DE112016001163T5

DE112016001163T5 - Schnelllaufender fahrmotor für ein fahrzeug mit auch einem nach dem offenen brayton-kreisprozess arbeitenden zusatz-hilfsantrieb und range-extender

Info

Publication number: DE112016001163T5
Application number: DE112016001163.6T
Authority: DE
Inventors: Brock Fraser; Philip J. Mott
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-11-23
Also published as: US20160263985A1; WO2016145332A1; CN107405989A; US9505298B2

Abstract

Ein Fahrzeugantriebssystem (1) für ein Fahrzeug umfasst einen Elektromotor (12) und eine Gasturbinenanordnung (28). Der Elektromotor (12) umfasst einen mit einer Antriebswelle (14) gekoppelten Rotor (16). Die Gasturbinenanordnung (28) umfasst eine Turbine (30) mit einem auf der Antriebswelle (14) angebrachten Turbinenrad (34), einen Brenner (70), der Kraftstoff verbrennt und Abgas zum Antreiben des Turbinenrades (34) bereitstellt, und einen Verdichter (50), der dem Brenner (70) verdichtete Luft bereitstellt. Die Gasturbinenanordnung (28) ist mit der Antriebswelle (14) des Elektromotors (12) gekoppelt. Das Antriebssystem (1) umfasst auch eine Getriebeeinheit (90), welche die Antriebswelle (14) als Eingangswelle aufweist, eine mit dem Fahrzeugrädern (100) verbundene Abtriebswelle (94) aufweist, und Leistung aus einem vom Elektromotor (12) oder der Gasturbinenanordnung (28) an die Räder (100) überträgt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen Personenkraftwagen und/oder ein Nutzfahrzeug, wobei das Antriebssystem einen Elektromotor/Generator und eine zur Unterstützung des Elektromotor/Generators oder als alternative Leistungsquelle zu diesem verwendete Gasturbinenanordnung umfasst.
HINTERGRUND
Personenkraftwagen- und Nutzfahrzeughersteller wenden sich als Weg zur Erfüllung immer strengerer Emissionsstandards, wie etwa den Anforderungen der Corporate Average Fuel Economy(CAFE)-Gesetzgebung, Hybridfahrzeugen zu. Hybridfahrzeuge verwenden zwei oder mehr Leistungsquellen, um den Fahrzeugvortrieb zu realisieren. Zwar werden Hybridfahrzeuge meistens mit einem Elektromotor in Kombination mit einem Verbrennungsmotor in Verbindung gebracht, sie sind jedoch nicht auf diese speziellen Leistungsquellen beschränkt. Neben reduzierten Emissionen bieten Hybridfahrzeuge einen verbesserten Kraftstoffverbrauch gegenüber konventionellen Nicht-Hybridfahrzeugen.
Trotz der klaren Vorteile der Verwendung von Hybridfahrzeugen sind diese jedoch teuer in der Fertigung und die Fahrzeugreichweiten sind durch die heutigen Batterietechnologien noch beschränkt. Aus diesen Gründen wird ein verbessertes Fahrzeugantriebssystem benötigt, das diese Probleme lösen kann.
KURZDARSTELLUNG
In einigen Aspekten umfasst ein Fahrzeugantriebssystem zum Antreiben eines oder mehrerer Räder eines Fahrzeugs einen Elektromotor, der in Wirkverbindung direkt mit einer Welle gekoppelt ist, um das Rad anzutreiben; und eine Gasturbinenanordnung, die eine Turbine, einen Verdichter, einen Brenner und einen Rekuperator umfasst. Die Gasturbinenanordnung ist unabhängig vom Elektromotor direkt mit der Welle gekoppelt, um das Rad anzutreiben. Das Fahrzeugantriebssystem umfasst auch eine Getriebeeinheit. Die Getriebeeinheit ist in Wirkverbindung zwischen die Welle und das Rad des Fahrzeugs gekoppelt, um Leistung aus einem vom Elektromotor oder der Gasturbinenanordnung zum Rad zu übertragen.
In einigen Aspekten umfasst ein Fahrzeugantriebssystem zum Antreiben eines Rades eines Fahrzeugs eine Antriebswelle; einen Elektromotor mit einem mit der Antriebswelle gekoppelten Rotor und einem den Rotor aufnehmenden Stator; und eine Gasturbinenanordnung. Die Gasturbinenanordnung umfasst eine Turbine mit einem auf der Antriebswelle angebrachten Turbinenrad, einen Brenner, der Kraftstoff verbrennt und Abgas zum Antreiben des Turbinenrades bereitstellt, und einen Verdichter, der dem Brenner verdichtete Luft bereitstellt. Der Verdichter umfasst ein auf der Antriebswelle angebrachtes Verdichterrad. Die Gasturbinenanordnung ist unabhängig vom Elektromotor mit der Antriebswelle gekoppelt. Das Fahrzeugantriebssystem umfasst auch eine Getriebeeinheit, die die Antriebswelle als Eingangswelle aufweist, und umfasst eine mit dem Rad verbundene Abtriebswelle. Die Getriebeeinheit überträgt Leistung aus dem Elektromotor oder der Gasturbinenanordnung an das Rad.
