EP2882623A2 - Device for driving a machine with a non-steady power requirement - Google Patents

Device for driving a machine with a non-steady power requirement

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Publication number
EP2882623A2
EP2882623A2 EP13752825.3A EP13752825A EP2882623A2 EP 2882623 A2 EP2882623 A2 EP 2882623A2 EP 13752825 A EP13752825 A EP 13752825A EP 2882623 A2 EP2882623 A2 EP 2882623A2
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EP
European Patent Office
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power
battery
drive
vehicle
flywheel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13752825.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Udo Sorgatz
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP2882623A2 publication Critical patent/EP2882623A2/en
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    • B60W30/18Propelling the vehicle
    • B60W30/188Controlling power parameters of the driveline, e.g. determining the required power
    • B60W30/1882Controlling power parameters of the driveline, e.g. determining the required power characterised by the working point of the engine, e.g. by using engine output chart
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    • B60W50/00Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W50/08Interaction between the driver and the control system
    • B60W50/14Means for informing the driver, warning the driver or prompting a driver intervention
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    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a device for driving a machine with unsteady power requirements, such as in particular a vehicle with an internal combustion engine, an electrical energy storage and associated drives.
  • Energy supply in the form of an oxidizable chemical energy carrier can be filled within a short time and thus with only brief interruptions operation of the vehicle over long distances and long periods is possible.
  • Performance must be designed.
  • the internal combustion engine is therefore operated predominantly in the lower part load range and thus in an area with high specific consumption and low efficiency.
  • the use of vehicles powered by internal combustion engines is subject to increasingly stringent requirements, particularly in urban areas.
  • Electric machines can be operated both as an electric motor and as a generator. Thus they can be used both to drive a vehicle as well as allow a recuperative braking of the vehicle. Electric machines have a favorable for driving vehicles
  • Speed-torque characteristic curve with good efficiency and in particular a high possible torque in the lower speed range and a large speed range with relatively constant torque or power on. During operation, no harmful exhaust emissions occur locally and the operation is quiet.
  • SOC state of charge
  • C specific charging power or specific charging current
  • Load changes additionally have a negative effect on the aging of the battery. Due to high loading and unloading resulting heat loss and the relatively low operating temperature range of conventional traction batteries require a complex temperature control.
  • Vehicles with exclusive electric drive also called electric vehicles, in practice usually have only a relatively short range, according to which the traction battery present in the vehicle either by an external
  • Power supply can be charged or charged by a
  • Traction battery needs to be replaced. Charging the traction battery to charging stations requires undesirably long breaks, with a charge with high charging power in addition to high demands on the
  • Charging infrastructure poses problems in terms of tempering and aging of the batteries. Electric vehicles are thus for long-distance trips, for example, for a trip of 1000 km or more, at most
  • flywheels Use the flywheel almost completely for driving. Problems related to aging of the flywheel and a working temperature range are low. Past safety issues have also been largely addressed by new materials and manufacturing processes. Flywheels, however, have the decisive disadvantage of a low energy content in terms of mass, volume and cost. The capacity of the flywheel can not be so large due to the required installation space and the disadvantageous for road vehicles centrifugal forces that can be achieved with a conventional motor vehicle with combustion engine comparable ranges.
  • Hybrid drives have been developed to combine the specific advantages of these drive types and, if possible, to reduce their specific disadvantages.
  • the currently most used hybrid concept consists of one
  • Hybrid vehicles built in series usually only have sufficient battery capacity for a short range of just a few kilometers, with the use of the internal combustion engine and the electric motor being combined during operation the advantage that both the performance of the internal combustion engine and the electric drive train can be designed lower than in a vehicle with only one drive and in particular the capacity of the traction battery re may be relatively low, but this is heavily used. In phases with low power requirements, either only one of the two drive types can be used. Nevertheless, the internal combustion engine drivetrain has to be dimensioned relatively large and operation in larger zero-emission zones is not meaningfully possible. To hybrid vehicles a
  • a hybrid motor vehicle with a flywheel assembly which also has an internal combustion engine and an electric motor with an on-board battery.
  • all three drives via a chain converter or an automatic transmission to a central drive shaft of the vehicle can be coupled.
  • the presented there hybrid motor vehicle is characterized in that at least two
  • flywheels are present, which rotate opposite to each other with the same number of revolutions.
  • the drive train for a total vehicle weight of 2000 kg can be designed so that the flywheels can be brought to a speed of 9,600 or 12,000 revolutions per minute and then have sufficient energy content to the vehicle once from 0 to approx To accelerate 70 km / h.
  • the electric motor with a power of 10 - 12 kW should be sufficiently dimensioned to compensate for the rolling resistance on level terrain, while the dynamics is covered by the flywheels.
  • the electric motor is intended by the
  • the power of the internal combustion engine can be limited to approx. 30 kW.
  • the proposed in DE 20 2007 015 050 U1 vehicle is thus not able to cover longer distances locally emission-free and has unacceptably low driving performance in locally emission-free operation.
  • the usable energy content of the flywheels is designed to accelerate the vehicle once to a speed of about 70 km / h.
  • Combustion engine can be limited in its power to about 30 kW, with also for lack of any indication of an interpretation of the performance on a consumption-optimal operating range of a conventional dimensioning based on its maximum performance is. Also missing is an indication of the performance of the flywheels, of which only is known that a
  • Acceleration from 0 to 70 km / h from the flywheels should only depend on how fast an intermediate automatic transmission upshifts or downshifts.
  • German Offenlegungsschrift DE 1 812 480 A1 discloses a drive system for vehicles which is intended to reduce air pollution and / or to improve vehicle performance. This is an internal combustion engine
  • Traffic speed of the vehicle is designed according to the weight and type of vehicle. According to a local embodiment is for a called “conventional sedan", fully loaded motor vehicle with 2200 kg
  • the local vehicle drive system does not have a traction battery capable of moving the vehicle over a significant distance without local emissions.
  • the electric machine is so small that it is not possible to sufficiently recharge the flywheel from the battery.
  • a total flywheel mass of over 500 kg distributed on 12 flywheels for use in a car seems impractical and the connection the flywheels on a gearless slip clutch to the
  • German patent application DE 197 18 480 A1 discloses a hybrid drive for a vehicle with an internal combustion engine and at least one as
  • Acceleration performance is provided via a vehicle electrical system by a flywheel-fed electric machine.
  • the internal combustion engine is provided to recharge a battery or to maintain a minimum speed of the flywheel and to overcome the rolling and air resistance of the vehicle.
  • a flywheel-fed electric machine In a local embodiment for a rail vehicle with 30 tons
  • Total weight of a flywheel storage with 2.5 kWh of usable energy and a power of 350 kW and two batteries of 25 kWh of usable energy are intended to cover a locally emission-free route of about 30 km.
  • combustion engine is a diesel engine with 140 kW and electric drive motors are 4 electric machines, each with about 200 kW peak power provided.
  • the Power output of the internal combustion engine are dimensioned so that only the respective air resistance and rolling resistance of the vehicle in the manner of a
  • Feedforward control can be compensated. This is neither a
  • a machine with unsteady power requirement is a machine or an aggregate, the power output in normal, normal operation subject to strong fluctuations of at least a factor of 3 in the short-term time output power, in particular a wheel-driven road vehicle.
  • hybrid vehicle initially and above all refers to a wheel-driven road vehicle with a combination of at least two different engine drives.
  • the term should not be limited to wheeled vehicles or road vehicles in the context of this document, so that, for example, chain and screw driven vehicles are included as well as land vehicles that are moved off paved roads and water and air vehicles. Further, the term should be limited neither by the purpose of the vehicle nor by its typical size, e.g. also
  • drive means includes not only a drivable wheel (drive wheel) of a vehicle but also equivalent elements such as chains, screws or propellers.
  • the term also includes a plurality of drivable wheels or their equivalents used to propel a vehicle or propel others
  • a chemical-mechanical energy converter converts chemical energy into mechanical energy or work. These include, for example
  • an internal combustion engine Under an internal combustion engine is generally understood a motor with internal combustion, in particular in the manner of a gas or liquid fuel such as diesel or gasoline piston engine operated.
  • a gas or liquid fuel such as diesel or gasoline piston engine operated.
  • the term “internal combustion engine” should also include all engines in which a chemical energy source “generates” mechanical energy through oxidation.
  • the optimum working range of the internal combustion engine refers to a power range in which the internal combustion engine is observed
  • Boundary conditions in the range of maximum efficiency can be operated.
  • the size of the optimum working range can be determined, for example, by specifying an acceptable additional consumption per delivered power, which may be, for example, a maximum of + 10%, but preferably not more than + 5%.
  • the boundary conditions to be considered relate primarily to the wear and the pollutant emissions of the internal combustion engine, such as the temperatures of the engine, engine oil and cooling water and the temperature and the Degree of loading of catalysts and / or particulate filters and the
  • Fuel quality but can also be other sizes such as the
  • the optimal working area can also be under
  • Combustion engine generated waste heat with respect to the entire vehicle is more energetically effective than alternative ways of heat generation.
  • a fuel cell is understood to be a device in which electrical energy is obtained directly from a chemical energy source, ie without conversion into mechanical energy or work.
  • Most fuel cells work with hydrogen gas and atmospheric oxygen and are to be understood in the context of this document in combination with an electric motor locally as emissionless drives or as mentioned above as the equivalent of an internal combustion engine.
  • the hydrogen initially takes place aboard the vehicle from a carbonaceous energy source, in particular methane or gasoline with emission of CO 2 the system of reformer, fuel cell and electric motor can be operated as a chemical-mechanical energy converter
  • Some fuel cells allow the process to be reversed or coupled to systems that allow recovery of a chemical energy source by the use of electrical energy.
  • a reversible conversion represents a functional equivalent to a battery.
  • the term of the reversible fuel cell also includes a combination of a non-reversible fuel cell and a device for. Generation of a chemical energy source from electrical energy.
  • a high-performance energy storage device is an energy storage device which, in relation to conventional electrochemical energy storage devices such as lithium-ion cells, enables a very high loading and unloading capacity with low aging in terms of energy capacity and preferably has only a low heat loss power loss and, moreover prefers one compared to
  • Energy storage and flywheels may also be certain capacitor batteries, which have the appropriate properties, in particular certain double-layer capacitors such as so-called super or ultra caps.
  • a mechanical energy store may in particular be a flywheel arrangement, a mechanical spring store, a pneumatic or hydro-pneumatic pressure store or the like.
  • a flywheel assembly which may include one or more flywheels, can receive and deliver energy by means of a rotating mass.
  • the energy content of the flywheel (or more flywheels) is called
  • An electrical energy store is in particular an electric flywheel, an electric capacitor, a battery, a reversibly operating fuel cell system or the like.
  • An electric flywheel is usually a functional combination of a flywheel and an electric machine, wherein the electric machine physically form part of the flywheel and may preferably be integrated into the housing of the flywheel.
  • An electrical capacitor can be
  • the term of the battery includes a memory for electrical energy based on a reversible electrochemical conversion and moreover also equivalent effective storage for electrical energy, in particular based on electrical or magnetic fields.
  • the usable charge range is usually only about 50% of the nominal capacity of the battery, since the battery is to be kept in a charge range of about 40-90% of the maximum possible charge amount to reduce aging.
  • SOC state of charge
  • usable energy content of a battery not to the nominal capacity of the battery, but on the actually usable in practice capacity of an unaltered battery under normal operating conditions.
  • a nominal battery capacity of z. B. 15 kWh therefore corresponds to an assumed usable charge range of 50% of a usable actual capacity of 7.5 kWh.
