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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, wenigstens einem Elektromotor, einem elektrischen Energiespeicher und wenigstens einer Antriebsachse.
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Derartige Antriebssysteme für hybridelektrisch angetriebene Fahrzeuge (HEV) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei haben sich drei unterschiedliche Konzepte im Markt etabliert.
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Bei einem seriellen Hybridantrieb treibt ein Verbrennungsmotor einen Generator an, welcher mit einem oder mehreren Elektromotoren zum Antrieb der Räder gekoppelt ist. Dadurch kann der Verbrennungsmotor stets im optimalen Lastpunkt betrieben werden. Wird zum Antrieb des Fahrzeugs weniger elektrische Energie benötigt, als vom Verbrennungsmotor im optimalen Lastpunkt durch den Generator erzeugt wird, kann die überschüssige Energie in einer Fahrzeugbatterie gespeichert werden. Wird hingegen zum Antrieb des Fahrzeugs mehr Energie benötigt, als vom Verbrennungsmotor im optimalen Lastpunkt erzeugt wird, so können solche Lastspitzen durch Energie aus der Fahrzeugbatterie kompensiert werden. Nachteilig an diesem Konzept ist, dass keine direkte Verbindung vom Verbrennungsmotor zu den Antriebsrädern besteht. Ein verbrennungsmotorischer Antrieb des Fahrzeugs in einem günstigen Lastpunkt, beispielsweise bei konstanter Fahrt auf der Autobahn, ist deshalb nicht möglich. Stattdessen treten Wirkungsgradverluste durch die Umwandlung in elektrische Energie auf.
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Voll-Hybride Fahrzeuge sind im Gegensatz zu den bereits länger existierenden Mild-Hybridelektrischen Fahrzeugen (MHEV) in der Lage, kürzere Distanzen voll-elektrisch zurückzulegen. Dazu gehört beispielsweise die Start-Stopp-Funktion, die ein rein-elektrisches Anfahren des Fahrzeugs ermöglicht, während das Anhalten unter Rekuperation von einem Generator gesteuert wird. Damit ist es möglich, insbesondere die Fahrmanöver voll-elektrisch auszuführen, bei welchen ein Verbrennungsmotor mit sehr ungünstigem Wirkungsgrad arbeiten müsste. Im Vergleich mit anderen Systemen ist die elektrische Reichweite bei einem Voll-Hybriden Fahrzeug jedoch sehr beschränkt.
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Ein Fahrzeug mit einem Plug-In-Hybrid (PHEV) zeichnet sich durch eine Fahrzeugbatterie aus, die so dimensioniert ist, dass auch längere Distanzen rein elektrisch zurückgelegt werden können. Das Aufladen der Batterie kann sowohl durch den Verbrennungsmotor erfolgen als auch über einen mit dem Stromnetz verbundenen Stecker. Nachteilig am PHEV ist die damit einhergehende Belastung des öffentlichen Stromnetzes. Werden in einem räumlichen Gebiet viele Fahrzeuge zeitgleich geladen, so stellt dies sowohl für die Infrastruktur als auch für die Netzbetreiber eine erhebliche Herausforderung dar.
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Zusammenfassend liegen die Nachteile bisher bekannter Antriebssysteme für Hybridfahrzeuge in den langen Ladezeiten für die Fahrzeugbatterien, in der eingeschränkten elektrischen Reichweite und im erheblichen Energieverbrauch aus dem öffentlichen Stromnetz.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug zu beschreiben, mit welchem auch längere Strecken voll-elektrisch zurückgelegt werden können, ohne dass zum Laden der Fahrzeugbatterie das Stromnetz belastet werden muss. Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Beschreibung eines Fahrzeugs mit einem solchen Antriebssystem.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Antriebssystem, bei welchem in einem ersten Betriebszustand der Verbrennungsmotor das Fahrzeug über die wenigstens eine Antriebsachse antreibt und den elektrischen Energiespeichers lädt und in einem zweiten Betriebszustand der wenigstens eine Elektromotor das Fahrzeug über die wenigstens eine Antriebsachse antreibt.
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Ein solches Antriebssystem kombiniert die Vorteile eines verbrennungsmotorischen Antriebs und eines elektrischen Antriebs.