Das Fahrzeugantriebssystem kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen: Der Elektromotor ist ein schnelllaufender Elektromotor, wobei schnelllaufend als Fähigkeit definiert wird, mit Drehzahlen in einem Bereich von 50.000 bis 150.000 Umdrehungen pro Minute zu arbeiten. Die Gasturbinenanordnung umfasst ferner einen im Fluidweg zwischen einem Auslass des Verdichters und einem Einlass des Brenners angeordneten Rekuperator, wobei der Rekuperator ausgelegt ist, das Abgas, das aus der Turbine ausgetragen wird, zu verwenden, um die verdichtete Luft zu erwärmen. Die Getriebeeinheit ist ausgelegt, eine Abtriebswellendrehzahl bereitzustellen, die niedriger ist als die der Antriebswelle. Die Getriebeeinheit stellt eine Drehzahluntersetzung zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle in einem Bereich von 30:1 bis 100:1 bereit. Die Getriebeeinheit ist eine Getriebevorrichtung mit festem Drehzahlverhältnis. Die Getriebeeinheit umfasst einen Planetenradsatz. Das Fahrzeugantriebssystem umfasst ferner eine mit dem Elektromotor über einen Wechselrichter verbundene Batterie. Das Fahrzeugantriebssystem umfasst ferner eine bidirektionale Steuerungseinheit, die ausgelegt ist, eine Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und eine Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom über einen Wechselrichter zu gestatten. Das Fahrzeugantriebssystem umfasst ferner eine mit dem Elektromotor und der Gasturbinenanordnung verbundene Steuerungseinheit, und die Steuerungseinheit ist ausgelegt, den Elektromotor und die Gasturbinenanordnung so zu steuern oder regeln, dass diese dem Rad Leistung bereitstellen, in einem ersten Modus, in welchem der Elektromotor betrieben wird, um dem Fahrzeug Vortrieb zu liefern, und die Gasturbinenanordnung nicht betrieben wird; einem zweiten Modus, in welchem der Elektromotor betrieben wird, um dem Fahrzeug Vortrieb zu liefern, und die Gasturbinenanordnung betrieben wird, um zusätzliche Vortriebskraft zu der vom Elektromotor bereitgestellten bereitzustellen; und einem dritten Modus, in welchem der Elektromotor nicht zum Fahrzeugvortrieb beiträgt und die Gasturbinenanordnung betrieben wird, um dem Fahrzeug Vortrieb zu liefern. Wenn das Fahrzeugantriebssystem im dritten Modus betrieben wird, arbeitet der Elektromotor als Generator und führt einer Batterie Energie zu. Der Rotor ist auf der Antriebswelle zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordnet. Das Verdichterrad ist auf der Antriebswelle zwischen dem Turbinenrad und dem Rotor angeordnet. Im Betrieb der Gasturbinenanordnung durchläuft die Gasturbinenanordnung offene thermodynamische Brayton-Kreisprozesse, bei welchen die Ausdehnung von erhitztem Gas aus dem Brenner innerhalb der Turbine zu einer Drehung der Antriebswelle führt, was wiederum zu einer Drehung des Rades führt.
Ein Fahrzeug umfasst ein Fahrzeugantriebssystem mit einem Elektromotor und einer nach einem offenen Brayton-Kreisprozess arbeitenden Gasturbinenanordnung. Der Elektromotor umfasst einen mit einer Antriebswelle des Systems gekoppelten Rotor. Die Gasturbinenanordnung umfasst eine Turbine mit einem auf der Antriebswelle angebrachten Turbinenrad, einen Brenner, der Kraftstoff verbrennt und Abgas zum Antreiben des Turbinenrades bereitstellt, und einen Verdichter, der dem Brenner verdichtete Luft bereitstellt. Die Gasturbinenanordnung ist mit der Antriebswelle des Elektromotors gekoppelt. Das Antriebssystem umfasst auch eine Getriebeeinheit, die die Antriebswelle als Eingangswelle aufweist, und weist eine mit den Fahrzeugrädern verbundene Abtriebswelle auf. Die Getriebeeinheit überträgt Leistung aus einem vom Elektromotor oder der Turbine an das Rad.
Das Fahrzeug welches das Fahrzeugantriebssystem umfasst, realisiert typischerweise eine höhere Kraftstoffeinsparung und erzeugt geringere Emissionen als konventionelle, verbrennungsmotorgetriebene Fahrzeuge. Das Fahrzeug welches das Fahrzeugantriebssystem umfasst, kann kostengünstiger hergestellt und betrieben werden als manche konventionellen Fahrzeuge, wie weiter unten ausgeführt wird.
In dem hier offenbarten Fahrzeugantriebssystem sind der Rotor des Elektromotors und das Turbinenrad der Gasturbinenanordnung direkt auf einer einzelnen Antriebswelle angebracht, und die Antriebswelle wird dazu verwendet, Leistung aus einem oder beiden vom Elektromotor oder der Gasturbinenanordnung an das Fahrzeugrad zu übertragen. Durch diese Auslegung können die Leistungserzeugungsanlage und der Antriebsstrang kompakter gestaltet werden. Zusätzlich wird der Antriebsstrang gegenüber manchen konventionellen Fahrzeugantriebssystemen vereinfacht, bei denen wenigstens eine der Kraftquellen indirekt mit einer Antriebswelle gekoppelt ist, und die eine Reihe von Kupplungen verwenden, um die Leistungsquellen jeweils mit der Antriebswelle zu verbinden.