  • An SOC of 33% therefore corresponds to a removable energy of 2.5 kW.
  • the usable portion of the nominal battery capacity can be temporarily extended, which is why in these cases, a SOC of less than 0% or more than 100% is basically possible, for example, in case of failure of the
  • a low specific load on the battery is to be understood as meaning a specific charging and discharging capacity of the battery of at least below 3 ° C., but preferably below 2 ° C. Particularly preferred is a specific loading and
  • volume of the battery can be realized a significantly larger battery capacity and thus saved either weight and space or the battery at the same weight may have a higher capacity, causing longer local
  • Charge range allows, whereby the nominal battery capacity can also be chosen smaller or with the same nominal battery capacity, a higher usable battery capacity can be provided. Furthermore, the waste heat accumulated in the battery per discharged or stored amount of energy at low specific loading and unloading capacities is considerably lower, which greatly simplifies the temperature control of the battery and, finally, the aging of the battery is considerably lower at low specific powers under otherwise identical conditions.
  • a relatively long-cycle load on the battery is present when, compared to the rapid alternation between charging and discharging phases of conventional battery and hybrid electric vehicles, only very few changes occur over the course of time. This feature is met when the number of changes per time is at least about 5 to preferably 10 times, and more preferably more than 20 times less frequently. This has a positive effect on the aging behavior of the battery and also allows a relatively sluggish control.
  • the concept of high dynamic driving performance is mainly determined by the vehicle's power-to-weight ratio. Differences in terms of
  • Rolling resistances and the Cw value are particularly within vehicle types, e.g. usual cars, SUVs, pickups, vans, light and heavy trucks in modern design and manufacturing relatively low. Therefore, a reference to the power of the vehicle is sufficiently accurate to indicate the dynamic driving performance.
  • Acceleration of the vehicle an engine significantly superior performance curves during acceleration can be further assumed that a power to weight of about 20 kg / kW may be sufficient to provide a still good dynamic driving performance.
  • Usual sports cars such as the Audi TT quattro have a power to weight ratio of about 10 kg / kW and
  • the object of the invention is to present a drive device for driving machines with unsteady power requirements, such as in particular of motor vehicles, wherein a thus driven machine - has excellent energy efficiency,
  • the drive device according to the invention according to claim 1 is used to drive a machine with unsteady power requirements, such as from a motor vehicle.
  • a machine with unsteady power requirements such as from a motor vehicle.
  • Energy converter for example, and preferably as a piston internal combustion engine, but e.g. may also be configured as a turbine engine or engine of any other type for generating mechanical work from a chemical energy carrier, and / or contain a first fuel cell, which may possibly work reversibly or by assigning a reformer a reversibly operable
  • Fuel cell system component can form. Furthermore, a first electrical energy store is included, which may preferably be designed as an electrochemical, reversible battery, in particular lithium-ion-based or as a similarly acting, reversible electrical storage and / or contain a second fuel cell or a second fuel cell system component.
  • a first electrical energy store is included, which may preferably be designed as an electrochemical, reversible battery, in particular lithium-ion-based or as a similarly acting, reversible electrical storage and / or contain a second fuel cell or a second fuel cell system component.
  • High-performance energy storage provided, as defined above, characterized in that it can save compared to currently known electrochemical energy storage based on the maximum energy content very high performance with low aging and good efficiency and can deliver.
  • the high-performance energy storage preferably allows the use of a very large SOC range with low aging in comparison to known lithium-ion based electrochemical batteries.
  • this high-performance energy storage device preferably consists of a mechanical energy store and in particular a flywheel arrangement. Alternatively or additionally, for this mechanical energy storage and a
  • Spring storage a pneumatic or hydro-pneumatic accumulator or the like may be included.
  • the mechanical energy storage is associated with a second electric machine, which is preferably designed for the intended performance of the mechanical energy storage and advantageous as
  • Electric machine of an electric flywheel may be formed.
  • flywheel assembly exactly one or alternatively a plurality of flywheels can be provided, which in this case to extinguish
  • Double-layer capacitors and especially so-called super are especially so-called super or
  • the drive device comprises at least one drive means, in particular one or more drive wheels and the
  • Embodiment present - the or the drive means can mechanically and / or electrically drive.
  • the high-performance energy storage can deliver a power for driving the machine, which is higher by a factor of 1, 5 to 8 than the sum of the benefits of the first chemical-mechanical Energy converter in the
  • the above-mentioned dimensioning is therefore particularly advantageous because, given a design maximum of the machine or of the motor vehicle designed as given, it allows an advantageously small dimensioning of the chemical-mechanical energy converter or of the first fuel cell, at the same time as high overall power, without the first electric motor To interpret energy storage undesirable large or need to claim undesirable heavy.
  • the power of the flywheel assembly chosen smaller in relation to the performance of the engine, its power would be so large that the operation in the consumption-optimal operating range in many phases of operation, especially in city traffic would be possible only by disadvantageously high charging currents in the battery. Unless the battery is very large and thus unwanted heavy and expensive designed, the internal combustion engine (or a
  • Fuel cell, etc. are operated only for short periods due to the limited capacity of the battery and the flywheel assembly.
  • the proportion of the operating time of the internal combustion engine and an associated emission control system in an insufficient temperature range undesirably high, or the internal combustion engine would have to be operated in terms of consumption and exhaust emissions very disadvantageous partial load range.
  • the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) in comparison to a dimensioning according to the invention would be characterized by an unfavorably large weight and a disadvantageously large space requirement and unnecessarily high costs.
  • the internal combustion engine at a Design in a meaningful overall drive performance in many situations do not make sufficient contribution to the drive of the vehicle, such as on long-distance highway driving or recharging the battery, since its performance even at moderate driving requirements completely for driving the
  • Vehicle would be needed. To prevent this, and the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) nevertheless dimensioned sufficiently large to allow sufficient performance and recharge the battery even when the battery is discharged, the flywheel assembly would have to be large enough to make it the operation of the vehicle no or almost no benefits. Such dimensioning would therefore represent a cost unnecessary in terms of cost and space requirements.
  • Power weight between about 20 kg / kW and about 10 kg / kW and thus forms a lower limit of the factor range.
  • Factor 8 therefore forms a sensible upper limit of the factor range.
  • a design on a preferred or more preferred factor range 2 or 3 as the lower limit allows for about 15 kg / kW "normal" motorized vehicles in comparison to factor 1, 5 a smaller dimensioning of
  • factor range of 6 or 5 are preferred or more preferred, because they allow for a given power to weight compared with factor 8, an advantageous greater performance of the engine, just at about 15 kg / kW "normal" motorized vehicles a higher one
  • the possible higher charging power further enables the faster charging of the battery e.g. in preparation for entry into a zero-emission zone without joining
  • Task appropriate low specific charging power of the battery whose capacity to choose undesirable large.
  • the choice of the factor 4 is particularly preferred because in vehicles with a "normal" engine of about 15 kg / kW, with sporty motorization of about 10 kg / kW and even at extremely high engine power of about 5 kg / kW for the respective engines advantageous maximum continuous speeds of about 110 km / h or 130 km / h or 170 km / h, the claims to the respective
  • Charging power even with sporty motorized vehicles up to about 10 kg / kW power weight can still be done in battery sizes, their interpretation mainly due to the task, locally emission-free
  • the high-performance energy storage contains a mechanical energy storage, in particular in the form of a flywheel assembly
  • a particularly powerful and durable high-performance energy storage can be realized with very high efficiency and very large usable SOC range, which is also highly independent of temperature and characterized by low heat loss during operation and It is also based on a well-engineered, field-proven technology. It is particularly advantageous if at least one fast-rotating, wound flywheel is used for this purpose, which is more preferably in one
  • flywheel flywheel flywheels should be understood here with a maximum of at least 20,000, preferably at least 35,000 revolutions per minute.
  • An arrangement of the flywheel or wheels in a partial vacuum or a reduced-pressure atmosphere and / or a light gas reduces the friction and thus the energy losses of the flywheel or the flywheel considerably.
  • this mechanical energy storage or flywheel arrangement - wherein as described also a breakdown to a plurality of flywheels is possible - is mechanically coupled to a second electric machine or electric machines, can on a mechanical transmission of power to or from the
  • flywheel module completely or optionally partially omitted and thus the structural complexity can be reduced and in particular easily transfer energy between the battery and the flywheel or flywheel module.
  • the high-performance energy storage can be
  • Double layer capacitors are capacitors, in particular double-layer capacitors and particularly preferably supercapacitors or hybrid capacitors. These three groups of capacitors are also collectively referred to as electrochemical double layer capacitors. Double layer capacitors are
  • Capacitors whose very high specific capacitance compared to electrolytic capacitors is based at least in large part on the physical phenomenon of the Helmholtz double layers.
  • Hybrid capacitors such as lithium-ion capacitors, also have asymmetric, i. differently structured electrodes.
  • the electrochemical double-layer capacitors have in common that they are in
  • Capacitor as high performance energy storage in the sense of this document are particularly well suited.
  • the use of super or hybrid capacitors is preferred due to their higher energy density compared to double layer capacitors, with hybrid capacitors having the highest power densities, which is advantageous in terms of required space and weight.
  • supercapacitors have advantages in terms of efficiency, which is particularly advantageous in terms of an energy-efficient drive device due to the high and frequent loading and unloading the high-performance energy storage.
  • capacitors Compared to flywheels, capacitors have the advantage that no rotating masses and therefore also no dynamic driving effects by centrifugal forces occur, which accounts for provided on flywheels electric machine, or can be replaced by a power electronics and their
  • Double layer capacitors is lower. However, compared to flywheels they are currently even more expensive in relation to the energy content and require an interconnection of a large number of individual capacitors for the energy contents and outputs required here, and thus an elaborate control and monitoring electronics.
  • the chemical mechanical energy converter is mechanically coupled to a first electric machine, because this allows a conversion of the mechanical energy into electrical energy, which significantly easier on different energy consumers such as the drive wheels, the battery and the flywheel module is to be transferred, whereby the structural complexity can be significantly reduced.
  • the drive means or the drive wheels or is mechanically connected to at least one third electric machine or the structural complexity for the transmission of mechanical power can also be reduced, and especially if required, electric power from or into the battery without further, especially for it to be provided to the conversion units to and from the drive wheels.
  • the combination of drive means, mechanical connection and third electric machine can also be realized in particular in the form of wheel hub motors, which make advantageous use of the available space in the rim anyway and greatly simplify the power transmission, especially in steered wheels and thus also reduce the structural complexity.
  • first electrical energy storage or the battery is electrically connected to the first and / or the second electric machine of the internal combustion engine module or the flywheel module, so that the first electrical
  • Energy storage or the battery can absorb electrical energy from there and deliver it there, results in a particularly flexible system with a variety of options for the management and storage of power, also in comparison to mechanical line transmissions greatly reduced structural complexity.
  • first fuel cell and / or the second fuel cell are designed as reversible fuel cells which, together with an associated fuel tank, form a first and / or second fuel cell module functioning as an electrical energy store.
  • Fuel cell is formed reversible, it can in accordance with
  • the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) in the consumption-optimal operating range are designed to deliver in total a power that is the sum of the power consumption of conventional auxiliary active in operation and the power requirement for maintaining a constant in-plane vehicle speed at a desired steady state maximum speed, preferably in the range between 90 km / h and 150 km / h, more preferably between 110 km / h and 140 km / h, and most preferably at 120 km / h to 130 km / h.
