DE3028847A1

DE3028847A1 - Kurzzeit-energiespeicher fuer fahrzeuge

Info

Publication number: DE3028847A1
Application number: DE19803028847
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. 5960 Olpe Klemm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-07-30
Filing date: 1980-07-30
Publication date: 1982-03-04

Description

Kurzzeit-Energiespeicher fur Fahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen Kurzzeit-Energiespeicher für Fahrzeuge, zur Speicherung von beim Bremsen frei werdender Energie und zur späteren Abgabe der gespeicherten Energie an das Antriebssystem des Fahrzeugs.
Bei stromgetriebenen Fahrzeugen ist es bekannt, den elektrischen Antriebsmotor beim Bremsen umzupolen, so daß er als Generator wirkt und die beim Bremsen frei werdende Energie in Strom umwandelt, der in das Versorgungsnetz zurückgespeist oder an eine Pufferbatterie abgegeben wird.
Bei einer anschließenden Beschleunigung steht die zuvor abgegebene Energie wieder zum Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung. Die Einspeisung eines aus der Bremsenergie entstandenen Stromes in das Versorgungsnetz ist nur bei Gleichspannungsnetzen durchführbar, da bei einem Wechselstromantrieb die erforderliche Synchronisierung mit dem Netz nicht erreichbar ist. Der Einsatz von Pufferbatterien bedeutet eine erhebliche Gewichtsbelastung des Fahrzeugs und ist wegen der relativ langsam ablaufenden elektrochemischen Umwandlungsvorgänge in einer Batterie für kurzzeitige Umschaltungen ungeeignet Als Energiespeicher für Fahrzeuge, die von Verbrennungsmotoren angetrieben werden, sind-bereits Schwungscheiben und federelastische Energiespeicher vorgeschlagen worden.
Solche Speicher haben aber nur eine relativ geringe Speicherkapazität. In der Praxis haben sie sich nicht durchgesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kurzzeit-Energiespeicher der eingangs genannten Art zu schaffen, der imstande ist, in einem relativ kleinen Volumen eine relativ große Energie zu speichern und dessen Einsatz in Verbindung mit motorgetriebenen Fahrzeugen wirtschaftlich möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein hydropneumatischer Druckspeicher mit seiner Hydraulikleitung an ein Motor/Pumpenaggregat angeschlossen ist, das mit dem Antriebssystem des Fahrzeugs verbunden bzw. an das Antriebssystem ankuppelbar ist und das über Ventile zwischen Motorbetrieb und Pumpenbetrieb umschaltbar ist.
Hydropneumatische Druckspeicher sind bekannt. Sie werden vorwiegend in Verbindung mit hydraulischen Schlagsystemen als Pufferspeicher eingesetzt, um die beim Schlagbetrieb auftretenden kurzzeitigen Druckspitzen abzufangen. Derartige Speicher bestehen aus einem druckdichten Behälter, der durch eine flexible oder bewegbare Wand in zwei Kam- mern unterteilt ist. Die eine Kammer ist vollständig abdichtend abgeschlossen und enthält ein kompressibles Gas, während die andere Kammer über eine Hydraulikleitung mit einem Hydrauliksystem verbunden ist. Wird Hydraulikflüssigkeit in den Druckspeicher hineingepumpt, dann vergrößert sich das Volumen der Hydraulikkammer, während das Gas in der Gaskammer komprimiert wird. Derartige Energiespeicher sind mit Abmessungen, die für ein Fahrzeug akzeptabel sind, imstande, kurzzeitig einen erheblichen Anteil der Fahr-bzw. Beschleunigungsenergie zu liefern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß hydropneumatische Druckspeicher in relativ kurzer Zeit aufgeladen werden können.
Der Kurzzeit-Energiespeicher eignet sich insbesondere für Fahrzeuge, die vorwiegend im Stadtverkehr betrieben werden, d.h. die häufig abbremsen und beschleunigen. Auch in Fällen eines häufigen Leerlaufbetriebes, wie z.B. vor Verkehrsampeln, kann der Energiespeicher wirtschaftlich aufgeladen werden. Bei einem stehenden Fahrzeug, dessen Motor im Leerlauf betrieben wird, erzeugt der Motor eine überschüssige Energie. Diese ungenutzte Energie kann zum Aufladen des Energiespeichers benutzt werden und steht anschließend für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung. Da ferner beim Abbremsen des Fahrzeugs die Bremsenergie zur Aufladung des Energiespeichers benutzt wird, wird die übliche Reibbremsung in sinnvoller Weise unte-rstützt, so daß sich insgesamt eine wirksamere Bremsung ergibt. Leichtere Abbremsungen können auch ausschließlich durch Aufladung des Kurzzeit-Energiespeichers bewirkt werden, so daß die Reibbremsen nur bei starken Bremsvorgängen zusätzlich noch in Funktion treten müssen, bzw. dann, wenn der Speicherbehälter bereits voll aufgeladen ist.
