahrzeug mit generatorischer Bremsung, bei dem mittels einer elektrischen Maschine, die eine Lichtmaschine sein kann, erzeugte elektrische Energie während des generatorischen Bremsens sowohl in einem Superkondensator als Sekundärspeichermittel als auch in einer herkömmlichen Fahrzeugbatterie gespeichert wird.
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Aus der
US 7,336,002 B2 ist ein Fahrzeugbordnetz bekannt, das einen Bleiakkumulator als Hauptspeichermittel und einen Lithium-Ionen-Akkumulator als Sekundärspeichermittel mit einer gegenüber dem Bleiakkumulator erhöhten Ladeakzeptanz aufweist. Das Sekundärspeichermittel speichert elektrische Energie, die während einer Verzögerung des Fahrzeugs durch einen Generator, der eine mit einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs über einen Riementrieb gekoppelte Lichtmaschine sein kann, erzeugt wird. Das Hauptspeichermittel und das Sekundärspeichermittel sind über einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden.
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Ferner beschreibt die
US 2013/0141231 A1 eine unabhängige Betätigungseinrichtung zur Aktivierung eines rein generatorischen Bremsvorgangs ohne Aktivierung herkömmlicher Reibungsbremsen für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug sowie eine von einer herkömmlichen Bremsleuchte separate Rückleuchte zur Anzeige der rein generatorischen Verzögerung des Fahrzeugs.
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In der
US 2014/0012476 A1 ist ein mittels eines Elektromotors antreibbares Kraftfahrzeug offenbart, das sowohl generatorisch mittels des Elektromotors als auch mittels herkömmlicher Reibungsbremsen gebremst wird, wobei der Anteil der Reibungsbremsen am Gesamtbremsmoment anhand der Differenz einer gewünschten Bremsanforderung und des durch den Elektromotor erzeugbaren generatorischen Bremsmoments eingestellt wird.
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Aus der
US 2012/0022732 A1 ist ferner ein Mikrohybridfahrzeug mit einer Lichtmaschine und einer elektrochemischen Batterie bekannt, wobei die Batterie während eines Bremsvorgangs durch von der Lichtmaschine erzeugte elektrische Energie geladen wird.
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Außerdem ist in der
DE 41 02 929 A1 ein Kraftfahrzeug mit einer Einrichtung zur Bremsenergierückgewinnung durch Zuschalten von Nebenaggregaten beim Bremsen und im Schubbetrieb des Fahrzeugs mit Abspeicherung der hierdurch gewinnbaren Energie in zugehörigen Speichern offenbart, wie zum Beispiel die Abspeicherung von heißem Kühlwasser in einem Zusatzspeicher.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 41 40 650 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff in Fahrzeugen unter Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors durch die Reduktion von Wasser mittels eines Katalysators. Der so erzeugte Treibstoff wird dann demselben Motor desselben Fahrzeugs wieder zugeführt.
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Ferner ist aus der
DE 10 2014 213 674 A1 ein Fahrzeug mit wenigstens einem Antriebsmotor, der mittels eines Kühlmittels gekühlt wird, einem Wärmespeicher zum Speichern der an das Kühlmittel abgegebenen Abwärme des Antriebsmotors sowie einem elektrischen Heizgerät für das Kühlmittel bekannt, bei dem ein zum Antrieb des Fahrzeugs vorgesehener Verbrennungsmotor oder eine elektrische Maschine die Abwärme liefern und die elektrische Maschine ferner Rekuperationsenergie zum Betrieb des elektrischen Heizgeräts liefert. Die Temperatur eines in dem Wärmespeicher enthaltenen Wärmespeichermediums wird über einen mittels der Abwärme erreichbaren Wert hinaus erhöht und/oder auf einem solchermaßen erhöhten Wert gehalten, um hierdurch zusätzliche Energie im Fahrzeug speichern zu können.
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Außerdem beschreibt die
DE 10 2012 204 988 A1 einen Wärmespeicher für ein Kühlmittel eines Fahrzeugmotors, der einen flexiblen Speicherbehälter mit einem Innenkörper und einem Außenkörper aufweist, wobei zwischen den beiden Körpern eine Isolation angeordnet ist. Der flexible Aufbau des Wärmespeichers erlaubt eine optimale Anpassung an die jeweiligen Platzverhältnisse im Fahrzeug durch die Wahl der Form des Wärmespeichers.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb bereitzustellen, die eine verbesserte, effizientere Nutzung der kinetischen Fahrzeugenergie während eines Bremsvorgangs des Fahrzeugs ermöglichen und kostengünstig zu realisieren sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Erfindungsgemäß weist ein Kraftfahrzeug eine für den Fahrzeugantrieb vorgesehene Verbrennungskraftmaschine, zum Beispiel einen Otto-, Diesel,- Erdgas- oder LPG-Motor, wenigstens eine als Generator betreibbare, mechanisch mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs drehgekoppelte elektrische Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie, wenigstens einen Energiespeicher, der zur Speicherung der von der wenigstens einen elektrischen Maschine erzeugten elektrischen Energie mit dieser verbunden ist, wenigstens eine Reibungsbremse zum Verzögern des Fahrzeugs und wenigstens ein Steuergerät zum Steuern der wenigstens einen elektrischen Maschine und des wenigstens einen Energiespeichers sowie der wenigstens einen Reibungsbremse auf.