  • the motor vehicle is able, regardless of
  • Flywheel assembly and the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) on the one hand can provide a desired high total drive power of the motor vehicle and also in highway driving under practical conditions sufficient recharge of the battery and / or the flywheel assembly by the internal combustion engine (or fuel cell, etc.) allows to keep the flywheel in a sufficient condition under normal conditions To maintain state of charge in order to provide the desired, high maximum drive power safely available.
  • the choice of the maximum continuous speed can be made dependent on the design or assumed use of the motor vehicle and permissible or in practice possible maximum speeds on highways. For example, if the vehicle is designed for city traffic and designed for occasional use on motorways, the maximum permissible speed can be set lower than for a vehicle that has just been designed for long-distance driving on motorways.
  • a motor vehicle for countries with a general maximum speed of e.g. 100 km / h can be sensible to this maximum maximum speed, possibly with a surcharge of e.g. 10% are designed. Even a motor vehicle for long-distance driving on German highways without general
  • the high power energy storage or flywheel assembly can store a maximum usable amount of energy sufficient to power the engine or motor vehicle at least two times, preferably at least three times, and more preferably between 3.5 and 5 times from standstill to maximum steady state speed
  • the flywheel assembly is dimensioned so large that on the one hand always such a significant amount of energy from the flywheel assembly for the Drive can be provided that their actual limitation can not be perceived by a driver under normal operating conditions and at the same time the SOC of the flywheel assembly can always be chosen so that (as far as technically possible) the entire kinetis che energy of the vehicle in the high-performance energy storage or the flywheel assembly can be recuperated.
  • the exact sizing may in turn make sense from the suspected real operating conditions of the
  • Flywheel arrangement to be chosen lower than in a vehicle which is designed for a sporty driving style.
  • a factor of at least 2 represents a reasonable lower limit of the
  • Roof rack allowed increased air resistance.
  • a factor of at least 3 is preferred because it provides correspondingly higher power reserves.
  • a particularly preferred design in a factor range between 3.5 and 5 allows the driver to participate only in extreme conditions Discharge of the flywheel is facing a strong decline in driving performance.
  • such a design makes it possible to keep the SOC of the flywheel in a middle range below 80-90% SOC in most of the operating phases, which is advantageous in terms of energy efficiency due to the high power dissipation in the upper SOC range of the flywheel. Since dimensioning to a factor greater than 5 leads to no significant advantages in terms of performance, but to an increased cost in terms of cost, weight and space requirements of the flywheel, factor 5 is considered as the upper limit of the particularly advantageous factor range.
  • This advantageous dimensioning is made possible by the fact that the battery is used in the presented drive concept primarily to the resulting in operation energy losses of
  • Balance flywheel which not only low loading and unloading, but also in relation to the temporal performance profile of a motor vehicle in city and overland operation allows very long loading and unloading cycles. If the usable capacity of the battery is such that it is at least a factor of 4, preferably by a factor of 8 and more preferably at least by a factor of 10 greater than the usable capacity of the flywheel assembly, on the one hand desired long, locally emission-free ranges can be achieved and on the other hand, the sufficient recharging of energy from the battery in the flywheel assembly even in sporty driving or difficult
  • the machine has an external charging port, via the electrical energy between on the one hand at least one of the internal electrical
  • Energy storage and an external power grid can be replaced on the other hand, it is possible to operate the machine or the motor vehicle as a plug-in hybrid vehicle and, if desired, in practice, according to a plug-in electric vehicle.
  • the internal combustion engine or the first fuel cell can in this case mainly for extreme
  • the vehicle can, if necessary, with the help of a suitably designed control also feed energy and in particular control energy in the power grid or operate external consumers.
  • a charge control device for charging at least one of the electrical energy storage preferably the battery and the flywheel device, is provided whose continuous power is such that it can deliver a maximum charging current for the battery in the amount of at least 1 C, preferably of about 1.5 C. , resulting in network charges advantageously short, possible charging times of - starting from a usable capacity of about 50% of the nominal battery capacity - about 20 to 30 minutes.
  • This design further allows the operation of the motor vehicle operation of the charge control device for loading and unloading of the battery in a range with good efficiency.
  • High-performance energy storage or its electric machine possibly with the exception of the line from and to the external charging port and preferably from and to at least one and more preferably all of the mechanically coupled to the drive means electric machines are designed for safe to touch voltages, voltage converters are attributed to the respective components and assigned locally, which can be in electrical and
  • Hybrid vehicles previously required effort to protect people from electric shocks are significantly reduced, since only spatially narrow areas have a dangerous voltage.
  • the drive concept presented above allows the power flows between the first electric machine and / or the first fuel cell, the battery and / or the second fuel cell, and the high-performance energy storage and preferably at least partially the drive electric machines to powers of less than 30 - 40 kW limit what at a voltage of 100 volts or 120 volts DC high, but still reasonable continuous currents of maximum 300 - 400 ampere conditional.
  • the weight of the lines and the electrical losses can also be advantageously limited.
  • the sum of the powers of the drive train electrical machines should advantageously be further dimensioned such that they can receive and deliver at least a maximum of 10 seconds, preferably over a period of 20-30 seconds and more preferably indefinitely, an electrical power Performance of the high-performance energy storage or the second electric machine corresponds.
  • the sum of the performances of the drive electric machines is significantly higher than the maximum power of the second electric machine, namely at least the value of the maximum electric power generated by the internal combustion engine - together with the first electric machine - and any existing one first fuel cell is generated. It is also a particular advantage if the power sum of the drive electric machines is even higher, namely about the value of the power corresponding to the discharge current of the battery at 1 C.
  • the sum of the services of the drive train electric machines should be unlimited in time, at least for at least 10 seconds, preferably at least 20 -30 seconds can be applied.
  • the peak performance and the period for increased performance by the prime movers should be optimally chosen so that, taking into account the limited energy content of the flywheel and the limited benefits of the flywheel and the other energy-supplying components, even in sporty driving style no bottlenecks or performance restrictions.
  • Driving speeds is switched on, it is further preferred if the power absorbable by the drive electric machines in total is greater than this power at least the maximum electric power of the internal combustion engine drive train, as additional power reserves are provided for driving situations with particularly high power consumption at low cost can. Finally, it makes sense to increase this maximum power of the sum of the drive electric machines again by the electric power, the corresponds to the discharge current of the battery at 1 C, as this power can be removed from the battery without overloading them excessively.
  • the drive device also makes it possible to realize a power generator in a simple manner in an associated vehicle.
  • Fuel cell module structurally installed to a corresponding module. This can be designed and arranged so that it can be removed within a short time without expertise from the vehicle.
  • the vehicle is correspondingly lighter and it is a space free, which can be used in various ways, such as luggage or storage space.
  • such a removable module also allows a secondary use of the components contained therein, such as a stationary power generator, which can provide, for example, when required control energy for an electrical supply network.
  • a stationary power generator which can provide, for example, when required control energy for an electrical supply network.
  • components required for operation such as a control device, a fuel tank and an exhaust system or parts thereof may be integrated into the module or, alternatively, additionally provided in an external module receptacle.
  • the maximum speed of the vehicle is determined, which with the help of the currently in the high-performance energy storage or the
  • Flywheel module stored energy and their deliverable power is achievable and can be maintained for a predetermined distance.
  • its performance can also be taken into account, preferably when the internal combustion engine is running or can be started.
  • Different parameters can be taken into account, such as the nature of the landscape (gradient, slope, pavement, etc.), vehicle load (number of occupants, their weight, luggage, roof luggage, etc.), weather conditions (temperature, wind, etc .) and / or the like.
  • the signal device according to the invention signals are supplied, which are a measure of the above-mentioned maximum speed. Depending on this
  • a corresponding optical display is particularly well suited.
  • This has suitable optical means, such as a circle segment, a pointer, a beam or the like.
  • These can be realized mechanically, as an LCD, as an LED or in any other suitable manner.
  • it is particularly favorable to present the power reserves available in the short term in the form of a representation in the speedometer or spatially adjacent thereto and information about the currently achievable and for a predetermined distance to give a maintainable top speed.
  • the signal device according to the invention is further transmitted a signal about the currently driven speed or the position of a speedometer speed display and the optical signal activated only from one of this speed or speedometer position corresponding position.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the drive device according to the invention with reference to a block diagram
  • Fig. 2 shows a second, more concrete embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating various operating phases and modes of the drive device, particularly with respect to the second
  • Fig. 4 is an illustration of a display device for the drive device.
  • Fig. 1 shows a symbolic block diagram for a first embodiment with the essential components of a drive device according to the invention.
  • This first embodiment relates to a drive train, preferably for a hybrid vehicle, not shown here, in particular road vehicle, and serves in particular to represent the range of possible characteristics. For the sake of clarity was on the representation of for the
  • Fuel pumps, air conditioners, comfort systems and the like are not shown, since the expert will supplement this without own inventive performance according to the respective requirements. It should also be noted that in other embodiments, not all components shown here must be included. In addition, it is possible that at least some of these components are integrated with other designs. To simplify the description, individual components are combined into modules in the following. It is understood that in other embodiments, the components combined in the modules can also be realized individually or in other combinations with each other.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 1 has an internal combustion engine module 10 in which an internal combustion engine 14, an associated first tank 20 and a first fuel line 18 are contained.
  • a first fuel cell module 11 includes a first fuel cell 16, which is connected via a second fuel line 22 to a second tank 24. In normal operation, these tanks 20, 24 contain a chemical energy carrier, which is usually liquid or gaseous and is also referred to below as fuel.
  • a second fuel cell module 12 includes a second fuel cell 28 which is connected via a third fuel line 30 to a third tank 32 into which suitable fuel can be charged. In the preferred embodiment, the second fuel cell 28 is less powerful than the first fuel cell 16. Further, a battery 34 is present, which is connected via a first electrical line 36 to an external charging port 38.
  • a flywheel module 13 is provided in which a second
  • the flywheel module 13 may also be designed as an electric flywheel, in which the flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 are integrated with each other.
  • the flywheel assembly 42 preferably consists of exactly one flywheel or an even number of flywheels (not shown separately here), which are in opposite directions in pairs, whereby centrifugal forces cancel each other as far as possible.
  • the one or more flywheels are preferably as wound, arranged in a reduced-pressure environment
  • High speed flywheels with a maximum number of revolutions of at least 20,000, preferably formed at least 35,000 revolutions per minute.
  • a third electric machine 44 - hereinafter also referred to as a drive electric machine - and drive wheels 46 are shown.
  • the drive electric machine 44 may also include a plurality of electric machines, for example, acting on different axes of the vehicle or on individual drive wheels 46, for example in the form of as well
  • Hub motors referred to wheel hub electric machines The
  • Electric machines 26, 40, 44 are each designed such that they can be operated both as an electric motor and as a generator.
  • the number of drive wheels 46 depends on the type of vehicle used. Thus, although drive wheels are usually referred to in this description, a plurality of drive wheels or even only one of them may be provided. In a typical passenger car, their number is 2 or 4.
  • the internal combustion engine 14 is connected to the first electric machine 26 via a first mechanical drive 48 and to the drive wheels 46 via a second mechanical drive 50, wherein the second mechanical drive 50 is also equivalently connected to or integrated with the first mechanical drive 48 the shaft of the first electric machine 26 can attack.
  • These two drives 48, 50 allow mechanical energy from the engine 14 to be delivered to the components 26, 46, respectively. On the other hand, these components can provide mechanical power to the
  • Transfer internal combustion engine 14 in particular to start this and / or to tow the engine 14 and thus to use as an engine brake, which is preferred due to the associated energy losses only in a few exceptional cases, for example, in very long downhills, if no further charge the flywheel assembly 42 and the battery 34 is more possible or desired.