Das hier offenbarte Fahrzeugantriebssystem stützt sich vorteilhafterweise während des normalen Fahrbetriebs ausschließlich auf den Elektromotor, und stützt sich für den Spitzenleistungsbedarf sowohl auf den Elektromotor als auch die Gasturbinenanordnung, so dass der Elektromotor mit relativ kleinen Abmessungen gestaltet werden kann, zum Beispiel indem er für eine durchschnittliche Nutzung anstatt für eine Nutzung bei Spitzenleistung ausgelegt wird. Der relativ kleine Elektromotor kann weniger innere Verluste und ein geringeres Gewicht aufweisen, und kostengünstiger in der Herstellung sein, als ein in dieser Anwendung eingesetzter konventioneller Elektromotor.
Der Elektromotor ist ein schnelllaufender Motor, der mit Drehzahlen von wenigstens 50.000 Umdrehungen pro Minute arbeitet. Durch die Verwendung eines schnelllaufenden Motors kann die Motorgröße, einschließlich die Menge an Wicklungsmaterial, Magnetmaterial und Gehäusematerial, gegenüber denen mancher konventioneller Elektromotoren, die dazu verwendet werden, Elektrofahrzeugen oder Hybridelektrofahrzeugen Vortrieb zu liefern, reduziert werden. Solche konventionellen Elektromotoren arbeiten typischerweise in einem Drehzahlbereich von 10.000 bis 15.000 Umdrehungen pro Minute. Der schnelllaufende Motor weist somit gegenüber manchen konventionellen in Fahrzeugen eingesetzten Elektromotoren ein geringeres Gewicht und geringere Kosten auf. Der schnelllaufende Motor weist zwar ein relativ niedrigeres Drehmoment auf als manche konventionellen Motoren, weist jedoch, weil schneller laufend, mehr als ausreichend Leistung für ein Fahrzeug auf, um bei niedrigeren bis mittleren Dauerdrehzahlen zu fahren. Diese Merkmale machen das Fahrzeugantriebssystem besonders effizient für den Kurzstrecken-Pendelverkehr oder für den Einsatz im Stadtverkehr mit häufigen Stopps, Fahrten mit niedriger konstanter Geschwindigkeit und Leerlaufphasen. Ferner werden auch vorteilhaft die Geräuschemissionen reduziert, insbesondere im Leerlauf und bei niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten, im Vergleich zu manchen Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren.
Dadurch, dass der schnelllaufende Elektromotor mit der nach dem offenen Brayton-Kreisprozess arbeitenden Gasturbinenanordnung kombiniert wird, kann die Gasturbinenanordnung bei Beschleunigungsphasen oder Fahrten mit hoher Geschwindigkeit Zusatzenergie bereitstellen.
Die nach dem offenen Brayton-Kreisprozess arbeitende Gasturbinenanordnung kann auch unabhängig vom Elektromotor betrieben werden, zum Beispiel als Range-Extender bei niedrigem Batteriestand oder erschöpfter Batterie.
In einigen Ausführungsformen kann die nach dem offenen Brayton-Kreisprozess arbeitende Gasturbinenanordnung mit komprimiertem Erdgas (CNG) befeuert werden, das relativ kostengünstig ist und gegenüber manchen konventionellen kohlenstoffstämmigen Kraftstoffen sauber verbrennt.
Das Fahrzeugantriebssystem umfasst eine Batterie, die dem Elektromotor Strom zuführt. Die Batterie ist in der Lage, zurückgewonnene Energie über regeneratives Bremsen zu speichern und wiederzuverwenden, was insbesondere im für städtische Fahrbedingungen typischen Stop-and-go-Verkehr vorteilhaft sein kann. Die regenerative Bremskomponente nimmt beim Bremsen erhebliche Mengen an Energie auf, die normalerweise als Abwärme vergeudet wird und reduziert die Fahrzeuggeschwindigkeit, indem sie, in Abhängigkeit von der Nennleistung des Motor/Generators, einen Teil ihrer kinetischen Energie in Elektrizität umwandelt.
Andere Aufgaben und Zwecke der Erfindung und Variationen davon werden sich beim Lesen der folgenden Beschreibung und der Betrachtung der angefügten Zeichnungen ergeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eines Fahrzeugantriebssystems für ein Fahrzeug einen Elektroantrieb-Betriebsmodus und hebt dabei einen Elektroantriebsteil des Antriebssystems hervor.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung des Fahrzeugantriebssystems für ein Fahrzeug einen Elektroantrieb mit Gasturbinenanordnungshilfsanstrieb-Betriebsmodus und hebt dabei sowohl den Elektroantriebsteil als auch einen Gasturbinenanordnungsantriebsteil des Antriebssystems hervor.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung des Fahrzeugantriebssystems für ein Fahrzeug einen Gasturbinenantrieb-Betriebsmodus und hebt dabei den Gasturbinenantriebsteil des Antriebssystems hervor.