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Unter dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs werden hierin alle Komponenten verstanden, die im Fahrzeug die Leistung für den Antrieb generieren und bis auf die Straße übertragen. Bei dem im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug eingesetzten Antriebsstrang, bei dem eine Verbrennungskraftmaschine, zum Beispiel ein Otto-, Diesel,- Erdgas- oder LPG-Motor, eingesetzt wird, zählen dazu insbesondere die Verbrennungskraftmaschine selbst mit dem Schwungrad, die Kurbelwelle, die Kupplung mit dem Fahrzeuggetriebe, bei mehrspurigen Fahrzeugen das Differential, die Antriebswellen oder Steckachsen sowie die Räder. Bei einem mehrspurigen heck- oder allradgetriebenen Fahrzeug kommen noch zusätzliche Gelenkwellen oder Kardanwellen, die Visco-Kupplung, das eventuelle Untersetzungsgetriebe, das Kreuzgelenk oder die Gelenkscheibe, das Mittellager und ggf. Mittendifferential(e) hinzu.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, ein Fahrzeugverzögerungsmoment abhängig von einer von einem Benutzer des Fahrzeugs über ein Bremsbetätigungselement vorgegebenen Bremsanforderung bis zu einem maximal durch die generatorische Last der wenigstens einen elektrischen Maschine erzielbaren Verzögerungsmoment alleine mittels der wenigstens einen elektrischen Maschine bereitzustellen und die dadurch entstehende elektrische Energie in dem wenigstens einen Energiespeicher zu speichern und bei einer über dieses maximal erzielbare Verzögerungsmoment hinausgehenden Bremsanforderung das zusätzliche Fahrzeugverzögerungsmoment zusätzlich auch mittels der wenigstens einen Reibungsbremse bereitzustellen.
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Mit anderen Worten wird das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mittels einer seriellen Rekuperationsstrategie verzögert, bei der das Fahrzeugverzögerungsmoment der über das Bremsbetätigungselement vorgegebenen Bremsanforderung bis zu dem maximal durch die generatorische Last erzielbaren Verzögerungsmoment der hierbei im Generatorbetrieb betriebenen wenigstens einen elektrischen Maschine zunächst alleine durch die elektrische Maschine bereitgestellt wird (hierin auch als elektrische Nutzbremsung bezeichnet) und erst bei höheren Fahrzeugverzögerungen die Reibungsbremsen des Kraftfahrzeugs zusätzlich zum Einsatz kommen. Da hierbei die Leistungsfähigkeit der wenigstens einen elektrischen Maschine voll ausgeschöpft wird, erzielt die Nutzbremsung eine maximale Wirkung, bei der die gesamte vor der Fahrzeugverzögerung vorhandene kinetische Fahrzeugenergie bzw. ein maximaler Anteil hiervon in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Das Steuergerät kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät sein. Auch können mehrere Steuergeräte zur Realisierung der vorstehend beschriebenen Funktion vorgesehen sein, wobei diese Steuergeräte dann in Wirkverbindung miteinander stehen, zum Beispiel bei elektronischen Steuergeräten mittels eines geeigneten Kommunikationsmittels, beispielsweise einem Kommunikationsbus, in datenübertragender Weise miteinander in Verbindung stehen.
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Das Bremsbetätigungselement kann beispielsweise ein mit einem Fuß des Benutzers betätigbares Bremspedal oder ein mit einer Hand des Benutzers betätigbarer Bremshebel sein.