  • the flywheel assembly 42 is connected to the second electric machine 40 via a third mechanical drive 52 and to the drive wheels 46 via a fourth mechanical drive 54, the fourth mechanical drive 54 also being equivalently connected to or integrated with the third mechanical drive 52 the shaft of the second electric machine 40 can attack.
  • a fifth mechanical drive 56 exists between the third
  • the first fuel cell 16 is connected via a second electrical line 57 to the third electric machine 44, via a third electrical line 58 to the first electric machine 26 and via a fourth electrical line 60 to the second electric machine 40. Electrical energy can be via the fourth electrical Line 60 and another, fifth electrical line 64 between the first fuel cell 16, the second electric machine 40 and the battery 34 are transmitted. Electrical energy can also be transferred via the electrical lines 68 and 70 between the first electric machine 26 and the battery 34 or vice versa, for which purpose a separate sixth electrical line 72 can be provided as an equivalent.
  • the second electric machine 40 is also connected to the second fuel cell 28 via a seventh electrical line 62 and to the third electric machine 44 via an eighth electrical line 66. Via the electrical line 72 arranged between the first electric machine 26 and the battery 34, the battery 34 can be charged by the first electric machine 26 and the first electric machine 26 can be used to start the electric motor 26
  • Electric machine 26 and the second electric machine 40 possible, for which, equivalently, a separate twelfth electrical line 84 shown in Figure 2
  • the drive electric machine 44 is further connected via a ninth electrical line 68 to the first electric machine 26 and via a tenth electrical line 70 to the battery 34, which is also connected via an eleventh electrical line 74 to the second fuel cell 28.
  • the existing mechanical drives 48, 50, 52, 54, 56 may be designed in various ways. For example, they can be designed to be continuous and / or provided with electromagnetic or other couplings. The only point here is that both the input and output variables are mechanical. Therefore, for example, hydraulic and pneumatic transmission devices with the use of appropriate converters and other conventional auxiliary equipment are possible and should be included, since they represent mechanical active connections in the context of this document.
  • Supply drive train components with drive energy and / or drive the first electric machine 26 via the mechanical drive 48 as a generator. Further, it is also possible for certain operating conditions, in particular for starting the internal combustion engine 14 and / or for its rapid acceleration to a desired speed, mechanical energy from the first
  • Drive wheels 46 are passed via the second and first mechanical drive 50, 48 to the first electric machine 26, wherein the internal combustion engine 14 are preferably uncoupled via a clutch, not shown, or freewheel or alternatively can run to realize an engine brake.
  • an additional recuperation power can be achieved by the first electric machine 26 with or without simultaneous engine braking action of the internal combustion engine 14.
  • the first electric machine 26 may be formed to have a
  • a first or high-performance fuel cell 16 is provided instead of the internal combustion engine 14 or in addition to this, this can generate electrical energy with the aid of the fuel stored in the second tank 24.
  • this can also generate electrical energy with the aid of the fuel stored in the second tank 24.
  • both the first fuel cell 16 and the internal combustion engine 14 the performances of both
  • Power sources 14, 16 can be divided as desired, but in total should be able to provide at least the power required for a maximum steady state speed.
  • the electrical power of the first electric machine 26 and / or the first electric machine 26 can be divided as desired, but in total should be able to provide at least the power required for a maximum steady state speed.
  • Fuel cell 16 may optionally be used to drive the drive wheels 46 by transmitting the electrical energy via the electrical leads 68 and / or 57 to the drive electric machine 44.
  • a mechanical one
  • Interaction between the engine 14 and the drive wheels 46 is not required in this case, but may be additionally provided.
  • Combustion engine drive train or internal combustion engine module 10 and / or the first fuel cell module 11 may be preferably used to flywheel 42 if necessary via a mechanical drive, not shown, and / or via the mechanical drive 48, the first electric machine 26 and the electrical lines 72nd , 64 and the electrical lines 60, 64 and the second electric machine 40 and the mechanical drive 52 to
  • the three tanks 20, 24, 32 can also be partially or wholly combined according to practical considerations, as far as the nature of the fuel permits.
  • the battery 34 of the flywheel-based drive train 12 may preferably be chargeable via the external charging port 38. This can preferably also be designed to charge the flywheel assembly 42 via the second electric machine 40 or a regenerative fuel cell 28, 16 or a
  • Synthesizer with energy for the synthesis of fuel to supply and / or be designed if necessary, optionally also energy to an external
  • the second fuel cell 28 may be provided in addition to the battery 34 (as shown in FIG. 1) or alternatively.
  • the second fuel cell 28 is preferably less powerful than the first fuel cell 16 because, in the event that it is provided in place of the battery 34, substantially replacing the power of the battery 34 with the second electric machine 40 for driving the flywheel assembly 42. As will be explained in more detail below, this power can be significantly smaller than the power of the internal combustion engine 14 in the optimum operating range or of the first fuel cell 16 replacing the internal combustion engine 14.
  • the sum of the design-relevant maximum powers of the battery 34 and the second fuel cell 28 is substantially constant and is measured according to the anticipated maximum, via the second electric machine 40 in the
  • Flywheel assembly 42 according to design to be fed in averaged net Nachlade Anlagenlade concerning the flywheel assembly 42, possibly plus the expected power consumption of other electrical loads, such as electric heaters, lighting, air conditioning, comfort systems and Controls (not shown).
  • the second electric machine 40 can, however, if required, and preferably also significantly more powerful designed to the mechanical power transmission via the mechanical drive 54 between the flywheel assembly 42 and the drive wheels 46 partially or preferably completely by a mechanical coupling 52 between the
  • the flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 are shown functionally as two components, both components 42, 40 may preferably be integrated into one assembly. This offers advantages in terms of installation space and weight in a preferred, running in a substantial vacuum flywheel also benefits in terms of a waiver of shaft seal and a reduction in the losses of the second electric machine 40, which in this case also be arranged in a substantial vacuum can.
  • Main function of the battery 34 and / or the second fuel cell 28 is the delivery of electrical energy to the second electric machine 40 to the flywheel - or more - the flywheel assembly 42 in a
  • Flywheel assembly 42 serves as an essential energy source or
  • the electrical energy generated by the second electric machine 40 can also be used for other purposes, in particular for
  • Flywheel assembly 42 and / or for the reversible operation of at least the second fuel cell 28 and / or possibly the first fuel cell 16 produce.
  • a moment can also be removed from the drive wheels 46 and converted into electrical energy via the drive electric machine 44 and / or the first electric machine 26 and, alternatively or in addition to a mechanical drive 54 of the flywheel assembly 42 by the drive wheels 46, also for Drive the flywheel assembly 42 via the second
  • Electric machine 40 for charging the battery 34 and / or for the reversible operation of at least one of the fuel cells 28, 16 are used.
  • the various electric machines 26, 40, 44 can also be combined or divided among several electric machines and not necessarily
  • FIG. 1 shows a block diagram for a second embodiment. This is a simplified or more concrete embodiment of the drive concept compared to the embodiment described above. Identical or functionally similar components are identified with the reference numerals used in FIG. 1 and these are only discussed insofar as is necessary for the understanding of the present invention.
  • the flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 coupled thereto via the third mechanical drive 52 are preferably designed as a flywheel with an integrated electric machine, and - in contrast to FIG. 1 - are referred to below as the electric flywheel 43.
  • flywheel assembly 42 and second electric machine 40 the space can be used more efficiently and problems with respect to a shaft feedthrough to a running in a substantial vacuum flywheel avoided and the losses of the electric machine 40 are greatly reduced by turbulence.
  • the internal combustion engine 14 is combined with the first electric machine 26 by the bidirectional mechanical drive 48 structurally to a generator 15, which optionally to avoid conversion losses over a preferably bidirectional mechanical coupling 82 may be connected to the drive wheel 46, wherein a non-illustrated, switchable clutch and a not shown gear can proceed with stepless or stepped-interchangeable translation.
  • the functions of the clutch and the transmission can be taken over by a suitable embodiment of the first electric machine 26.
  • the mechanical drive 82 can also take place between the drive wheel 46 and the internal combustion engine 14 if an additional clutch or a freewheel and possibly an additional transmission are provided, corresponding to the mechanical drive 50 of FIG. 1. It is also possible to use the rotor the first electric machine 26 on a continuous mechanical drive, consisting of the mechanical drives 48 and 82 to arrange.
  • the drive electric machine 44 is here preferably embodied as an electric machine integrated into the drive wheels 46, and the combination of drive wheel 46 and drive electric machine 44 and its mechanical drive 56 can be configured as a wheel hub motor 45. It should be noted that it is also possible to provide a drive wheel 46, which is exclusively by the
  • Drive electric machine 44 is driven.
  • a plurality of drive wheels 46 are normally provided in a vehicle. This also applies in the same way to the number of wheel hub motors 45 and the electric machines 44 contained therein, even if in the following the elements 44, 45 and 46 are usually mentioned only in the singular.
  • the top speed is 168 km / h, with an Eco mode is provided, in which the engine power is throttled to a maximum of about 31, 5 kW and the maximum speed is limited to 160 km / h, which is safely achieved with this power.
  • the drive concept according to the invention provides that the generator 15 can deliver an output in an optimal working range of the internal combustion engine 14, which in addition to the average power consumption of conventionally operated in the vehicle consumers of the sum of the driving resistances at a desired, determined by the structural design,
  • the power of the engine 14 should be sized here so that the vehicle
  • the electrical power of the generator 15 can be delivered as needed via the electrical line 68 to the wheel hub motor 45 and / or via the electrical lines 72, 84 to the battery 34 and / or to the electric machine 40 of the electric flywheel 43.
  • the electrical lines are each designed bi-directional.
  • the first electric machine 26 may also be preferred as a starter motor for the
  • the internal combustion engine 14 can also be started by providing the optional mechanical coupling 82 by closing the unillustrated switchable clutch by removing a torque from the drive wheel 46 while the vehicle is running. If the optional mechanical drive 82 is provided between the power unit 15 and the drive wheel 46, the first electric machine 26 can be designed for a lower power of, for example, 15 kW or less or can be replaced by a conventional starter motor or starter-generator in order to reduce space, Reduce weight and component costs.
  • the internal combustion engine 14 it is preferable to operate the internal combustion engine 14 only or at least predominantly while the vehicle is running, if at least predominantly a power can be output to the drive wheel 46 which corresponds to the difference between the power of the internal combustion engine 14 and the power of the first electric machine 26 or corresponds to the starter generator. Due to the low additional cost of a design of the first electric machine 26 on the performance of
  • Internal combustion engine 14 is not preferred, but is intended
  • the first mechanical drive 48 between the internal combustion engine 14 and the first electric machine 26 is a first shiftable clutch, not shown
  • the sixth electric drive 82 which is the first electric machine 26 and the drive wheel 46, a second shiftable clutch, not shown include. This allows the internal combustion engine 14 by closing the first clutch and opening the second clutch together with the first electric machine 26 as
  • Generator 15 are used without mechanical connection of the engine 14 to the drive wheels 46. By opening the first clutch and closing the second clutch, the first electric machine 26 at
  • switched off internal combustion engine 14 via the sixth mechanical drive 82 also work as a drive electric machine 44.
  • Electric machine 26 this or the drive electric machine (s) 44 of the associated axle, in particular the rear axle, completely replace or take over their function with.