Die beim Entladen des Energiespeichers frei werdende Energie unterstützt den Fahrzeugmotor, der auf diese Weise entlastet wird. Dies führt insbesondere beim Anfahren zu einer geringeren Schadstoffemission durch den Auspuff und zu einer erheblichen Verringerung des Treibstoffverbrauchs.
Gegenüber den ublichen Bremssystemen wird beim Abbremsen der Verschleiß von Bremsen, Motor und Getriebe des Fahrzeugs verringert. Außerdem entstehen weniger Geräusche.
Die Pumpe des Motor/Pumpenaggregats ist vorzugsweise leistungsgeregelt, d.h. ihre Leistung hängt von der Antriebsdrehzahl ab. Damit läßt sich eine optimale Ausnutzung der überschüssigen Fahrzeugenergie erreichen.
Die Steuerung der Ventile des Motor/Pumpenaggregates erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der Stellung von Pedalen. Hierzu eignen sich insbesondere das Bremspedal und das Gaspedal des Fahrzeugs. Im einfachsten Fall sind diese Pedale jeweils mit einem Schalter gekoppelt, der betätigt wird, sobald das Pedal um einen bestimmten Betrag niedergedrückt ist Dann wird der Motorbetrieb bzw.
der Pumpenbetrieb eingeschaltet.
Damit das Motor /Pumpenaggregat nicht ständig mit dem Antriebssystem mitläuft und diesem Energie entnimmt, ist vorzugsweise das Motor/Pumpenaggregat über mindestens eine elektromagnetische Kupplung an das Antriebssystem des Fahrzeugs ankuppelbar, die entsprechend der Steuerung der Ventile gesteuert ist. Die elektromagnetische Kupplung wird nur dann eingeschaltet, wenn das Motor/ Pumpenaggregat entweder im Motorbetrieb oder im Pumpenbetrieb wirksam ist. Bei normalem Fahrbetrieb des Fahr- zeugs ist es dagegen von dem Antriebssystem abgekuppelt.
Das Motor/Pumpenaggregat kann einen separaten Hydraulikmotor und eine separate Hydraulikpumpe enthalten, die jeweils einzeln in Abhängigkeit von dem Antriebs- oder Bremszustand des Fahrzeugs eingeschaltet werden. Vorzugsweise weist das Motor/Pumpenaggregat jedoch eine abwechselnd als Motor und als Pumpe zu betreibende- Maschine auf. Die Umschaltung zwischen Motor- und Pumpenbetrieb erfolgt durch geeignete Steuerleitungen, in die steuerbare Ventile eingesetzt sind.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 das Antriebssystem eines Lastwagens in Draufsicht, zusammen mit einer ersten Ausführungsform des Kurzzeit-Energiespeichers und Figur 2 eine zweite Ausführungsform des Kurzzeit-Energiespeichers mit einer zwischen Motorbetrieb und Pumpenbetrieb umschaltbaren hydraulischen Maschine.
Das in Figur 1 nur hinsichtlich seiner für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Komponenten dargestellte Fahrzeug 10 weist einen Verbrennungsmotor 11 auf, dessen Betrieb über das Gaspedal 12 gesteuert wird. Mit dem Motor 11 ist in üblicher Weise ein Getriebe 13 verbunden, dessen Ausgangswelle eine Kardanwelle 14 treibt, die die Antriebskraft zur Hinterachse 15 und auf die Antriebsräder 16 überträgt.
An der Ausgangswelle 17 sind gemäß Figur 1 zwei Zahnräder 18, 19 vorgesehen, mit denen jeweils ein Zahnrad 20, 21 kämmt. Das Zahnrad 20 ist über eine elektromagnetische Kupplung 22 mit der Ausgangswelle eines Hydraulikmotors 23 verbunden. Das Zahnrad 21 ist über eine weitere elektromagnetische Kupplung 24 mit der Eingangswelle einer Hydraulikpumpe 25 verbunden. Der Hydraulikausgang der Pumpe 25 ist über ein elektromagnetisches Ventil 26 mit zwei hydropneumatischen Speichern 27, 28 verbunden. Diese Speicher bestehen jeweils aus einem Druckbehälter 29, der durch eine flexible Membran 30 in zwei Kammern unterteilt ist. Die eine Kammer ist vollständig abgeschlossen und enthält ein kompressibles Gas, z.B. Stickstoff. Die andere Kammer ist an die Hydraulikleitung 31 angeschlossen.
Diese ist ihrerseits über das Ventil 26 mit dem Ausgang der Pumpe 25 verbunden Die Hydraulikleitung 31 ist ferner über ein elektromagnetisches Ventil 32 mit der Druckleitung des Hydraulikmotors 23 verbunden. Der Motor 23 und die Pumpe 25 sind ferner über Hydraulikleitungen mit dem Tank oder Sumpf 32 verbunden.
Das Ventil 26 und die Kupplung 24 werden z.B. elektrisch über eine Steuerleitung- 33 in Abhängigkeit von der Stellung des Bremspedals 34 betätigt. Das Ventil 32 und die Kupplung 22 werden über die Steuerleitung 35 in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals betätigt.