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Die Drehkopplung der elektrischen Maschine an einem sich während der Fahrzeugbewegung drehenden Teil des Antriebsstrangs kann beispielsweise über eine reibschlüssige Verbindung, zum Beispiel mittels Reibrädern oder eines Riementriebs mit Keilriemen, oder auch über eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise mittels Zahnrädern oder eines Riementriebs mit Zahnriemen, erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Maschine eine Lichtmaschine oder ein Startergenerator. Die Lichtmaschine hat hierbei grundsätzlich die Funktion, die elektrischen Verbraucher an Bord des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Startergenerator vereint hingegen die Funktion eines Anlassers/Starters der Verbrennungskraftmaschine und einer Lichtmaschine in einer einzigen elektrischen Maschine. Er kann damit sowohl die Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs beschleunigen (starten), als auch im Generatorbetrieb wie die Lichtmaschine elektrische Energie erzeugen. Da die elektrische Maschine zur Erzeugung der während der Fahrzeugverzögerung rekuperierten elektrischen Energie die ohnehin in dem Kraftfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine vorhandene Lichtmaschine bzw. der Startergenerator ist, muss für die Rekuperation der Bremsenergie keine zur Lichtmaschine bzw. zum Startergenerator zusätzliche elektrische Maschine in dem Kraftfahrzeug verbaut werden. Dies vereinfacht den Aufbau und reduziert das Gewicht sowie die Kosten des Kraftfahrzeugs.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liefert die elektrische Maschine im Generatorbetrieb eine maximale elektrische Abgabeleistung von wenigstens 5 kW. Insbesondere wenn die elektrische Maschine als Lichtmaschine oder Startergenerator ausgeführt ist, lässt sich hierdurch eine größere Menge elektrischer Energie beim Bremsen des Kraftfahrzeugs rekuperieren als mit einer herkömmlichen Lichtmaschine oder einem herkömmlichen Startergenerator im Generatorbetrieb möglich ist, die derzeit auf eine maximale elektrische Abgabeleistung von etwa maximal 3 kW ausgelegt sind. Mit anderen Worten leistet die elektrische Maschine gemäß dieser Ausgestaltung wenigstens 2000 Watt mehr als eine herkömmliche Lichtmaschine bzw. ein herkömmlicher Startergenerator im Generatorbetrieb.
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Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Maschine im Generatorbetrieb eine Nennausgangsspannung von wenigsten 12 V liefert. Hierdurch lässt sich die elektrische Maschine, beispielsweise eine Lichtmaschine oder ein Startergenerator, unmittelbar mit einem herkömmlichen 12-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs koppeln, in das die elektrische Maschine die von ihr erzeugte elektrische Energie einspeisen kann.
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Besonders bevorzugt kann in einem solchen Fall der Energiespeicher als eine elektrische Batterie mit einer Nennspannung von ebenfalls wenigstens 12 V ausgebildet sein, die einen Teil des 12-Volt-Bordnetzes des Kraftfahrzeugs bildet.
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In besonders einfacher und kostengünstiger Ausführung kann eine solche 12-Volt-Batterie als herkömmliche Blei-Säure-Batterie ausgebildet sein, die durch die von der elektrischen Maschine während der Fahrzeugverzögerung rekuperierten elektrischen Energie geladen wird.
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Um die Menge an in dem Energiespeicher speicherbarer elektrischer Energie weiter zu erhöhen, kann eine derartige 12-Volt-Batterie beispielsweise auch als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein, die allgemein eine deutlich größere Ladeakzeptanz sowie eine höhere Kapazität aufweist, als eine herkömmliche Blei-Säure-Batterie.
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Eine besonders vorteilhafte, da kostengünstige und gewichtsreduzierende Ausgestaltung der Erfindung sieht beispielsweise eine elektrische Maschine mit einer Nennausgangsspannung von 12 V, insbesondere zum Beispiel eine Lichtmaschine oder einen Startergenerator, in Kombination mit einer elektrischen 12-Volt-Lithium-Ionen-Batterie als Energiespeicher vor, die ein 12-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs bilden. In dem Fall, in dem die elektrische Maschine als Lichtmaschine oder Startergenerator ausgebildet ist, soll diese in vorteilhafter Weise eine maximale Abgabeleistung liefern, die wenigstens 2000 Watt über der maximalen Abgabeleistung einer herkömmlichen Lichtmaschine bzw. eines im Generatorbetrieb betriebenen Startergenerators liegt, also zum Beispiel wenigstens 5 kW. Da Kraftfahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen gewöhnlich bereits mit einem 12-Volt-Bordnetz zur Versorgung der elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug ausgestattet sind, ist bei dieser Ausgestaltung in vorteilhafter Weise lediglich eine 12-Volt-Lithium-Ionen-Batterie mit ausreichend hoher Ladeakzeptanz und Kapazität vorzusehen sowie eine als Generator betreibbare elektrische Maschine, besonders bevorzugt als Lichtmaschine oder Startergenerator ausgebildet, zur Rekuperation der bei einer Fahrzeugverzögerung entstehenden elektrischen Energie. Somit weist ein derartiges Kraftfahrzeug einen vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Aufbau auf, wobei ein Maximum an kinetischer Fahrzeugenergie rekuperierbar ist.