4 ist eine Seitenschnittansicht einer Antriebswellengestaltung, die ein auf der Antriebswelle angebrachtes Turbinenrad und Verdichterrad umfasst, wobei der Rotor des Elektromotors auf der Antriebswelle an einer Stelle zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angebracht ist. Das Turbinengehäuse und das Verdichtergehäuse sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
5 ist eine Seitenschnittansicht einer alternativen Antriebswellengestaltung, die ein bzw. einen auf der Antriebswelle angebrachtes Turbinenrad, Verdichterrad und Rotor des Elektromotors umfasst, wobei das Verdichterrad auf der Antriebswelle an einer Stelle zwischen dem Turbinenrad und dem Rotor angebracht ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie in 1–3 gezeigt, weist ein Fahrzeugantriebssystem 1 für einen Personenkraftwagen und/oder ein Nutzfahrzeug einen Elektromotor 12 und eine nach dem offenen Brayton-Kreisprozess arbeitende Gasturbinenanordnung 28 auf. Der Elektromotor 12 und die Gasturbinenanordnung 28 treiben das Fahrzeug, je nach Fahrsituation, einzeln oder zusammen an. Zum Beispiel ist der Elektromotor 12 ein schnelllaufender Elektromotor, der als Vortriebsquelle für den größten Teil der Fahrzeugbetriebsbedingungen dient und sich besonders für Stadtfahrten und Fahrten mit niedrigen konstanten Geschwindigkeiten eignet. Die Gasturbinenanordnung 28 umfasst einen brennstoffgefeuerten Brenner 70, der verdichtete Luft aus einem Verdichter 50 empfängt und einer Turbine 30 heißes Abgas bereitstellt, und nur dann verwendet wird, um den Elektromotor 12 zu unterstützen, wenn zusätzliche Leistung erforderlich ist, wie etwa beim Beschleunigen oder bei einer steilen Bergauffahrt. Die Gasturbinenanordnung 28 kann statt des Elektromotors 12 bei niedrigem Batteriestand oder erschöpfter Batterie als Range-Extender verwendet werden. Wie nachfolgend im Einzelnen ausgeführt wird, sind im Fahrzeugantriebssystem 1 der Elektromotor 12 und die Gasturbinenanordnung 28 beide direkt mit derselben Antriebswelle 14 gekoppelt, um Leistung aus dem Elektromotor 12 oder der Gasturbinenanordnung 28 an das Rad 100 zu übertragen.
Wie in 1 gezeigt, wird ein Elektroantriebsteil 2 des Antriebssystems 1 für den Fahrzeugvortrieb im normalen Fahrbetrieb (z. B. bei Fahrten mit konstanter Geschwindigkeit) und bei der Fahrzeugverzögerung verwendet. Der Elektroantriebsteil 2 des Antriebssystems 1 umfasst den schnelllaufenden Elektromotor 12, eine Batterie 62 und eine Wechselrichter/Steuerungseinheit 64, die die Gleichstromenergie aus der Batterie 62 empfängt, diese in Wechselstrom umwandelt und dem Elektromotor 12 zuführt. Außerdem umfasst der Elektroantriebsteil 2 des Antriebssystems 1 eine Getriebeeinheit 90, die über eine Abtriebswelle 94 mit dem Rad 100 verbunden ist.
Der Elektromotor 12 ist entweder als Motor oder als Generator betreibbar und ist ein schnelllaufender Wechselstrom-Induktionsmotor, der mit Drehzahlen von wenigstens 50.000 Umdrehungen pro Minute arbeitet und ungefähr 20 kW–30 kW an Leistung erzeugt. In einigen Ausführungsformen zum Beispiel arbeitet der Elektromotor mit Drehzahlen in einem Bereich von 50.000 bis 150.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr. Der Elektromotor 12 umfasst einen Rotor 16, der direkt mit einer Antriebswelle 14 gekoppelt ist, und einen Stator 18, der den Rotor 16 aufnimmt und umschließt.
Die Batterie 62 führt dem Elektromotor 12 Leistung zu und kann ein oder mehrere konventionelle wiederaufladbare Elektrofahrzeugbatterien umfassen. Zum Beispiel kann die Batterie 62 eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie (Ni-MH-Batterie), eine Blei-Säure-Batterie, ein Superkondensator oder eine andere geeignete Leistungsquelle sein. Die Batterie 62 kann im eingebauten Zustand wiederaufgeladen werden. Zum Beispiel kann, wenn das Fahrzeug nicht in Gebrauch ist, die Batterie über ein externes Ladegerät wiederaufgeladen werden, und wenn das Fahrzeug in Gebrauch ist, kann die Batterie über vom Motor/Generator 12 oder durch regeneratives Bremsen erzeugte Leistung wiederaufgeladen werden. In einigen Ausführungsformen kann die Batterie 62 ausgelegt sein, austauschbar zu sein, so dass wenn die Batterie 62 erschöpft ist, sie leicht ausgebaut und gegen eine vollständig aufgeladene Austauschbatterie 62 ausgetauscht werden kann. Leistung/Energie wird zwischen der Batterie 62 und dem Elektromotor 12 über die Wechselrichter/Steuerungseinheit 64 übertragen.