  • the first electric machine 26, which is preferably designed for the power of the internal combustion engine 14 has the advantage of being able to provide a plurality of drive electric machines 44, 26 of different power for a driven wheel or the driven wheels 46 of an axle, as a result of which the overall efficiency of the drive electric motors 44 or 26 by a corresponding to the respective efficiencies for the respective
  • Achievements improved and preferably optimal distribution to different drive machines 44, 26 can be optimized. Further, it is possible to close both clutches during operation of the internal combustion engine 14 and to operate the first electric machine 26 either as a generator, to reduce energy not required for the vehicle drive, to convert it into electrical energy and to store it in the electric flywheel 43 and / or the battery 34.
  • the first electric machine 26 may also be operated by a motor to deliver additional mechanical power to the drive wheels 46.
  • the power unit 15 in the rear of the vehicle, it would be possible, for example, a switchable with the rear axle first electric machine 26 with in this example about 25 kW continuous power with another on this axis or their drive wheels 46 operatively connected drive electric machine 44 To combine 15 kW power, whereby even low drive power can always be applied or recuperated by an electric machine 26, 44 in a load range with good efficiency.
  • Wheel hub motors 44 and 45 each with eg 7.5 or 10 kW is replaced, since then very low power or braking performance, as they often occur when driving at a constant speed or very low acceleration or deceleration in city traffic, by operating only a wheel hub motor a range of good efficiency can be provided.
  • Such low power outputs can without significant negative impact on the Driving behavior also act asymmetrically with respect to the longitudinal axis of the vehicle, especially since the asymmetry can be lifted at any time if needed.
  • a transmission with stepless or stepped transmission is to be provided in the area of the first or sixth mechanical drive 48, 82, resulting in a considerable expenditure in terms of costs, Weight and space and due to the efficiency of the transmission, a reduction in the total efficiency.
  • Speed range of the vehicle is provided. This makes it possible to mechanically connect the internal combustion engine 14 to the drive wheels 46 either by a very simple and low-friction gear stage with fixed gear ratio or possibly a gearbox with two fixed ratios or a continuously variable gearbox with correspondingly small ratio spread.
  • the consumption-optimal operating range of the internal combustion engine e.g. a spread of speed by factor two could be one on one
  • Speed range between about 100 km / h and 200 km / h with only a fixed ratio for the mechanical drive of the drive wheels 46 are used.
  • the cost of the gearbox in terms of weight and cost and efficiency-related energy losses of the transmission can be advantageously avoided or at least be greatly reduced. It should be noted that this also realizes an engine braking function which is also in the speed range below the for a
  • Coupling for driving purposes necessary lower vehicle speed can be used. This is preferably used only when the battery 34 and the flywheel 43 are not to receive any further charge and may e.g. be used for very long descents.
  • optical working range implies that the power output of the internal combustion engine 14 can be varied by, for example, 20%, the concrete power range being determined by the percentage of efficiency degradation accepted, which is as described above up to 10% can, but preferably should not exceed 5% or only in exceptional cases.
  • an operating phase can preferably be used to set special operating states, for example to heat the internal combustion engine 26 to a desired one
  • the capacity of the flywheel assembly 42 is 0.75 kWh and the output from the flywheel assembly 42 and the electric flywheel 43 and recordable power is about 100 kW.
  • fourth mechanical drive 54 added the design of the second electric machine 40 could be reduced to a power that corresponds to at least the time averaged net power requirements in urban and rural road traffic and is assumed here with a maximum of 10 kW. Roughly rough can be assumed that the weight of the electric flywheel 43 of about 35 kg at a volume of about 25 dm 3 .
  • the battery 34 has a usable capacity of 7.5 kWh in this example, which corresponds to a nominal capacity of the battery 34 of 15 kWh assuming a useful 50% SOC range, with a usable SOC related to the nominal capacity Range of z. B. 40% to 90% is based. Based on mature lithium-ion battery cells, the battery 34 can be assumed with about 130 kg at about 60 dm 3 space. In the preferred embodiments, two or four wheel hub motors 45 are included with a total electrical design power of 140 KW, to achieve optimal recuperation either only the wheels of the
  • Front axle are electrically driven or in a preferred embodiment as a four-wheel drive power is divided approximately 70:30 between the drive wheels 46 of the front axle and the rear axle, resulting in a power of the two front wheel hub motors 45 of about 50 kW and the two rear wheel hub motors 45 each of about 20 kW results. This allows for low drive and Rekuperations threaten operation of the
  • Wheel hub motors and their control electronics in a range of good efficiency.
  • the on-board battery can be interpreted significantly smaller or completely eliminated and a smaller fuel tank and a smaller exhaust system can be used, resulting in the extra weight compared to the mental
  • the example vehicle is characterized by the following properties:
  • Flywheel-based powertrain having an electric flywheel 43 with 0.75 kWh of usable capacity of the flywheel assembly 42 and 100 kW of maximum power of the integrated electric machine 40, a battery 34 with 7.5 kWh of usable capacity and an external charging port 38
  • Front axle electric machines 44 have a power of 50 kW and acting on the drive wheels 46 of the rear axle
  • Electric machines 44 have a power of 20 kW each. It should be noted that the power of the first electric machine 26 is a continuous power, while the power specifications of the remaining
  • Electric machines 40 and 44 should also be able to relate to excellence that can be applied over periods of time that arise from the requirement profiles of the specific vehicle but should be at least about 10 seconds, preferably at least 20-30 seconds.
  • the continuous power can be selected as needed up to about 50% lower, resulting in a continuous power of the electric machine 40 of the electric flywheel 43 of at least 50 kW and a total output of the wheel hub motors 45 of a minimum of about 70 kW.
  • the power unit 15 has a maximum dynamic drive power of 140 KW, wherein the power unit 15 about 25 kW and the flywheel 43 can provide about 100 kW of power and the 140 KW missing 15 KW can be removed if necessary from the battery 34,
  • Recuperation of 7.5 kW has a locally emission-free travel time of about one hour
  • the battery 34 due to the required only in normal operation for recharging the flywheel 42 and the electric flywheel 43 power of about 5 to 10 kW can be discharged very gently and with temporally largely constant current, which significantly extends their life, largely avoids Temper michsprobleme and possibly an extension of the usable SOC range allows
  • This performance is mainly due to the fact that power and maximum energy content of the electric flywheel 43 are dimensioned so that in almost all operating conditions whose full power of 100 kW for the drive is available or can be recuperated from the drive in the electric flywheel 43, while the battery 34 substantially only for the recharging of the electric flywheel 43 to compensate unavoidable
  • Electric flywheel 43 allows. Only by the relative design of the components to each other a vehicle is possible, which is locally emission-free operable with excellent dynamic performance for shorter, dependent on the usable capacity and the SOC of the battery 34 routes of up to about 100 km as a flywheel electric vehicle and at the same time also suitable for long-distance journeys without restrictions.
  • the usable capacity of the battery 34 can be selected larger or smaller if required, if a larger locally emission-free range should be realized or a lower is considered sufficient.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the essential steps for the cold start of the vehicle, the warm start and the normal operation of the vehicle in the flywheel mode, at the extended maximum speed, in the range external and in the boost mode, the essential logical steps
  • the essential logical steps For reasons of clarity are presented without possibly necessary or meaningful intermediate steps that will complement the expert as needed according to the specific design of the vehicle and its design criteria.
  • step S2 it is determined whether the condition of the battery 34 is sufficient to deliver a power P1 which is greater than a minimum power Pminl. This is necessary in order to start the internal combustion engine 14 by means of the first electric machine 26 by power drawn directly from the battery 34.
  • the operating state of the battery is determined by means of various parameters, in particular, the SOC of the battery 34, its temperature or its SOH.
  • the aging of the battery 34 is also preferably taken into account.
  • Pminl can be a specified power, which is sufficient even under unfavorable conditions for a safe start of the engine 14. If necessary, however, Pminl may also be determined taking into account parameters such as the outside temperature, the engine oil temperature, or historical power values determined for the start of the internal combustion engine. If the battery condition is insufficient (P1 ⁇ Pminl), the
  • Electric flywheel 43 accelerates in step S3 with a low power from the battery 34 to a subsequent start of the engine 14 sufficient SOCminl and then in step S4, the internal combustion engine 14 with removed from the flywheel 43 energy through the first
  • Electric machine 26 started.
  • the transmitted from the battery 34 in the electric flywheel 43 power can in turn be selected depending on the aforementioned parameters of the battery so that it is at least not permanently damaged.
  • the power can be very low in a very aged, partially defective, almost completely discharged or very cold battery 34 and in extreme cases only a few 10 watts. Since this power is collected in the electric flywheel 43, a sufficient amount of energy is still available after a few seconds and at the latest after a few minutes in the electric flywheel 43 in order to safely start the internal combustion engine with the required high power. The vehicle is ready to go. Thus, the power of the internal combustion engine 14 is now available, which in the preferred
  • Internal combustion engine is stopped by a command of the driver or a device of the vehicle.
  • step S6 If the query in S2 indicates that the battery condition is sufficient to deliver the required power (P1> Pminl), it is first checked in step S6 whether there is an explicit request for operation of the vehicle in the engine-powered mode or if the battery 34 has a SOC, SOH or one
  • step S6 If so (Yes in step S6), it goes to step S7 and the engine 14 is started with the power taken out of the battery 34 by the first electric machine 26, and the vehicle is in the above-described running state of step S5.
  • the electric flywheel 43 is first charged in step S 10 by means of the battery 34 removed energy to a sufficient for the start of driving SOCmin2.
  • This may be the case for a sufficiently charged battery 34 at a very low battery temperature, at which the removal power of the battery 34 is initially limited to a few kW in order to keep their aging low.
  • the SOCmin2 of the electric flywheel 43 may be fixed or preferably based on the power that can be taken from the battery 34 and an estimate of the increase in this power on the basis of others
  • Battery parameters in particular SOC, SOH and battery temperature can be set variably. For very cold battery 34 or a power removable from the battery for other reasons, e.g.
  • Electro flywheel 43 for example, be considerably higher than a removable from the battery 34 power of 10 KW, since the Nachladeante the battery 34 in the electric flywheel 43 in the first few minutes of driving in the former case is likely to be insufficient to the energy losses of the vehicle.
  • SOCmin2 of the electric flywheel 43 using e.g. an accepted aging of the battery 34, the outside temperature and a possible heating power for heating the battery 34, a battery model, a prediction of the route profile to be traveled and other influencing factors conceivable and useful.
  • step S1 Upon reaching the SOCmin2 of the flywheel 43 at the end of step S10, step S1 is proceeded to, in which the vehicle is ready to run in flywheel mode. In this condition, the total output of the electric flywheel of 100 KW, if necessary minus the power requirement of
  • the time required for the vehicle to be ready for charging the electric flywheel 43 can be shortened from the driver's point of view by the beginning of the charging of the electric flywheel 43, for example already at a release of the vehicle doors, possibly via a special button, or is initiated when approaching the driver's door with a transponder or by a time code.
  • Step S7 or S3 To increase the satisfaction of the users, it makes sense to provide them with information about the remaining time until they are ready to drive, for example in the form of a countdown of an optical drive Display, eg by a bar graph, so that they can make a qualified decision whether they want to wait for the readiness to fly in flywheel mode or prefer immediate driving readiness by a manual request of the internal combustion engine mode, resulting in a change not shown in the figure Step S7 or S3 would lead.
  • step S12 is proceeded to.
  • the charging of the electric flywheel 43 to a SOC of SOCmin2 and the associated waiting time can be dispensed with.