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Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Maschine im Generatorbetrieb eine Nennausgangsspannung von wenigsten 48 V liefert. Hierdurch lässt sich die elektrische Maschine, beispielsweise eine Lichtmaschine oder ein Startergenerator, unmittelbar mit einem 48-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs koppeln, in das die elektrische Maschine die von ihr erzeugte elektrische Energie einspeisen kann. Ein solches 48-Volt-Bordnetz bildet in diesem Fall vorzugsweise ein zu einem herkömmlichen 12-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs paralleles Energieversorgungsnetz des Kraftfahrzeugs. Diese Ausgestaltung mit einer elektrischen Rekuperation auf einer höheren Spannungsebene als 12 Volt ermöglicht eine noch effizientere Nutzung der bei der Fahrzeugverzögerung erzeugten elektrischen Energie.
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Besonders bevorzugt kann in einem solchen Fall der Energiespeicher als eine elektrische Batterie mit einer Nennspannung von ebenfalls wenigstens 48 V ausgebildet sein, die dann einen Teil des 48-Volt-Bordnetzes des Kraftfahrzeugs bildet. Besonders bevorzugt kann eine solche 48-Volt-Batterie als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein, in welcher die von der elektrischen Maschine während der Fahrzeugverzögerung rekuperierte elektrische Energie hauptsächlich gespeichert wird. Selbstverständlich kann in diesem Fall weiterhin auch eine in einem parallelen 12-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs vorhandene 12-Volt-Batterie durch die rekuperierte elektrische Energie geladen werden, indem die 48-Volt-Nennausgangsspannung der elektrischen Maschine mittels eines entsprechenden Wandlers, zum Beispiel eine Gleichspannungswandlers, auf die 12-Volt-Ebene des 12-Volt-Bordnetzes umgesetzt wird.
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Selbstverständlich sind auch andere Nennausgangsspannungen als die zuvor beschriebene 12-Volt-Nennausgangsspannung bzw. die 48-Volt-Nennausgangsspannung für die elektrische Maschine sowie für die als elektrischen Energiespeicher ausgebildete Batterie denkbar, zum Beispiel 24 Volt oder 110 Volt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht beispielsweise eine elektrische Maschine mit einer Nennausgangsspannung von 48 V, insbesondere zum Beispiel eine Lichtmaschine oder einen Startergenerator, in Kombination mit einer elektrischen 48-Volt-Lithium-Ionen-Batterie als Energiespeicher vor, die ein 48-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs bilden. Parallel zu dem 48-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs weist dieses weiterhin ein herkömmliches 12-Volt-Bordnetz mit einer elektrischen 12-Volt-Batterie, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine herkömmliche Blei-Säure-Batterie, auf. Sowohl das 12-Volt-Bordnetz als auch das 48-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs werden hierbei von der elektrischen Maschine, die besonders bevorzugt als Lichtmaschine oder Startergenerator ausgebildet ist, gespeist, wobei die elektrische Maschine in diesem Fall über einen entsprechenden elektrischen Wandler, insbesondere einen Gleichspannungswandler, an das 12-Volt-Bordnetz gekoppelt ist, um die 48-Volt-Nennausgangsspannung der elektrischen Maschine auf die 12-Volt-Spannungsebene des 12-Volt-Bordnetzes umzusetzen. Mit einem derartigen Aufbau lässt sich eine gegenüber einem Kraftfahrzeug mit nur einem einzigen 12-Volt-Bordnetz noch größere Menge an elektrischer Energie aus der kinetischen Fahrzeugenergie bei einer Fahrzeugverzögerung rekuperieren und im Energiespeicher bzw. den Energiespeichern speichern.
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Zur weiteren effizienten Nutzung der rekuperierten elektrischen Energie und zur Vermeidung unnötiger ohmscher Verluste sieht eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der wenigstens eine Energiespeicher räumlich möglichst nahe an der elektrischen Maschine im Kraftfahrzeug angeordnet ist. Hierdurch lassen sich insbesondere die ohmschen Verluste infolge des Widerstands der zwischen der elektrischen Maschine und dem Energiespeicher zu deren elektrischen Kopplung notwendigen Verkabelung weitestgehend reduzieren.
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Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Energiespeicher als Wärmespeicher mit einem elektrischen Heizgerät ausgebildet ist, wobei das Heizgerät mittels der durch die elektrische Maschine erzeugten elektrischen Energie betreibbar ist und der Wärmespeicher die an ein die Verbrennungskraftmaschine kühlendes Kühlmittel abgegebenen Abwärme der Verbrennungskraftmaschine speichert und die Temperatur eines in dem Wärmespeicher enthaltenen Wärmespeichermediums mittels des elektrischen Heizgeräts über einen mittels der Abwärme erreichbaren Wert hinaus erhöhbar ist und auf einem solchermaßen erhöhten Wert haltbar ist. Hierdurch lässt sich bei der Rekuperation der kinetischen Fahrzeugenergie während einer Fahrzeugverzögerung die von der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie wenigstens teilweise in Wärmeenergie umwandeln und speichern, zum Beispiel wenn der Ladezustand eines oder mehrerer anderer, elektrischen Energiespeicher ausreichend hoch ist und/oder wenn gerade keine hohe elektrische Anforderung durch die elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs gestellt wird.