Im folgenden wird die Wirkungsweise des Energiespeichers nach Figur 1 erläutert: Wird das Bremspedal 34 betätigt, so wird über Leitung 33 die elektromagnetische Kupplung 24 eingerückt, so daß die Welle 17 über die Zahnräder 19 und 21 und die Kupplung 24 die Pumpe 25 antreibt. Gleichzeitig wird das Ventil 26 geöffnet. Die Pumpe 25 saugt aus de-m Tank 32 Flüssigkeit an und pumpt diese in die Druckspeicher 27 und 28. Dadurch wird der Welle 17 Energie entzogen und das Fahrzeug abgebremst.
Auch wenn das Fahrzeug steht und der Motor 11 im Leerlauf betrieben wird, kann die Aufladung der Druckspeicher 27 und 28 erfolgen, wenn das Bremspedal 34 niedergedrückt wird. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß die Energie für die Pumpe 25 vor der Kupplung des Fahrzeug-Antriebssystems abgenommen wird, also an einer Welle, die auch bei stillstehendem Fahrzeug noch dreht.
Wird das Bremspedal 34 losgelassen, so schließt das Ventil 26 wieder und die Kupplung 24 wird ausgerückt.
Wenn anschließend eine Beschleunigung erfolgen soll, muß das Gaspedal 12 niedergedrückt werden. Dadurch wird ein Kontakt geschlossen und an Leitung 35 ein Steuersignal erzeugt, durch das das Ventil 32 geöffnet und die Kupplung 22 eingerückt wird. Die Druckspeicher 27 und 28 entleeren sich nun über das geöffnete Ventil 32 und den Hydraulikmotor 23 in den Tank 32 hinein, wobei der Motor über die Kupplung 22 und die Zahnräder 20 und 18 die Welle 17 antreibt.
Erforderlichenfalls kann der Pumpe 25 ein Druckbegrenzungsventil parallel geschaltet sein, um den Pumpendruck und somit auch den Druck in den Druckbehältern 27 und 28 auf einen Maximalwert zu begrenzen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 wird eine einzige Hydraulikmaschine 40 benutzt, die sowohl als Motor als auch als Pumpe betrieben werden kann. Die Welle 41 der Hydraulikmaschine 40 ist über eine elektromagnetische Kupplung 42 und zwei Zahnräder 43, 44 an die Welle 17 ankuppelbar.
Wenn an der mit dem Bremspedal 34 gekoppelten Steuerleitung 33 ein Steuersignal erscheint, wird ein Ventil 45 geöffnet, wodurch der erste Anschluß 46 der Hydraulikmaschine 40 mit dem Tank 32 verbunden wird. Da gleichzeitig die Kupplung 42 eingerückt wird, wird die Hydraulikmaschine 40 von der Welle 17 aus angetrieben, so daß aus dem Tank 32 Flüssigkeit angesaugt wird. Diese wird über den zweiten Anschluß 47 und ein zum Druckspeicher 50 hin geöffnetes Rückschlagventil 48 in den Druckspeicher 50 gefördert Beim Loslassen des Bremspedals 34 schließt das Ventil 45 wieder und die Kupplung 42 wird ausgerückt. Der erhöhte Druck im Druckspeicher 50 bleibt somit erhalten.
Wird das Gaspedal 12 niedergedrückt, dann wird ein Ventil 51 geöffnet, daß den Anschluß 47 mit dem Tank 32 verbindet. Außerdem wird die Kupplung 42 eingerückt. Die Flüssigkeit strömt nun aus dem Druckspeicher 50 durch ein Rückschlagventil 52 zum Anschluß 46 der Hydraulikmaschine 40. Sie fließt durch die Hydraulikmaschine 40 hindurch zum Anschluß 47 und von dort über das geöffnete Ventil 51 zum Tank 32.
Die Hydraulikmaschine 40 wird also beim Motorbetrieb in umgekehrter Richtung durchströmt wie beim Pumpenbetrieb.
Dadurch wird erreicht, daß die Welle 17 bei beiden Betriebsarten stets dieselbe Drehrichtung hat. Beim Pumpenbetrieb stellt der Anschluß 46 die Ansaugseite und der Anschluß 47 die Druckseite dar. Beim Motorbetrieb stellt der Anschluß 46 die Druckseite und der Anschluß 47 den Auslaß dar.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist nur eine einzige Schaltkupplung 42 erforderlich. Diese muß jedoch sowohl beim Pumpenbetrieb als auch beim Motorbetrieb der Hydraulikmaschine 40 eingeschaltet werden und im übrigen abgeschaltet sein. Um dieses Betriebsverhalten zu erreichen, sind die Steuerleitungen 33 und 35 an eine ODER-Schaltung 53 angeschlossen, deren Ausgangssignal die Kupplung 42 steuert.
Bei einem praktisch realisierten Kurzzeit-Energiespeicher der beschriebenen Art hat der Druckspeicher ein Volumen von 250 1. Er enthält im flüssigkeitsleeren Zustand Stickstoff mit einem Druck von 50 bar. Werden 200 1 Flüssigkeit in den Druckspeicher gepumpt, entsteht ein Druck von ca. 400 bar. Unter Zugrundelegung dieser Werte kann dem Druckspeicher 60 zu Beginn seiner Entladung ei-ne Leistung von 130 kW entnommen werden. Die mittlere Leistung über ca. 60 Sekunden beträgt ca. 65 kW. Diese Energie steht dem Fahrzeug zur Unterstützung des Antriebsmotors 11 zur Verfügung. Für einen Autobus üblicher Größe bedeutet dies, daß dem Energiespeicher ca. 40 bis 50 % der Anfahrenergie entnommen werden kann. Bei einem 40 t-Lastwagen mit 220 kW Antriebsleistung würde die aus dem Gasspeicher abzurufende Energie ca. 25 % des Energiebedarfs betragen.
Leerseite