Die Wechselrichter/Steuerungseinheit 64 ist eine einzelne integrierte Einheit, die einen Wechselrichter 65, eine Steuerungseinheit 66 und einen Wandler 67 umfasst. Der Wechselrichter 65 wandelt aus der Batterie 62 zugeführten Hochspannungsgleichstrom in den mehrphasigen Wechselstrom um, der erforderlich ist, um den Elektromotor 12 anzutreiben, und wandelt auch Wechselstrom aus dem Elektromotor 12 in Gleichstrom um, um die Fahrzeugbatterie 62 zu laden. Die Steuerungseinheit 66 steuert oder regelt den Fahrzeugvortrieb, indem sie die Energiespeicherung und Vortriebsquellen koordiniert, einschließlich Steuern oder Regeln des Betriebsmodus des Antriebssystems, wie weiter unten ausgeführt wird. Außerdem wirkt die Steuerungseinheit 66 als Kommunikationsschnittstelle zum Fahrzeug und zum Elektroantriebsteil 2 des Antriebssystems 1 und wirkt als Gateway zwischen Kommunikationsbussen. Die Steuerungseinheit 66 ist bidirektional, indem sie den Fluss von Leistung aus der Batterie 62 zum Elektromotor 12 über den Wechselrichter 65 gestattet, und auch den Fluss von Energie aus dem Elektromotor 12 zur Batterie 62 über den Wechselrichter 65 gestattet. Der Wandler 67 ist ein Gleichspannungswandler, der Gleichspannungen erzeugt, um Nebenfunktionen des Fahrzeugs wie Nebenaggregate, HLK-System und Hilfskraftlenkung zu speisen.
Wenn der Elektromotor 12 von der Batterie 62 und dem Wechselrichter 65 gespeist wird, führt die Drehung des Rotors 16 zu einer Drehung der Antriebswelle 14. Wegen der sehr hohen Drehzahl der Antriebswelle 14 (z. B. in einem Bereich von 50.000 bis 150.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr) ist die Getriebeeinheit 90 zwischen dem Elektromotor 12 und dem Rad 100 angeordnet. Die Getriebeeinheit 90 umfasst einen Untersetzungszahnradsatz 96, der die Antriebswelle 14 als Eingangswelle aufweist, und umfasst eine Abtriebswelle 94, die das Rad 100 direkt antreibt und die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt. Zum Beispiel stellt in einigen Ausführungsformen die Getriebeeinheit 90 ein festes Drehzahluntersetzungsverhältnis zwischen der Antriebswelle 14 und der Abtriebswelle 94 in einem Bereich von 30:1 bis 100:1 bereit. In einigen Ausführungsformen stellt die Getriebeeinheit 90 ein festes Drehzahluntersetzungsverhältnis von 50:1 bereit. In der dargestellten Ausführungsform ist der Untersetzungszahnradsatz 96 zwar ein Planetenradsatz, die Getriebeeinheit 90 ist jedoch für die Bereitstellung der gewünschten Drehzahlreduzierung zwischen der Antriebswelle 14 und der Abtriebswelle 94 nicht auf die Verwendung von Planetenrädern beschränkt.
Da der Elektroantriebsteil 2 des Antriebssystems 1 für den Fahrzeugvortrieb im normalen Fahrbetrieb (z. B. bei Fahrten mit konstanter Geschwindigkeit) und bei der Fahrzeugverzögerung verwendet wird, wird ein Gasturbinenantriebsteil 4 (unten beschrieben) des Antriebssystems 1 während eines solchen Fahrbetriebs nicht verwendet.
Unter Bedingungen, die eine hohe Leistungsabgabe erfordern, wie bei einer Fahrzeugbeschleunigung oder einer steilen Bergauffahrt, kann es jedoch sein, dass der Elektroantriebsteil 2 nicht immer ausreichend Leistung bereitstellt um die Anforderung zu erfüllen. Unter solchen Bedingungen wird der Gasturbinenantriebsteil 4 des Antriebssystems 1 zusammen mit dem Elektroantriebsteil 2 verwendet, um den Elektroantriebsteil 2 dabei zu unterstützen, die Leistungsanforderungen zu erfüllen.
Wie in 2 gezeigt, werden beim Elektroantrieb mit Gasturbinenhilfsanstriebsbetriebsmodus sowohl der Elektroantriebsteil 2 als auch der Gasturbinenantriebsteil 4 des Antriebssystems 1 verwendet. Der Gasturbinenantriebsteil 4 des Antriebssystems 1 umfasst die nach dem offenen Brayton-Kreisprozess arbeitende Gasturbinenanordnung 28, die Getriebeeinheit 90 und die Räder 100.