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Der als Wärmespeicher ausgebildete Energiespeicher ermöglicht es, die im Wärmespeichermedium enthaltene Wärme je nach Umgebungstemperatur mindestens 24 Stunden lang zu halten. Hierdurch lassen sich Einsparungen beim Kraftstoffverbrauch und entsprechend weniger Schadstoffemissionen erzielen. Die während einer Fahrt und/oder bei deren Beendigung im Wärmespeicher gespeicherte Wärme wird dazu genutzt, die Verbrennungskraftmaschine und gegebenenfalls den Antriebsstrang bei erneuter Inbetriebnahme möglichst schnell wieder auf ihre/seine Betriebstemperatur zu bringen, was die Reibungsverluste im Verbrennungsmotor und im Antriebsstrang wesentlich verringert und es erlaubt, ein hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen. Die gespeicherte Wärme kann auch dazu genutzt werden, andere Fahrzeugkomponenten wie zum Beispiel einen als elektrische Batterie ausgebildeten Energiespeicher und/oder den Fahrzeuginnenraum schnell zu erwärmen.
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Bevorzugt kann der als Wärmespeicher ausgebildete Energiespeicher weiterhin einen flexiblen Speicherbehälter mit einem Innenkörper und einem Außenkörper aufweisen, wobei zwischen den beiden Körpern eine Isolation angeordnet ist. Der flexible Aufbau des Wärmespeichers erlaubt eine optimale Anpassung an die jeweiligen Platzverhältnisse im Fahrzeug durch die Wahl der Form des Wärmespeichers.
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Der vorstehend beschriebene, als Wärmespeicher ausgebildete Energiespeicher lässt sich selbstverständlich ebenfalls sowohl mit wenigstens einem elektrischen Energiespeicher kombinieren, zum Beispiel mit einem als 12-Volt-Batterie ausgebildeten elektrischen Energiespeicher und/oder mit einem als 48-Volt-Batterie ausgebildeten elektrischen Energiespeicher. Andere Spannungswerte für die elektrischen Energiespeicher sind selbstverständliche ebenfalls möglich, wie bereits hierin erwähnt wurde.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, wobei das Kraftfahrzeug mit einer für den Fahrzeugantrieb vorgesehenen Verbrennungskraftmaschine, wenigstens einer als Generator betreibbaren, mechanisch mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs drehgekoppelten elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie, wenigstens einem Energiespeicher, der zur Speicherung der von der wenigstens einen elektrischen Maschine erzeugten elektrischen Energie mit dieser verbunden ist, und wenigstens einer Reibungsbremse zum Verzögern des Fahrzeugs ausgestattet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass das Fahrzeug abhängig von einer von einem Benutzer des Fahrzeugs über ein Bremsbetätigungselement vorgegebenen Bremsanforderung bis zu einem maximal durch die generatorische Last der wenigstens einen elektrischen Maschine erzielbaren Verzögerungsmoment alleine mittels der wenigstens einen elektrischen Maschine verzögert wird und die dadurch entstehende elektrische Energie im Energiespeicher gespeichert wird und bei einer über dieses maximal erzielbare Verzögerungsmoment hinausgehenden Bremsanforderung das Fahrzeug zusätzlich auch mittels der wenigstens einen Reibungsbremse des Fahrzeugs verzögert wird.
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Bezüglich der Wirkungen und Vorteile eines derartigen Verfahrens wird an dieser Stelle auf die vorhergehende Beschreibung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs verwiesen, da diese sinngemäß auch auf das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung finden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die während der Fahrzeugverzögerung erzeugte und in dem wenigstens einen Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie durch eine Lichtmaschine oder einen Startergenerator erzeugt.
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Das vorbeschriebene Verfahren kann vorzugsweise durch wenigstens ein Steuergerät, besonders bevorzugt durch wenigstens ein elektronisches Steuergerät des Kraftfahrzeugs ausgeführt werden.