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Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren, beispielsweise Diesel oder Benzin, weisen eine deutlich höhere Energiedichte auf als heutige Fahrzeugbatterien. Mit der Füllung eines Kraftstofftanks üblicher Größe kann ein Personenkraftwagen deswegen eine Reichweite von mehreren hundert Kilometern erzielen, teilweise darüber hinaus. Busse und Lastwagen, die mitunter Tankvolumina von mehreren hundert Litern aufweisen, erreichen sogar noch größere Reichweiten.
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Der elektrische Antrieb eines Fahrzeugs ermöglicht dessen lokal emissionsfreien Betrieb. Insbesondere in städtischen Bereichen, in denen die Schadstoffbelastung durch eine Vielzahl an Faktoren hoch ist, kann durch einen vermehrt elektrischen Betrieb der Kraftfahrzeuge eine Verbesserung der Luft- und Lebensqualität erreicht werden. Umso größer der elektrische Energiespeicher eines Fahrzeugs dimensioniert ist, desto weiter sind die Strecken, die das Fahrzeug elektrisch zurücklegen kann.
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Ausschlaggebend für die optimale Ausnutzung dieser Vorteile ist die Betriebsstrategie. In einem ersten Betriebszustand wird das Fahrzeug durch den Verbrennungsmotor über die wenigstens eine Antriebsachse angetrieben. Gleichzeitig wird durch den Verbrennungsmotor auch der elektrische Energiespeicher aufgeladen, welcher in diesem Betriebszustand keine Energie abgibt. Damit ist es möglich, den verbrennungsmotorischen Betrieb nicht nur für den unmittelbaren Antrieb des Fahrzeugs, sondern auch für die Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen, womit der nachfolgend erläuterte zweite Betriebszustand lokal emissionsfrei ablaufen kann.
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Im zweiten Betriebszustand arbeitet der Verbrennungsmotor nicht, stattdessen wird das Fahrzeug rein elektromotorisch angetrieben. In Abhängigkeit der Kapazität des elektrischen Energiespeichers kann das Fahrzeug dabei über längere Strecken, bis hin zu mehreren hundert Kilometern, rein elektrisch betrieben werden. Während dieses Betriebszustand stößt das Fahrzeug keine Schadstoffe aus, womit insbesondere im städtischen Bereich ein Beitrag zur Steigerung der Luftqualität geleistet werden kann.
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Die Vorteile des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Antriebssystems, sowie der nachstehend beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen bestehen darin, dass keine Energie aus dem öffentlichen Stromnetz entnommen werden muss. Auch ist keine zusätzliche Infrastruktur für Ladevorrichtungen erforderlich, ebenso wenig ein Ausbau von Stromtrassen und Windrädern. Herkömmliche Tankstellen können unverändert weiter genutzt werden, womit auch die langen Ladezeiten von PHEVs entfallen. Der prozentual höhere Anteil des zweiten Betriebszustands, in welchem das Antriebssystem einen rein elektromotorischen Antrieb des Fahrzeugs bewirkt, sorgt zudem für längere Phasen, in denen das Fahrzeug lokal emissionsfrei bewegt wird.
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Bevorzugt wechselt das Antriebssystem, automatisch oder durch manuelle Eingabe, vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand, sobald der elektrische Energiespeicher voll aufgeladen ist. Anschließend wird das Fahrzeug solange im zweiten Betriebszustand betrieben, bis der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers etwa 10% der maximalen Ladung entspricht. Eine tiefere Entladung des elektrischen Energiespeichers ist zwar theoretisch möglich, birgt jedoch die Gefahr von Zellschädigungen im Energiespeicher und sollte deshalb vermieden werden. Ist das genannte Niveau erreicht, so wechselt das Fahrzeug wiederum in den ersten Betriebszustand, in welchem das Fahrzeug verbrennungsmotorisch angetrieben wird und der Verbrennungsmotor darüber hinaus auch den elektrischen Energiespeicher versorgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Antriebssystems ist zwischen dem Verbrennungsmotor und dem elektrischen Energiespeicher ein Generator angeordnet. Dieser ermöglicht eine effiziente Umwandlung der vom Verbrennungsmotor verrichteten mechanischen Arbeit in elektrische Energie.