  • the battery 34 can provide a sufficient or acceptable power for the drive of the wheel hub motors 45 of approximately 20 kW in this example in step S12. The vehicle is thus ready for immediate operation, although initially only with a low maximum power, that of the battery 34th
  • step S13 depending on the state of the battery 34, in particular their SOC, SOH and temperature, either the SOC of the flywheel and / or the withdrawal power from the battery is reduced to minimize their aging.
  • Example vehicle can, for suitable battery conditions, in particular Battery temperature and SOH briefly, for example, a maximum
  • Electric flywheel 43 an immediate provision of a driving performance, which is not perceived as restricted from the perspective of a driver for Ausparkvortician or driving from a parking lot and also for acceleration in the
  • the electric flywheel 43 would be e.g. already after 15 seconds Ausparkvorgang at a battery power of 1, 5 C corresponding to about 22 kW and at an average in this time for charging the electric flywheel 43 available power of 18 kW a
  • step S14 the
  • Electric flywheel 43 accelerates to an optimal SOC (SOCopt), for which when the power generator 15 is currently not required for the drive of the vehicle and ancillaries power of the generator 15 and taking into account their capacity alternatively or if necessary, the battery 34 are used.
  • SOCopt optimal SOC
  • the generator 15 is switched off, the energy is removed from the battery 34, taking into account its SOC, SOH and the battery temperature alone. If this is not possible or sensible, since, for example, the SOC of the battery is low, the internal combustion engine is started in analogy to step S7. In both cases, the electric flywheel is additionally accelerated during recuperative braking of the vehicle.
  • the internal combustion engine drive mode can also be automatically started by a device for specifying the drive mode, for example, when the demand for power for driving the vehicle and the operation of ancillary units exceeds a limit or the SOC of the battery 34 falls below a limit.
  • the device for specifying the drive mode can be based, for example, on an evaluation of the current location of the vehicle and its stay in a zone in which the operation in internal combustion engine mode is not permitted, but also take into account other influencing variables, in particular the state data of the various units of the vehicle but may also include other parameters.
  • the internal combustion engine 14 can be started automatically when due to very cold outside and / or
  • Interior temperatures can be assumed that a significant performance for the operation of heaters is retrieved immediately after or after departure, if it can be concluded from known from a navigation system data that immediately after the start of a significant slope is to be driven or if data from the navigation system It is known that the vehicle is likely to enter a zero-emission zone in the near future and that the degree of charge of the battery 34 is rated as insufficient for this.
  • the means for specifying the drive mode may for example specify the flywheel-based drive mode, provided that e.g. Data of a navigation device can be concluded that the operation of the internal combustion engine is not permitted or desired.
  • Hydrogen or helium atmosphere only relatively little energy loses to the environment, it may according to specification by a control device, not shown at usual parking times of the vehicle from a few hours to a few days on one for immediate operation of the vehicle in the flywheel-based
  • the electric flywheel 43 can be accelerated parallel or alternatively to a charging of the battery 34 to a desired speed and / or kept in a desired speed range.
  • the cold start described in steps S1 to S13 therefore represents a special case in the operation of the vehicle, which rarely occurs in practice, depending on the design of the control, for example, after returning from a holiday.
  • the combustion engine driving mode is explicitly specified by the driver or the device for specifying the drive mode
  • the internal combustion engine can be configured in accordance with that described in S4 or S7
  • Steps are started. Thereafter, as described in step S14, the SOC of the flywheel 43 is accelerated to an optimum SOC or at least a minimum SOC sufficient for full ride on full power.
  • step 14 the vehicle is fully ready to drive.
  • the SOC of the electric flywheel 43 is sufficiently high not to be perceivable by the driver under normal operating conditions
  • step S15 it is determined whether the engine 14 or the power generator 15 is in operation. If this is the case, the generated and not required by ancillaries electrical energy is used in step S16 primarily for the drive of the vehicle in order to minimize the conversion losses. Excess power is used to charge the flywheel 43 and / or the battery 34, wherein the selection of which component 43, 34 to load with what part of the available power is primarily of their SOCs and their deviation from optimum SOC depends and in addition of the already repeatedly mentioned variety of battery parameters can be made dependent.
  • step S17 it is determined whether the operating time of the power generator has reached a desired period of time and at the same time the electric flywheel 43 and the battery 34 at least a sufficient or preferably optimal SOC, and it is checked whether a command for non-operation or the Internal combustion engine 14 is present by the driver or by the means for specifying the drive mode.
  • the operation of the internal combustion engine 14 over a certain minimum period of time is preferred in order to keep the proportionate operation with cold engine and exhaust system low.
  • step S16 If these two queries are answered with no (N), there is a return to step S16, otherwise the internal combustion engine 14 is switched off in step 18 and the system returns to step S14.
  • step S15 With the engine 14 turned off (No at step S15), it is first checked at step S19 if the SOC of the battery 34 makes recharging by the engine 14 of the generator 15 necessary or desirable and at the same time the operation of the engine 14 is permitted.
  • step S19 the internal combustion engine 14 is started in step S20 analogously to the procedure described in step S7 and then jumped to step S16.
  • the threshold for triggering the recharging of the battery 34 by the generator 15 may be shifted in accordance with a higher SOC of the battery 34.
  • step 21 it is checked whether the power requirement of the vehicle can be satisfied in consideration of the performance of the ancillary units without combustion engine 14, which in the example vehicle usually contributes
  • Performance requirements for the drive of the vehicle of less than 115 - 100 kW is the case. If this is not the case, and the operation of the internal combustion engine 14 is permitted, it also jumps to step 20 and the internal combustion engine 14 is started.
  • Reaction speed also independent of passing through the steps S 15 and S19 with the internal combustion engine 14 to be performed at a high frequency.
  • the other steps mentioned can be meaningfully varied or in the
  • Control / regulation on the vehicle components are identical or comparable.
  • the process presented is a specific design that should not restrict the scope of protection.
  • the engine 14 is started unless it is prevented by the driver or the drive mode setting means and either the SOC of the battery 34 should be raised or the power without the engine 14 for the drive of the vehicle and the operation of the ancillaries is not sufficient. It is ensured that the operating time of the Internal combustion engine 14 is sufficient to operate this and the exhaust system largely predominantly in a suitable temperature range.
  • Electric flywheel 43 through the battery 34 and the charge of the battery 34 and the electric flywheel 43 is an analytical consideration.
  • the range of the vehicle can be significantly increased if necessary by releasing an additional SOC range of the battery 34, in particular if the discharge power of the battery 34 in the electric flywheel 43 to a low value of, for example, 0.5 C, or 0.3 C is limited. Even with a defect in the area of the electric flywheel 43 or the flywheel-based drive train, the vehicle remains fully operational with limited efficiency. Even in the case of a nearly discharged or defective battery 34, the vehicle can be started, provided that the battery 34 can provide at least a low power. Since preferably also the wheel hub motors 45 are multiple and can be operated independently of each other, the vehicle has a very high
  • the charging and discharging currents of the battery 34 can be kept at least almost completely in a range below 1 C, which the
  • Temperature control of the battery 34 facilitates and reduces the necessary effort.
  • the permissible charging and discharging current can be made dependent on the battery data to a large extent without serious effects on the driving performance and the battery 34 thus be treated very gently, in particular with regard to their aging.
  • the maximum drive power can be increased by a further approx. 25 kW, whereby a maximum drive power of up to 140 kW can be provided.
  • Discharge power of the battery 34 for driving the vehicle and the operation of ancillaries is increased.
  • the total output thus increases from approx. 25 kW to approx. 40 kW for a travel time of approx. 30 minutes, which corresponds to an extended maximum maximum speed of approx. 170 km / h.
  • the electric flywheel 43 further allows the short-term provision of a significantly higher drive power.
  • a charge of the battery 34 can also be triggered manually or automatically at a higher SOC, for example, the vehicle on a journey with increased average power requirements such as a ride above the
  • an additional SOC range of the battery 34 can be released from, for example, up to 15% of the nominal battery capacity corresponding to 30% SOC in order to avoid a power dip of the vehicle.
  • additional drive power started preferably takes place at a higher SOC of the battery 34 a charge thereof, to an advantageous long duration of operation of the internal combustion engine fourteenth and cause a correspondingly small proportion of the operating time for cold engine 14 or cold exhaust system.
  • the generator 15 is started, the battery 34 is preferably charged to at least 90%, preferably to near 100% SOC, provided that the operation of the
  • Power generator 15 is allowed further and not with a considerable
  • recuperative charge or network charge is calculated, which makes sense a lower SOC of the battery 34 at the end of the charging phase.
  • the battery at the assumed power of the generator 15 of 25 kW and an assumed average power requirement for the drive of the vehicle and the operation of ancillaries of about 10 kW with about 15 kW, which corresponds to an advantageous long operating time of the power generator of about 24 minutes and a charging current of the battery of 1 C. If the power required to drive the vehicle and the ancillaries fall below 10 kW, with absorbable flywheel 43, part of the
  • the target SOC of the electric flywheel 43 should always be at least sufficient to drive the vehicle from standstill during normal driving
  • Permanent maximum speed but at least to accelerate to 100 km / h, which in the embodiment corresponds to an amount of energy of about 0, 12 to 0.2 kWh and thus a charge of about 16% to 27% SOC.
  • the minimum desired SOC of the electric flywheel 43 is additionally always chosen so that the vehicle, starting from its instantaneous speed with the aid of the electric flywheel 43 by a fixed predetermined or situation-dependent differential speed of, for example, 40 km / h, but maximum on the absolute maximum speed of the vehicle can be accelerated.
  • This allows a fast acceleration in all operating conditions and gives the driver the impression of always possible maximum driving performance.
  • a power of at least 0.185 kWh, corresponding to 25% SOC of the flywheel assembly 42 would have to be kept at a driving speed of 160 km / h.
  • the SOC of the electric flywheel 43 is also intended to maintain the achieved
  • the maximum target SOC of the flywheel 43 should always be so low that the total kinetic energy of the vehicle in the flywheel 42 is recuperatable.
  • the kinetic energy of the vehicle at a driving speed of 130 km / h or 180 km / h roughly 0.20 kWh or 0.38 kWh, which is a maximum target SOC of the flywheel 42 of about 73% or 49% SOC equals.
  • Electric flywheel with respect to the example vehicle and a design to a technically possible maximum speed of 200 km / h is an optimum. Since a rapid and consistent recuperation from high speeds to a stop or at very low speeds, however, hardly occurs in practice, can be kept free for recuperation performance SOC share of Electro flywheel 43 in the upper speed range, eg above the maximum speed or above about 120 to 160 km / h and less than the maximum recuperative kinetic energy of the vehicle can be selected, whereby the capacity of the electric flywheel may be selected smaller or at the same flywheel capacity at high speeds advantageously a higher target load level of the electric flywheel 43 can be provided. This allows an increase in the case of high speeds in the
  • Electric flywheel 43 vorhaltbaren energy reserves and correspondingly better performance in the border area and a lazy control of Nachlade aber the electric flywheel 43rd
  • the desired optimum SOC may preferably be in the range of 60% to 100% of the span between the minimum and maximum target SOC of the
  • Electric flywheel 43 are.
  • the power taken from the battery 34 for the recharging of the flywheel 43 may preferably be determined as a function of the difference between the optimum and the actual SOC of the battery
  • the total load of the battery 34 is essentially limited to a discharge current of 1 C, here corresponding to 15 kW, which can be exceeded in exceptional cases, if necessary, however, if the state of the battery allows this.