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Eine im Aufbau besonders einfache und damit kostengünstige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kraftfahrzeug alleine durch die Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Die elektrische Maschine, zum Beispiel eine Lichtmaschine oder ein Startergenerator, dient somit lediglich der Rekuperation der kinetischen Fahrzeugenergie während einer Fahrzeugverzögerung und nicht dem Antrieb des Kraftfahrzeugs.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
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1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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2 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs und
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3 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 stellt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 dar. Wie zu erkennen ist, weist das Kraftfahrzeug 1 eine für den Fahrzeugantrieb vorgesehene Verbrennungskraftmaschine 2, beispielsweise einen Otto-, Diesel,- Erdgas- oder LPG-Motor, auf, die in 1 mit vier Zylindern dargestellt ist. Selbstverständlich kann die Verbrennungskraftmaschine 2 auch mehr oder weniger Zylinder aufweisen.
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Des Weiteren weist das in 1 dargestellte Kraftfahrzeug 1 eine als Generator betreibbare, mechanisch mit einem Antriebsstrang des Fahrzeugs 1 drehgekoppelten elektrischen Maschine 3 zur Erzeugung elektrischer Energie auf. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 1 ist die elektrische Maschine 3 eine Lichtmaschine oder ein Startergenerator, die in diesem Beispiel direkt mit der Verbrennungskraftmaschine 2, zum Beispiel mit ihrer Kurbelwelle (nicht dargestellt) oder ihrem Schwungrad (nicht dargestellt), drehgekoppelt ist. Die Drehkopplung zwischen der elektrischen Maschine 3 und einem sich während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 2 drehenden Teils kann über eine reibschlüssige Verbindung, zum Beispiel mittels Reibrädern oder eines Riementriebs mit Keilriemen, oder auch über eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise mittels Zahnrädern oder eines Riementriebs mit Zahnriemen, erfolgen. Bei der dargestellten Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 1 liefert die elektrische Maschine 3 eine Nennausgangsspannung von 12 Volt und eine maximale elektrische Abgabeleistung von wenigstens 5 kW, was in etwa 2000 Watt mehr Abgabeleistung entspricht, als heute übliche Lichtmaschinen oder Startergeneratoren zu liefern vermögen.
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Wie 1 weiter zu entnehmen ist, umfasst das Kraftfahrzeug 1 außerdem einen ersten Energiespeicher 4 und einen zweiten Energiespeicher 5, die beide zur Speicherung der von der elektrischen Maschine 3 im Generatorbetrieb erzeugten elektrischen Energie mit dieser verbunden sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 1 ist der Energiespeicher 4 eine elektrische 12-Volt-Batterie, die in diesem Fall als herkömmliche Blei-Säure-Batterie ausgebildet ist. Der Energiespeicher 4 ist über entsprechende, in 1 angedeutete Verbindungskabel mit der elektrischen Maschine 3 elektrisch verbunden.
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Die Ausführungsform des in 1 dargestellten Kraftfahrzeugs 1 weist ein einziges 12-Volt-Bordnetz zur Versorgung der elektrischen Verbraucher auf.
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Der zweite Energiespeicher 5 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 1 als Wärmespeicher mit einem elektrischen Heizgerät 6 ausgebildet. Das Heizgerät 6 ist mittels der durch die elektrische Maschine 3 erzeugten elektrischen Energie betreibbar und dementsprechend elektrisch mit der elektrischen Maschine 3 über entsprechende elektrische Verbindungskabel verbunden. Der Wärmespeicher 5 ist dazu eingerichtet, die an ein die Verbrennungskraftmaschine 2 kühlendes Kühlmittel abgegebenen Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 2 zu speichern. Außerdem kann mittels des elektrischen Heizgeräts 6 die Temperatur eines in dem Wärmespeicher 5 enthaltenen Wärmespeichermediums über einen mittels der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 2 erreichbaren Wert hinaus erhöht werden und auf einem solchermaßen erhöhten Wert gehalten werden, um so wenigstens einen Teil der von der elektrischen Maschine 3 während einer Fahrzeugverzögerung erzeugten elektrischen Energie in Wärmeenergie umzuwandeln und in dem Wärmespeicher 5 zu speichern.
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Das in 1 dargestellte Kraftfahrzeug 1 weist ferner in an sich bekannter Weise je eine Reibungsbremse (nicht dargestellt) für jedes Rad (ebenfalls nicht dargestellt) zum Verzögern des Fahrzeugs 1 auf.
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In 1 ist weiterhin ein elektronisches Steuergerät 7 zu erkennen, das die elektrische Maschine 3 und die beiden Energiespeicher 4 und 5 sowie die Reibungsbremsen steuert. Hierzu ist mit dem Steuergerät 7 außerdem ein Bremsbetätigungselement 8, in dem hier gezeigten Fall ein Bremspedal, verbunden. Auf diese Weise kann das Steuergerät 7 eine von einem Benutzer des Fahrzeugs 1 über das Bremsbetätigungselement 8 vorgegebene Bremsanforderung erfassen, indem diesem zum Beispiel die augenblickliche Stellung des Bremspedals 8 übermittelt wird.