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Zur weiteren Effizienzsteigerung des Antriebssystems umfasst dieses gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Rekuperationssystem. Bremsenergie kann damit zurückgewonnen werden und in Form von elektrischer Energie im elektrischen Energiespeicher gespeichert werden. Je nach individueller Ausgestaltung des entsprechenden Antriebssystems kann dies durch einen oder mehrere Generatoren geschehen, die an den Rädern beziehungsweise Achsen des Fahrzeugs angeordnet sind, oder durch den wenigstens einen Elektromotor, mittels welchem das Fahrzeug im zweiten Betriebszustand angetrieben wird. Der Betrieb des Rekuperationssystems kann sowohl im ersten Betriebszustand als auch im zweiten Betriebszustand erfolgen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem der vorstehend beschriebenen Antriebssysteme.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Fahrzeug um einen Personenkraftwagen, einen Bus oder einen Lastkraftwagen. Diese Fahrzeugtypen eint, dass sie eine gut ausgebaute Tankinfrastruktur vorfinden. Wenn sie nun mit einem der vorstehend beschriebenen Antriebssysteme ausgestattet sind, so kann einerseits deren Reichweite pro Tankfüllung gesteigert werden, andererseits können sie auch zumindest abschnittsweise lokal emissionsfrei fahren.
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Die gleichen Vorteile ergeben sich bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, nach welcher das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug ist. Trotz der fortschreitenden Elektrifizierung der Bahntrassen in Deutschland sind immer noch viele dieselbetriebene Lokomotiven im Einsatz. Werden diese mit einem der vorstehend beschriebenen Antriebssysteme ausgestattet, so bieten sich Möglichkeiten der Reichweitenverlängerung einerseits und des lokal emissionsfreien Betriebs andererseits. Mittels Rekuperation kann der elektrische Energiespeicher dabei zusätzlich aufgeladen werden, wodurch Effizienz und Reichweite weiter gesteigert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Wasserfahrzeug, beispielsweise ein Tanker, ein Containerschiff oder ein Passagierschiff. Auch bei diesen Fahrzeugen lässt sich durch die Vorsehung eines der vorstehenden Antriebssysteme einerseits die Reichweite steigern, andererseits wird dadurch ein lokal emissionsfreier Betrieb möglich. Insbesondere in Hafenbereichen wird ein elektrischer Betrieb bevorzugt, um den Schadstoffausstoß wo weit wie möglich zu reduzieren.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
- 1 die Arbeits- bzw. Energieflüsse in einem ersten Betriebszustand eines Antriebssystems; und
- 2 die Arbeits- bzw. Energieflüsse in einem zweiten Betriebszustand eines Antriebssystems.
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Die 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems. In einem ersten Betriebszustand, dargestellt in 1, treibt ein Verbrennungsmotor 12 ein Fahrzeug über eine Antriebsachse 14 an. Gleichzeitig treibt der Verbrennungsmotor 12 auch einen Generator 16 an, welcher die mechanische Arbeit des Verbrennungsmotors 12 in elektrische Energie umwandelt und damit den Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers 18 erhöht. Der Elektromotor 20 ist im ersten Betriebszustand inaktiv. Zusätzlich kann ein Rekuperationssystem 22 vorgesehen sein. Beim Bremsen des Fahrzeugs wandelt es die Bremsenergie in elektrische Energie um und speist damit den elektrischen Energiespeicher 18, wodurch sich dessen Ladezustand erhöht.
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Sobald der elektrische Energiespeicher 18 voll aufgeladen ist, schaltet das Antriebssystem 10 in einen zweiten Betriebszustand, dargestellt in 2, um. In diesem ist der Verbrennungsmotor 12 inaktiv, er treibt also weder das Fahrzeug über die Antriebsachse 14 noch den Generator 16 an. Stattdessen treibt der Elektromotor 20 das Fahrzeug über die Antriebsachse 14 an. Dazu wird es mit Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 18 gespeist. Das Rekuperationssystem 22 arbeitet in gleicher Weise wie im ersten Betriebszustand.
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Sobald der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 18 einen gewissen Schwellenwert, beispielsweise 10% des Maximalwerts, unterschreitet, schaltet das Antriebssystem 10 erneut in den ersten Betriebszustand um. Der Verbrennungsmotor 12 treibt das Fahrzeug nun wieder über die Antriebsachse 14 an und lädt den elektrischen Energiespeicher 18 über den Generator 16.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebssystem
- 12
- Verbrennungsmotor
- 14
- Antriebsachse
- 16
- Generator
- 18
- Elektrischer Energiespeicher
- 20
- Elektromotor
- 22
- Rekuperationssystem