  • the charging power can be advantageously lowered, whereby the battery 34 is charged over long operating periods only about 0.3 to 0.7 C.
  • the preferred limitation of the charging and discharging of the battery 34 to 1, 5 C allows a design of the charging electronics to a continuous power of about 22 kW, which at a mains charge of the battery 34 from a protected with 32 amp three-phase socket in 3 * 230 V. Net can be delivered, what a
  • the typical charging and discharging currents of the battery 34 are preferably 5 in the normal driving mode of the vehicle kW to 10 kW and preferably at most 20 kW corresponding to 1/3 to a maximum of 4/3 C, whereby the charge controller can always work in a range of good energy efficiency. Should by an extreme performance requirement in the short term, a higher
  • Discharge capacity of z. B. 30 kW may be desired, this peak power usually way for a few seconds by a designed for 22 kW
  • Power peaks - 22 kW further enable a design of the battery voltage at or just below 100 or 120 volts. This allows a
  • the electrical lines 64, 66, 68, 72 and 84 can be designed for a contact-safe DC voltage, since here, with the exception of the electrical lines 66 to the wheel hub motors 45 of the front axle also achievements of a maximum of 25 kW to be transferred.
  • the wheel hub motors 45 of the front axle have a higher maximum power of up to 50 kW, the necessary cable lengths are very small in the case of an arrangement of the electric flywheel 43 in the region of the front axle.
  • Non-contact safe voltages in the drive power system of the vehicle when needed largely or completely limited to the individual electric machines 26, 40, 44 associated with control devices and the charging electronics of the battery 34, provided that these facilities in close proximity to the relevant electric machines 26, 40, 44 and the battery 34 are arranged. This also allows a substantial reduction of the necessary effort for
  • the temperature of the battery 34 is often a problem in hybrid vehicles, since lithium ion cells can be operated in a fairly narrow optimal temperature window of mostly about 15-25 ° C with optimum efficiency and minimal aging. Temperatures above approx. 60 ° C and below approx. 0 ° C should be avoided during operation, as they lead to rapid aging and / or too low deliverable performances. In operation is a
  • Operating phases accumulating waste heat on the one hand can be used to keep the engine 14 for the next phase of operation, at least approximately in a desired temperature range.
  • Latent heat storage an inert control of the temperature and the support of an interior heating by stored waste heat and thus allow a lower energy consumption for the temperature of the interior of the
  • heat energy of a latent heat storage at Need also be used for temperature control of the other latent heat storage.
  • the front wheels can be independently accelerated or decelerated independently of each other with 50 kW and the rear wheels each with 20 kW.
  • wheel-driven motor vehicle is physically limited to about 0.8 G due to the static friction coefficient between rubber and dry asphalt. With a heavy braking with 0.6 g and a total vehicle weight of 1200 kg can be braked completely recuperative up to a speed of about 70 km / h. If the wheel hub motors 45 are designed for a continuous load of 50 or 20 kW and a short-term peak power of 150%, the vehicle with a total weight of 1200 kg alone by the wheel hub 45 from a speed of about 107 km / h with 0.6 G and from a speed of 80 km / h with 0.8 G delayed, provided that the generated electrical energy of about 210 kW can be dissipated in the top. This is possible, for example, by acting on the rear wheel hub motors 45 by a torque which opposes the direction of rotation while at the same time maximizing the loading of the flywheel and the battery.
  • Hub motors 45 why can not be dispensed with a further brake.
  • Antilock braking system an electronic stability program, a
  • the further brake is preferably a conventional friction brake, in particular a small-sized disc brake, which can also be used to decelerate the vehicle from very low speeds to a stop and as a parking brake.
  • the proposed drive concept is characterized by a very high design freedom, since the essential components generator 15, electric flywheel 43 and battery 34 can be placed almost anywhere in the vehicle.
  • the power unit 15 is optionally formed with or without the tank 20 and components not shown, in particular the control of the generator 15 and the exhaust system, as a module, which is preferably removed as a whole from the vehicle , In this way, if desired, the weight of the vehicle can be reduced by the weight of said components, as long as the battery capacity for the planned journeys is considered sufficient.
  • the freed by the removal of the generator module space can be made available, for example, by providing a corresponding insert as a further luggage space or it can be installed if required, another battery to increase the local emission-free range.
  • a built-in generator module can, if necessary by installation in a stand-alone module, the not removed from the vehicle components such as a
  • Control device, a fuel tank and / or an exhaust system includes operated as a mobile power generator. If this mobile generator set can be controlled by a network operator, it can be used, for example, to cover power peaks or to provide control energy. Especially for vehicles that are mainly used at least during the week for driving to work and other relatively short distances, the generator 15 can be supplied as a meaningful secondary use. Of course, it makes sense to use the generator module and, if necessary, to design a battery module which can be installed in its place in such a way that it can be installed and removed by the user without special knowledge in a short time and optionally installed in a stand-alone module, for which it is preferred as an encapsulated unit with quick connections for fresh air, exhaust gas, Fuel, electrical energy and control signals is formed.
  • the grid operator can request an infeed of electrical power from the vehicle into the power grid, in particular to compensate for short-term power peaks, up to approx
  • the proposed drive concept gives a driver the impression that the vehicle at any time via a drive power of at least about 115 KW, when operating the generator 15 even over 140 kW power has.
  • flywheel 43 which provides about 100 kW most of the maximum power is discharged during the ride so far that it can no longer deliver drive power, causing the maximum providable drive power for the driver unanticipated and strong to a maximum of about 35 kW - 45 kW can decrease. Since the electric flywheel 43 can give up substantially full power until almost complete discharge, a sudden performance collapse that is surprising for the driver can lead to dangerous situations, for example during an overtaking process. To mitigate the collapse of the drive power, it makes sense to
  • Electric flywheel 43 continuously discharged. If the driver is not informed about this by easily understandable and directly perceptible information, dangerous situations may arise in particular during overtaking, which must be avoided at all costs. There is therefore a need for a simple and clear indication of the degree of charge of the flywheel 43 in the form of a display of current and expected near-term performance in the near future.
  • a variety of proposals for displaying an available energy content in electric and hybrid vehicles are known from the prior art, but relate to the energy content of a traction battery, either as a percentage of the maximum absolute or usable SOCs, as an absolute value of a the battery retrievable amount of electrical energy or as with this amount of energy is expected to be displayed elegantlegbare route.
  • the aim of these displays is information about the energy content of the battery and thus improved planning of grid charges and protection against so-called lingering by discharged traction batteries.
  • the display concept presented here aims at informing the driver that allows him to assess the performance or work that can be called up for the vehicle drive in the shortest possible and intuitive manner in order to avoid a sudden and unforeseen, temporary collapse of the available drive power ,
  • Driving power of the vehicle of e.g. 140 KW for example to one
  • FIG. 4 shows a speed display unit 100, which will also be referred to below as a speedometer in the following.
  • an additional maximum speed indicator element 130 is provided, on which the vehicle can be reached at a given time and can be maintained for a maximum distance that can be maintained for a defined minimum distance.
  • the high-speed display element 130 may consist of an additional pointer of a tachometer 100 designed as a round instrument or bar instrument or a comparable display in the form of a segment-wise or continuously optically changeable strip or circular segment.
  • the display element 130 is in normal operation a clearly visible area 150, which has a lower limit 120 (here about 125 km / h) and an upper limit 140 (here about 175 km / h).
  • the lower limit 120 corresponds to the current one
  • Speed of the vehicle, according to the tachometer display, and the upper limit 140 is determined by the short-term achievable and maintainable for a given distance maximum speed, hereinafter referred to as short-term maximum speed 140.
  • This predetermined route can be fixed in the simplest case and be for example 500 m. Preferably, however, it may also be variable as a function of the current speed and / or the achievable maximum speed. In place of the specified route can equivalent to a
  • At least the determined or assumed mass of the vehicle, the current driving speed and the current usable energy content of the electric flywheel 43 is determined.
  • the short-term maximum speed 140 can be determined and displayed.
  • the possible power output of the battery 34 advantageously taking for example the SOC, SOH and temperature of the battery 34 and possibly the need for not used for the drive electrical power for e.g. Interior climate control, heaters and other consumers
  • Maximum speed 140 energy required and the energy required to maintain that speed over the given distance by taking into account detected, transmitted, estimated or assumed values for air resistance, taking into account, for example, the presence of roof boxes, roof racks or trailers, taking into account the wind direction and - Speed, the consideration of relevant characteristics of the current and / or preceding route and in particular their slope, which may be known for example from a navigation system.
  • Variable default of a safety buffer for example via a fixed or variable, mathematical reduction of the underlying amount of energy available in the flywheel 42, by reducing the determined short-term maximum speed 140 by a fixed or variable, absolute or percentage value, and / or by appropriate security -
  • Factors in determining the parameters used in the determination Taking into account the possibility of not providing energy currently used for vehicle propulsion, for example by temporarily switching off non-essential, high-performance consumers, in particular heating and air-conditioning equipment.
  • Driving speed and the short-term maximum speed below a first limit the brightness, the color or the contrast of the display is increased and / or the driver is made aware by optical, acoustic and / or haptic signals that he approaches a border area in which sudden drop in the
  • Maximum speed 140 are turned off because it has only a small information value for the driver in this case for the driver in this case.
  • the ad could be the short term
  • Maximum speed 140 are activated only if it is less than 50 km / h above the current driving speed. As soon as the difference between the current driving speed 120 and short-term attainable maximum speed 140 is less than 40 km / h, the display of z. Green, e.g. yellow, change to red if the difference falls below 30 km / h and, if the difference falls below 20 km / h, flash additionally and / or an acoustic warning is issued. A hysteresis function is useful to avoid a quick and repeated switching of the display.
  • FIG. 4 shows the tachometer 100 with a maximum speed display element 130 arranged within the scale of the speedometer 100 for indicating the short-term maximum speed 140.
  • Display element 130 can - as shown here - only begin at a position of the tachometer scale, in practice, an occurrence of a
  • the possible display range of the display element 130 can be advantageously limited to the design-defined, absolute maximum speed, here about 199 km / h.
  • the tachometer 100 is shown in a simplified manner and can, of course, as usual, contain further displays, indicator lights, etc., and be executed as a physical instrument or as a representation of an instrument on a display be and have a shape deviating from a circular shape.
  • Display element 130 can, as shown here, be provided inside the speedometer 100, but also spatially adjacent to it.
  • the current vehicle speed is 125 km / h, which is indicated here by the tachometer needle 110.
  • the tachometer needle 110 is indicated here by the tachometer needle 110.
  • other suitable means may be used instead of the tachometer needle 110. Accordingly, the visible to the driver or visually begins
  • highlighted portion of the display element 130 at a position shown in the position of the tachometer needle 110 corresponding position and extends to a position 140, which corresponds to the short-term maximum speed, but preferably at most the absolute maximum speed of the vehicle.
  • the display element 130 can be completely switched off or optically unobtrusive if the speed range to be displayed by the display element 130 exceeds a limiting value which may be dependent on the driving speed. So it may be useful to disable the display 130, if the short-term to be displayed
  • Driving speed is because in this case a sudden acceleration up to the energy and performance limits of the vehicle is unlikely and activation of the display element 130 in each case takes place in a timely manner that no safety-relevant effects are to be feared.
  • the driver may be possible for the driver to set himself the relevant limits, for example via a screen menu itself, the selection can be advantageously limited by the manufacturer so that the intended warning function is maintained sufficiently.