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Das Steuergerät 7 ist nun dazu eingerichtet, ein Fahrzeugverzögerungsmoment abhängig von der von dem Benutzer des Fahrzeugs 1 über das Bremsbetätigungselement 8 vorgegebenen Bremsanforderung bis zu einem maximal durch die generatorische Last der elektrischen Maschine 3 erzielbaren Verzögerungsmoment alleine mittels der elektrischen Maschine 3 bereitzustellen und die dadurch entstehende elektrische Energie in beiden Energiespeichern 4 und 5 zu speichern und bei einer über dieses maximal erzielbare Verzögerungsmoment hinausgehenden Bremsanforderung das zusätzliche Fahrzeugverzögerungsmoment zusätzlich auch mittels der Reibungsbremsen bereitzustellen. Auf diese Weise ist die gesamte kinetische Energie des Kraftfahrzeugs 1 vor der Verzögerung bzw. wenigstens ein maximaler Anteil dieser durch die im Generatorbetrieb betriebenen elektrischen Maschine 3 rekuperierbar und in den Energiespeichern 4 und 5 speicherbar.
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2 stellt eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 10 dar. Das Kraftfahrzeug 10 weist ähnlich wie das Kraftfahrzeug 1 aus 1 ein 12-Volt-Bordnetz auf, das von der elektrischen Maschine 3 mit einer Nennausgangsspannung von 12 Volt im Generatorbetrieb gespeist wird. Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 10 umfasst jedoch einen Energiespeicher 11, der im Vergleich zur 12-Volt-Blei-Säure-Batterie 4 aus 1 eine deutlich höhere Ladeakzeptanz und eine wesentlich größeren Kapazität aufweist. Der Energiespeicher 11 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als 12-Volt-Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet.
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3 stellt eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 12 dar. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Kraftfahrzeug 12 eine als Generator betreibbare, mechanisch mit dem Antriebsstrang des Fahrzeugs 12, hier der Verbrennungskraftmaschine 2, drehgekoppelte elektrische Maschine 13 zur Erzeugung elektrischer Energie auf. Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die elektrische Maschine 13 bevorzugt als Lichtmaschine oder Startergenerator ausgeführt. Im Unterschied zu den zuvor in den 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispielen liefert die elektrische Maschine 13 jedoch eine Nennausgangsspannung von 48 Volt.
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Wie 3 zu entnehmen ist, weist das Kraftfahrzeug 12 sowohl ein 12-Volt-Bordnetz als auch ein paralleles 48-Volt-Bordnetz auf. Das 12-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs 12 umfasst ferner einen ersten Energiespeicher 14, der als 12-Volt-Batterie, zum Beispiel als Blei-Säure-Batterie, ausgebildet ist. Das 48-Volt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs 12 umfasst hingegen einen zweiten Energiespeicher 15, der als 48-Volt-Batterie, zum Beispiel als Lithium-Ionen-Batterie, ausgebildet ist. Wie in 3 zu erkennen ist, ist die elektrische Maschine 13 sowohl mit dem ersten Energiespeicher 14 als auch mit dem zweiten Energiespeicher 15 elektrisch verbunden. Da die elektrische Maschine 13 jedoch eine Nennausgangsspannung von 48 Volt liefert, ist in die Verbindung zwischen der elektrischen Maschine 13 und der 12-Volt-Batterie 14 ein Gleichspannungswandler 16 eingefügt, der die Nennausgangsspannung der elektrischen Maschine 13 von 48 Volt auf die Nennspannung des 12-Volt-Bordnetzes von 12 Volt umsetzt. Der zweite Energiespeicher 15 (48-Volt-Batterie) kann hingegen direkt von der elektrischen Maschine 13 gespeist werden.
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Wenn eines der in den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Kraftfahrzeuge 1, 10 oder 12 über eine Eingabe durch einen Benutzer des Kraftfahrzeugs 1, 10 bzw. 12 am Bremsbetätigungselement 8 abgebremst, das heißt verzögert, werden soll, wird das Steuergerät 7 zunächst überprüfen, ob die vorgegebene Bremsanforderung alleine durch die generatorische Last der während des Verzögerungsvorgangs im Generatorbetrieb betriebenen elektrischen Maschine 3 bzw. 13 erfüllt werden kann. In diesem Fall steuert das Steuergerät 7 die elektrische Maschine 3 bzw. 13 derart, dass diese das Fahrzeug 1, 10 bzw. 12 alleine durch ihre generatorische Last verzögert. Die hierbei von der elektrischen Maschine 3 bzw. 13 erzeugte elektrische Energie wird in den Energiespeichern 4 und 5 bzw. 11 bzw. 14 und 15 gespeichert, wobei eine Aufteilung des jeweiligen Speicheranteils in den unterschiedlichen Energiespeichern 4 und 5 bzw. 11 bzw. 14 und 15 abhängig von zum Beispiel dem augenblicklichen Ladezustand jedes Energiespeichers 4 und 5 bzw. 11 bzw. 14 und 15 und seiner Kapazität ebenfalls durch das Steuergerät 7 entsprechend gesteuert wird. Die Reibungsbremsen kommen in diesem Fall nicht zum Einsatz.