Claims

Ansprüche 1. Kurzzeit-Energiespeicher für Fahrzeuge, zur Speicherung von beim Bremsen frei werdender Energie und zur späteren Abgabe der gespeicherten Energie an das Antriebssystem des Fahrzeugs, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß ein hydropneumatischer Druckspeicher (27, 28; 50) mit seiner Hydraulikleitung (31) an ein Motor/Pumpenaggregat (23, 25; 40) angeschlossen ist, das mit dem Antriebssystem (Welle 17) verbunden bzw. an das Antriebssystem kuppelbar ist und das über Ventile (26, 32; 45, 51) zwischen Motorbetrieb und Pumpenbetrieb umschaltbar ist.
2. Kurzzeit-Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (26, 32; 45, 51) in Abhängigkeit von der Stellung von Pedalen (12, 34) gesteuert sind.
3. Kurzzeit-Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (26, 45) für Pumpenbetrieb von dem Bremspedal (34) und ein Ventil (32, 51) von dem Gaspedal (12) des Fahrzeugs gesteuert ist.
4. Kurzzeit-Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Motor/Pumpenaggregat (23, 25; 40) über mindestens eine elektromagnetische Kupplung (22, 24; 42) an das Antriebssystem (Welle 17) des Fahrzeugs ankuppelbar ist, die entsprechend der Steuerung der Ventile (26, 32; 45, 51) gesteuert ist.
5. Kurzzeit-Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Motor/Pumpenaggregat (40) eine abwechselnd als Motor und als Pumpe zu betreibende Hydraulikmaschine aufweist.