Die nach dem offenen Brayton-Kreisprozess arbeitende Gasturbinenanordnung 28 umfasst eine Turbine 30, einen Brenner 70, der Kraftstoff verbrennt und heißes Abgas an die Turbine 30 austrägt, einen Verdichter 50, der dem Brenner 70 verdichtete Luft bereitstellt, und einen im Luftkanal zwischen dem Verdichter 50 und dem Brenner 70 angeordneten Rekuperator 80, und erwärmt die an den Brenner 70 abgegebene verdichtete Luft.
Die Turbine 30 umfasst ein in einem Turbinengehäuse 32 angeordnetes Turbinenrad 34, das Abgas aus dem Brenner 70 empfängt. Das Turbinenrad 34 ist auf der Antriebswelle 14 festgelegt. In einigen Ausführungsformen ist das Turbinenrad 34 an einem dem als Eingangswelle der Getriebeeinheit 90 dienenden Ende entgegengesetzten Ende der Antriebswelle 14 festgelegt. Wenn Abgas innerhalb des Turbinengehäuses 32 entspannt wird, indem es über das Turbinenrad 34 geleitet wird, bewirkt das Turbinenrad 34 eine Drehung der Antriebswelle 14. Nach der Ausdehnung innerhalb des Turbinengehäuses 32 wird das Abgas aus einem Abgasauslass 36 (5) ausgetragen und zu einem Abgaseinlass 86 des Rekuperators 80 geleitet.
Der Brenner 70 umfasst wenigstens eine Brennkammer, die Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratstank 78 und erwärmte verdichtete Luft aus dem Rekuperator 80 empfängt und mischt. Eine Zündquelle innerhalb der Brennkammer zündet das Kraftstoff/Luft-Gemisch, wobei der Brenner 70 Energie erzeugt und ein Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsabgas produziert. Das Abgas wird aus dem Brenner 70 ausgetragen und zu einem Abgaseinlass des Turbinengehäuses 32 geleitet.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Brenner 70 ausgelegt, komprimiertes Erdgas (CNG) zu empfangen, das im Kraftstoffvorratstank 78 im Fahrzeug gespeichert und über eine Kraftstoffzuflussleitung 79 an den Brenner 70 abgegeben wird. Die Kraftstoffabgabe an den Brenner 70 wird durch die Steuerungseinheit 66 der Wechselrichter/Steuerungseinheit 64 geregelt. Zwar ist die Verwendung von CNG als Kraftstoff aufgrund seiner niedrigen Kosten und relativ sauberen Verbrennungseigenschaften vorteilhaft, der Brenner ist jedoch nicht auf die Verbrennung dieses Kraftstofftyps beschränkt. Alternative Kraftstoffe, die verwendet werden können, umfassen Jet Fuel, Kerosin oder Dieselkraftstoff.
Der Verdichter 50 umfasst ein in einem Verdichtergehäuse 52 angeordnetes Verdichterrad 54. Das Verdichterrad 54 ist auf der Antriebswelle 14 angebracht und wird durch die Drehung des Turbinenrades 34 angetrieben. Durch die Drehung des Verdichterrades 54 wird Frischluft durch einen Lufteinlass 58 (in 5 gezeigt) angesaugt und durch das Verdichtergehäuse geleitet, und verdichtete Luft ausgetragen. Die ausgetragene verdichtete Luft wird zu einem Lufteinlass 82 des Rekuperators 80 geleitet.
Der Rekuperator 80 ist ein Wärmetauscher, der ausgelegt ist, die aus der Turbine 30 ausgetragene Abwärme zurückzugewinnen und die zurückgewonnene Abwärme dazu zu verwenden, die vom Verdichter 50 zugeführte verdichtete Luft vorzuwärmen. Der Rekuperator 80 ist im Luftkanal zwischen dem Verdichter 50 und dem Brenner 70 angeordnet. In einigen Ausführungsformen kann der Rekuperator 80 ein Plattenwärmetauscher sein, ist jedoch nicht auf diesen Wärmetauschertyp beschränkt. Durch das Vorwärmen der verdichteten Luft vor der Abgabe an den Brenner 70 wird die Menge an benötigtem Kraftstoff reduziert und der Wirkungsgrad der Gasturbinenanordnung 28 erhöht.
Der Rekuperator 80 umfasst einen Lufteinlass 82, der die aus dem Verdichter 50 mit Umgebungstemperatur ausgetragene verdichtete Luft empfängt, und einen Luftauslass 84, der verdichtete erwärmte Luft austrägt, die an den Brenner 70 abgegeben wird. Der Rekuperator 80 umfasst einen Abgaseinlass 86, der aus dem Auslass 36 der Turbine 30 ausgetragenes heißes Abgas empfängt, und einen Abgasauslass 88, der relativ kühleres Abgas an die Umgebung austrägt. In einigen Ausführungsformen kann das ausgetragene Gas in einer Vorrichtung zur Schadstoffbegrenzung 102 wie einem Katalysator oder einer sonstigen für den verbrannten Kraftstoff geeigneten Vorrichtung behandelt werden, bevor es in die Umwelt freigesetzt wird.