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Übersteigt die vorgegebene Bremsanforderung das maximal durch die generatorische Last der elektrischen Maschine 3 bzw. 13 erzielbare Verzögerungsmoment, steuert das Steuergerät 7 ebenso die Reibungsbremsen des Kraftfahrzeugs 1, 10 bzw. 12 derart an, dass diese zusätzlich zur generatorischen Last der elektrischen Maschine 3 bzw. 13 zur Verzögerung des Kraftfahrzeugs 1, 10 bzw. 12 herangezogen werden, so dass die vorgegebene Bremsanforderung durch die Summe der Verzögerungsmomente der im Generatorbetrieb betriebenen elektrischen Maschine 3 bzw. 13 sowie der Reibungsbremsen erfüllt wird.
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Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie das erfindungsgemäße Verfahren zu dessen Betrieb sind nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen.
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Es ist beispielsweise nicht erforderlich, die elektrische Maschine unmittelbar mit der Verbrennungskraftmaschine drehzukoppeln, wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigt ist, sondern sie kann auch mit anderen sich während der Fahrzeugbewegung drehenden Teilen des Antriebsstrangs drehgekoppelt werden. So kann die elektrische Maschine in besonders vorteilhafter Weise beispielsweise auch direkt mit einem Fahrzeuggetriebe drehgekoppelt sein. Hierdurch lässt sich der Wirkungsgrad der rekuperierten elektrischen Energie beim Verzögern des Fahrzeugs noch weiter steigern, indem die Verbrennungskraftmaschine während der Fahrzeugverzögerung von dem Getriebe entkoppelt wird und somit keine Arbeit zur Überwindung des Schleppmoments der Verbrennungskraftmaschine aufgebracht werden muss.
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Außerdem sind auch andere Kombinationen von zwei, drei oder noch mehr Energiespeichern zur Speicherung der von der elektrischen Maschine bei der Fahrzeugverzögerung erzeugten elektrischen Energie denkbar, als in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen gezeigt ist. So kann zum Beispiel eine herkömmliche 12-Volt-Batterie, zum Beispiel eine Blei-Säure- oder eine Lithium-Ionen-Batterie, als ein erster Energiespeicher, die Teil eines 12-Volt-Bordnetzes des Kraftfahrzeugs ist, mit einem wie hierin beschriebenen Wärmespeicher als einem zweiten Energiespeicher und einer 48-Volt-Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, als dritten Energiespeicher, die Teil eines zum 12-Volt-Bordnetz parallelen 48-Volt-Bordnetzes des Kraftfahrzeugs ist, kombiniert werden. Ebenso sind andere Technologien der als Energiespeicher verwendeten Batterien als zum Beispiel Blei-Säure-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien möglich.
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Auch ist ein oder sind mehrere elektrische Kondensatoren bzw. Superkondensatoren als Energiespeicher denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Verbrennungskraftmaschine
- 3
- Elektrische Maschine
- 4
- Erster Energiespeicher, 12-Volt-Blei-Säure-Batterie
- 5
- Zweiter Energiespeicher, Wärmespeicher
- 6
- Elektrisches Heizgerät
- 7
- Steuergerät
- 8
- Bremsbetätigungselement
- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Energiespeicher, 12-Volt-Lithium-Ionen-Batterie
- 12
- Kraftfahrzeug
- 13
- Elektrische Maschine
- 14
- Erster Energiespeicher, 12-Volt-Blei-Säure-Batterie
- 15
- Zweiter Energiespeicher, 48-Volt-Lithium-Ionen-Batterie
- 16
- Gleichspannungswandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5125469 A [0004]
- US 8392030 B2 [0005]
- US 2014/0305260 A1 [0006]
- WO 2008/000982 A2 [0007]
- US 7336002 B2 [0008]
- US 2013/0141231 A1 [0009]
- US 2014/0012476 A1 [0010]
- US 2012/0022732 A1 [0011]
- DE 4102929 A1 [0012]
- DE 4140650 A1 [0013]
- DE 102014213674 A1 [0014]
- DE 102012204988 A1 [0015]