Die Turbine 30, der Brenner 70, der Verdichter 50 und der Rekuperator 80 bilden die nach dem offenen Brayton-Kreisprozess arbeitende Gasturbinenanordnung 28 aus. In der dargestellten Ausgestaltung erzeugt die Gasturbinenanordnung erwartungsgemäß 100 kW oder mehr an Wellenleistung. Ein Teil dieser Leistung wird vom Verdichter 50 verbraucht, die verbleibende Leistung wird an das Antriebsrad 100 abgegeben. In einigen Ausführungsformen können bis zu 70 Prozent der von der Gasturbinenanordnung erzeugten Leistung vom Verdichter verbraucht werden, so dass etwa 30 Prozent zum Antriebsrad 100 geleitet werden können. Trotz der Verluste an den Verdichter 50, entsprechen die ungefähr 30 kW an von der Gasturbinenanordnung 28 erzeugten Leistung jedoch grob der vom Elektromotor 12 erzeugten Leistung.
Wie in 3 gezeigt, kann unter manchen Betriebsbedingungen der Gasturbinenantriebsteil 4 des Antriebssystems 1 als alleinige Vortriebsquelle verwendet werden. Es ist für das Antriebssystem 1 vorgesehen, dass die Verwendung des Gasturbinenantriebsteils 4 als alleinige Vortriebsquelle nur sparsam eingesetzt wird. Zum Beispiel kann der Gasturbinenantriebsteil 4 der alleinige Leistungsversorger sein, wenn die Batterie beinahe oder vollständig erschöpft ist, und somit als Range-Extender dienen.
Wenn der Gasturbinenantriebsteil 4 des Antriebssystems 1 als alleinige Vortriebsquelle verwendet wird, trägt der Elektroantriebsteil 2 nicht zum Vortrieb des Fahrzeugs bei. Da der Rotor 16 sich jedoch weiter mit der Antriebswelle 14 dreht, wird der Elektromotor 12 von der Steuerungseinheit 66 dahingehend gesteuert, als Generator zu arbeiten, der der Batterie 62 Energie zuführt, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs weiter erhöht wird.
Wie in 4 gezeigt, sind in der dargestellten Ausführungsform die Turbine 30, der Verdichter 50 und der Elektromotor 12 in eine einzelne Antriebseinheit 120 integriert, so dass der Elektromotor 12 mit der Turbine 30 und dem Verdichter 50 zusammen untergebracht ist. Insbesondere sind das Turbinenrad 34, der Elektromotor-Rotor 16 und das Verdichterrad 54 gemeinsam auf der Antriebswelle 14 angebracht, so dass der Rotor 16 zwischen dem Turbinenrad 34 und dem Verdichterrad 54 angeordnet ist. Die Ausgestaltung der Antriebseinheit 120 weist das Erscheinungsbild eines elektrisch unterstützten Turboladers auf. Die Antriebseinheit 120 unterscheidet sich jedoch insofern von einem elektrisch unterstützten Turbolader, als externe Arbeit von der drehenden Antriebswelle 14 verrichtet wird.
Wie in 5 gezeigt, sind die Turbine 30, der Verdichter 50 und der Elektromotor 12 nicht auf die in 4 gezeigte Anordnung beschränkt. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen der Elektromotor 12 an einer Stelle mit der Antriebswelle 14 integriert sein, die axial von einer die Turbine 30 und den Verdichter 50 umfassenden alternativen Antriebseinheit 220 beabstandet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Elektromotor 12 an einer Stelle außerhalb der Antriebseinheit 220 mit der Antriebswelle 14 integriert, so das der Rotor 16 auf der Verdichterseite der Antriebseinheit 220 angeordnet ist. Diese Lage reduziert die Einwirkung der erhöhten Temperaturen der Turbine 30 auf den Elektromotor 12. Insbesondere sind das Turbinenrad 34, der Elektromotor-Rotor 16 und das Verdichterrad 54 gemeinsam auf der Antriebswelle 14 angebracht, so dass das Verdichterrad 54 zwischen dem Turbinenrad 34 und dem Rotor 16 angeordnet ist.
Vorliegend beschriebene Aspekte können in anderen Formen und Kombinationen umgesetzt werden, ohne vom Wesen oder wesentlichen Attributen dieser Aspekte abzuweichen. Es versteht sich somit, dass Ausführungsformen nicht auf die vorliegend beschriebenen speziellen Einzelheiten beschränkt sind, die nur als Beispiel angeführt sind, und dass verschiedene Modifikationen und Abänderungen innerhalb des Schutzbereiches der nachfolgenden Ansprüche möglich sind.

Claims

Fahrzeugantriebssystem (1) zum Antreiben eines Rades (100) eines Fahrzeugs, wobei das System (1) umfasst: einen Elektromotor (12), der in Wirkverbindung direkt mit einer Welle (14) gekoppelt ist, um das Rad (100) anzutreiben; eine Gasturbinenanordnung (28), die eine Turbine (30), einen Verdichter (50), einen Brenner (70) und einen Rekuperator (80) umfasst, wobei die Gasturbinenanordnung (28) unabhängig vom Elektromotor (12) direkt mit der Welle (14) gekoppelt ist, um das Rad (100) anzutreiben; und eine Getriebeeinheit (90), wobei die Getriebeeinheit (90) in Wirkverbindung zwischen die Welle (14) und das Rad (100) des Fahrzeugs gekoppelt ist, um Leistung aus einem vom Elektromotor (12) oder der Gasturbinenanordnung (28) zum Rad (100) zu übertragen.
Fahrzeugantriebssystem (1) zum Antreiben eines Rades (100) eines Fahrzeugs, wobei das System (1) umfasst: eine Antriebswelle (14); einen Elektromotor (12) mit einem mit der Antriebswelle (14) gekoppelten Rotor (16), und einem den Rotor (16) aufnehmenden Stator (18); eine Gasturbinenanordnung (28) mit einer Turbine (30) mit einem auf der Antriebswelle (14) angebrachten Turbinenrad (34), einem Brenner (70), der Kraftstoff verbrennt und Abgas bereitstellt, um das Turbinenrad (34) anzutreiben, und einem Verdichter (50), der dem Brenner (70) verdichtete Luft bereitstellt, wobei der Verdichter (50) ein auf der Antriebswelle (14) angebrachtes Verdichterrad (54) umfasst, wobei die Gasturbinenanordnung (28) unabhängig vom Elektromotor (12) mit der Antriebswelle (14) gekoppelt ist; und eine Getriebeeinheit (90), welche die Antriebswelle (14) als Eingangswelle aufweist und eine mit dem Rad (100) verbundene Abtriebswelle (94) umfasst, wobei die Getriebeeinheit (90) Leistung aus einem vom Elektromotor (12) oder der Gasturbinenanordnung (28) an das Rad (100) überträgt.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, wobei der Elektromotor (12) ein schnelllaufender Elektromotor (12) ist, wobei schnelllaufend als Fähigkeit definiert wird, mit Drehzahlen in einem Bereich von 50.000 bis 150.000 Umdrehungen pro Minute zu arbeiten.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, wobei die Gasturbinenanordnung (28) ferner einen im Fluidweg zwischen einem Auslass des Verdichters (50) und einem Einlass des Brenners (70) angeordneten Rekuperator (80) umfasst, wobei der Rekuperator (80) ausgelegt ist, das aus der Turbine (30) ausgetragene Abgas zu verwenden, um die verdichtete Luft zu erwärmen.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, wobei die Getriebeeinheit (90) ausgelegt ist, eine Drehzahl der Abtriebswelle (94) bereitzustellen, die niedriger ist als die der Antriebswelle (14).
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, wobei die Getriebeeinheit (90) eine Drehzahluntersetzung zwischen der Antriebswelle (14) und der Abtriebswelle (94) in einem Bereich von 30:1 bis 100:1 bereitstellt.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, wobei die Getriebeeinheit (90) eine Getriebevorrichtung mit festem Drehzahlverhältnis ist.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, wobei die Getriebeeinheit (90) einen Planetenradsatz umfasst.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, das ferner eine mit dem Elektromotor (12) über einen Wechselrichter (65) verbundene Batterie (62) umfasst.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, das ferner eine bidirektionale Steuerungseinheit (66) umfasst, die ausgelegt ist, eine Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und eine Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom über einen Wechselrichter (65) zu gestatten.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, das ferner eine mit dem Elektromotor (12) und der Gasturbinenanordnung (28) verbundene Steuerungseinheit (66) umfasst, und die Steuerungseinheit (66) ausgelegt ist, den Elektromotor (12) und die Gasturbinenanordnung (28) so zu steuern oder regeln, dass diese dem Rad (100) Leistung bereitstellen, in einem ersten Modus, in welchem der Elektromotor (12) betrieben wird, um dem Fahrzeug Vortrieb zu liefern, und die Gasturbinenanordnung (28) nicht betrieben wird; einem zweiten Modus, in welchem der Elektromotor (12) betrieben wird, um dem Fahrzeug Vortrieb zu liefern, und die Gasturbinenanordnung (28) betrieben wird, um zusätzliche Vortriebskraft zu der vom Elektromotor (12) bereitgestellten bereitzustellen; und einem dritten Modus, in welchem der Elektromotor (12) nicht zum Fahrzeugvortrieb beiträgt und die Gasturbinenanordnung (28) betrieben wird, um dem Fahrzeug Vortrieb zu liefern.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 11, wobei, wenn das Fahrzeugantriebssystem (1) im dritten Modus betrieben wird, der Elektromotor (12) als Generator arbeitet und einer Batterie (62) Energie zuführt.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, wobei der Rotor (16) auf der Antriebswelle (14) zwischen dem Turbinenrad (34) und dem Verdichterrad (54) angeordnet ist.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, wobei das Verdichterrad (54) auf der Antriebswelle (14) zwischen dem Turbinenrad (34) und dem Rotor (16) angeordnet ist.
Fahrzeugantriebssystem (1) nach Anspruch 2, wobei im Betrieb der Gasturbinenanordnung (28) die Gasturbinenanordnung (28) offene thermodynamische Brayton-Kreisprozesse durchläuft, bei welchen die Ausdehnung von erhitztem Gas aus dem Brenner (70) innerhalb der Turbine (30) zu einer Drehung der Antriebswelle (14) führt, was wiederum zu einer Drehung des Rades (100) führt.