  • Also not shown in FIG. 4 is an increase in the perceptibility of the active region 150 of the display element 130 as a function of the acceleration reserve indicated by the display element 130, that is to say the difference between the current driving speed and the short-term
  • Maximum speed for example, by different colors, brightnesses, contrasts and / or additional optical, acoustic and / or haptic signals.
  • the display element 130 can of course be realized in different ways and can be based, for example, on a series of circular-shaped LEDs arranged in round instruments or other light sources or on mechanical and movable diaphragms.
  • graphical display or adjacent within or outside of the tachometer 100 and arranged suitable graphical display is the representation of
  • Display element 130 is preferred as part of this graphical display.

Abstract

In the vehicle according to the invention, a high-capacity energy store, particularly a flywheel arrangement, is used for providing the dynamic driving performance, this store being chargeable by a battery charged in a highly environmentally responsible manner and, if necessary, by an internal combustion engine and by regenerative braking energy. If necessary, the battery can be charged by external mains power or the internal combustion engine which can also supply power to cover energy losses in the event of the vehicle travelling at maximum speed for a prolonged period. By dimensioning the components in a manner according to the invention, a highly efficient hybrid vehicle suitable for long journeys and having a large emission-free range and low specific energy requirement with good dynamic driving performance is achieved. Furthermore, advantageous embodiments are disclosed which use equivalent components and a display device which is advantageous to the drive device.

Description

Vorrichtung zum Antrieb einer Maschine mit instationärem Leistungsbedarf  Device for driving a machine with transient power requirement
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Antrieb einer Maschine mit instationärem Leistungsbedarf, wie insbesondere eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, einem elektrischen Energiespeicher sowie zugehöriger Antriebe. The present invention relates to a device for driving a machine with unsteady power requirements, such as in particular a vehicle with an internal combustion engine, an electrical energy storage and associated drives.
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zeichnen sich dadurch aus, dass der Vehicles with internal combustion engine are characterized by the fact that the
Energievorrat in Form eines oxidierbaren chemischen Energieträgers innerhalb von kurzer Zeit aufgefüllt werden kann und damit mit nur kurzen Unterbrechungen ein Betrieb des Fahrzeugs über weite Strecken und lange Zeiträume möglich ist. Energy supply in the form of an oxidizable chemical energy carrier can be filled within a short time and thus with only brief interruptions operation of the vehicle over long distances and long periods is possible.
Allerdings weisen Verbrennungsmotoren als alleinige Fahrzeugantriebe einen geringen Wirkungsgrad auf, der zu einem großen Teil daraus resultiert, dass der Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs und insbesondere eines Straßenfahrzeugs auf eine erheblich größere als die im Normalbetrieb im zeitlichen Mittel benötigteHowever, internal combustion engines as sole vehicle drives have a low efficiency, which results to a large extent from the fact that the internal combustion engine of a vehicle and in particular a road vehicle to a much larger than that required in normal operation in the time average
Leistung ausgelegt werden muss. Der Verbrennungsmotor wird daher überwiegend im unteren Teillastbereich und damit in einem Bereich mit hohem spezifischen Verbrauch und geringem Wirkungsgrad betrieben. Die Nutzung von Fahrzeugen mit verbrennungsmotorischem Antrieb unterliegt insbesondere in Ballungsräumen zunehmend strengeren Auflagen. Performance must be designed. The internal combustion engine is therefore operated predominantly in the lower part load range and thus in an area with high specific consumption and low efficiency. The use of vehicles powered by internal combustion engines is subject to increasingly stringent requirements, particularly in urban areas.
Elektromaschinen können sowohl als elektrischer Motor als auch als Generator betrieben werden. Damit können sie sowohl zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden als auch ein rekuperatives Bremsen des Fahrzeugs ermöglichen. Elektromaschinen weisen eine für den Antrieb von Fahrzeugen vorteilhafte Electric machines can be operated both as an electric motor and as a generator. Thus they can be used both to drive a vehicle as well as allow a recuperative braking of the vehicle. Electric machines have a favorable for driving vehicles
Drehzahl-Drehmomentkennlinie bei gutem Wirkungsgrad und insbesondere ein hohes mögliches Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und einen großen Drehzahlbereich mit verhältnismäßig konstantem Drehmoment oder Leistung auf. Beim Betrieb entstehen lokal keine schädlichen Abgasemissionen und der Betrieb ist geräuscharm.  Speed-torque characteristic curve with good efficiency and in particular a high possible torque in the lower speed range and a large speed range with relatively constant torque or power on. During operation, no harmful exhaust emissions occur locally and the operation is quiet.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Allerdings bereitet die Energieversorgung eines Elektromotors zum Fahrzeugantrieb erhebliche Probleme. Zugehörige Traktionsbatterien weisen relativ hohe Kosten bei relativ hohem Gewicht pro speicherbare Energiemenge und nur eine begrenzte Lebensdauer auf. Die Alterung der Traktionsbatterie ist wesentlich von den relativ zu der Kapazität ein- und ausgespeicherten Leistungen und dem relativen Ladegrad der Batterie, angegeben als Prozentsatz des maximal speicherbaren CONFIRMATION COPY However, the power supply of an electric motor for vehicle drive causes considerable problems. Associated traction batteries have relatively high costs with a relatively high weight per storable amount of energy and only a limited life. The aging of the traction battery is essentially dependent on the capacity stored and stored relative to the capacity and the relative charge level of the battery, expressed as a percentage of the maximum storable
Energieinhaltes - auch als„State of Charge" (SOC) bezeichnet - abhängig. Die Lade- bzw. Entladeleistung wird allgemein als Quotient der nominellen Kapazität in Amperestunden und des fließenden Stroms in Ampere angegeben und als spezifische Ladeleistung bzw. spezifischer Ladestrom„C" bezeichnet. Mit steigendem spezifischem Ladestrom C steigen im Allgemeinen auch die Alterung der Batterie sowie deren Verlustleistung und damit auch deren Erwärmung. Zurzeit wird zur Erreichung einer langen Lebensdauer der nutzbare SOC-Bereich von Traktionsbatterien auf ca. 50 - 60 % der nominellen Kapazität begrenzt. Die für den Antrieb benötigten hohen elektrischen Leistungen bedingen hohe spezifische Entladeströme und die im Fahrbetrieb auftretenden schnellen und großen Energy content - also referred to as "state of charge" (SOC) - The charging or discharging power is generally expressed as the quotient of the nominal capacity in ampere hours and the current flowing in ampere and referred to as specific charging power or specific charging current "C" , As the specific charging current C increases, the aging of the battery and its power dissipation and thus its heating also generally increase. Currently, to achieve a long life, the usable SOC range of traction batteries is limited to approximately 50-60% of the nominal capacity. The high electrical power required for the drive cause high specific discharge currents and the fast and large occurring during driving
Lastwechsel wirken sich zusätzlich negativ auf die Alterung der Batterie aus. Durch hohe Be- und Entladeleistungen entstehende Verlustwärme und der relativ geringe Arbeitstemperaturbereich von üblichen Traktionsbatterien erfordern eine aufwändige Temperierung. Load changes additionally have a negative effect on the aging of the battery. Due to high loading and unloading resulting heat loss and the relatively low operating temperature range of conventional traction batteries require a complex temperature control.
Fahrzeuge mit ausschließlichem Elektroantrieb, auch Elektrofahrzeuge genannt, weisen in der Praxis zumeist nur eine relativ geringe Reichweite auf, nach der die im Fahrzeug vorhandene Traktionsbatterie entweder durch eine externe Vehicles with exclusive electric drive, also called electric vehicles, in practice usually have only a relatively short range, according to which the traction battery present in the vehicle either by an external
Energieversorgung aufgeladen werden oder durch eine aufgeladene Power supply can be charged or charged by a
Traktionsbatterie ausgetauscht werden muss. Ein Aufladen der Traktionsbatterie an Ladestationen erfordert unerwünscht lange Fahrtunterbrechungen, wobei eine Aufladung mit hohen Ladeleistungen neben hohen Anforderungen an die  Traction battery needs to be replaced. Charging the traction battery to charging stations requires undesirably long breaks, with a charge with high charging power in addition to high demands on the
Ladeinfrastruktur wiederum Probleme in Bezug auf die Temperierung und Alterung der Batterien aufwirft. Elektrofahrzeuge sind damit für Langstreckenfahrten, beispielsweise für eine Urlaubsfahrt von 1000 km oder mehr, höchstens Charging infrastructure, in turn, poses problems in terms of tempering and aging of the batteries. Electric vehicles are thus for long-distance trips, for example, for a trip of 1000 km or more, at most
eingeschränkt verwendbar, was zu erheblichen Akzeptanzproblemen führt. Elektrofahrzeuge fahren zwar lokal emissionslos, verlagern die Emission von Schadstoffen beim derzeitigen Strommix jedoch lediglich auf Kraftwerke. Obwohl deren Wirkungsgrad höher ist als der durchschnittliche Wirkungsgrad von restricted use, which leads to considerable acceptance problems. Although electric vehicles drive emissions locally, they only shift the emission of pollutants in the current electricity mix to power plants. Although their efficiency is higher than the average efficiency of
Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, ergibt sich aufgrund der Verluste durch Transport, mehrfache Umwandlung und Speicherung insgesamt ein spezifischer Schadstoffausstoß, der dem von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor vergleichbar ist. Es ist bekannt, an Stelle einer Traktionsbatterie zur Energieversorgung der Internal combustion engines in motor vehicles, due to the losses due to transport, multiple conversion and storage results in a total specific pollutant emissions, which is comparable to that of motor vehicles with internal combustion engine. It is known in place of a traction battery for powering the
Elektromaschine eine Brennstoffzelle zu verwenden. Diese ist jedoch ebenfalls teuer und relativ anfällig. Außerdem ermöglicht sie nur in speziellen  Electric machine to use a fuel cell. However, this is also expensive and relatively vulnerable. Besides, it only allows in special
Ausgestaltungen eine Synthese von Kraftstoff durch eingeleitete elektrische Embodiments a synthesis of fuel by introduced electrical
Rekuperationsenergie. Recuperation.
Schließlich sind die Möglichkeiten zur Rekuperation bei Elektrofahrzeugen bisher durch die Auslegung der Elektromaschine und des elektrischen Antriebsstranges begrenzt, die wirtschaftlich sinnvoll lediglich auf die maximale Antriebsleistung ausgelegt sind. Wenn die Verzögerungsleistung bei einem scharfen Bremsen über der maximalen Antriebsleistung liegt, kann nur ein Teil der Bremsleistung rekuperiert werden, der zudem oft zusätzlich durch den Betriebszustand der Traktionsbatterie, insbesondere deren Ladezustand und Temperatur, begrenzt wird. Finally, the possibilities for recuperation in electric vehicles have so far been limited by the design of the electric machine and the electric drive train, which are economically reasonable designed only for the maximum drive power. If the deceleration power is above the maximum drive power during a sharp braking, only a part of the braking power can be recuperated, which is often additionally limited by the operating state of the traction battery, in particular its state of charge and temperature.
Der Antrieb von Fahrzeugen mit Schwungradmotoren erlaubt bei geeigneter Auslegung nahezu unbegrenzte Leistungen, die sowohl abgegeben als auch eingespeichert werden können. Zudem lässt sich der Energieinhalt eines The drive of vehicles with flywheel motors, with a suitable design, allows almost unlimited performance, which can be both delivered and stored. In addition, the energy content of a
Schwungrades nahezu vollständig für den Fahrbetrieb nutzen. Probleme in Bezug auf eine Alterung des Schwungrades und einen Arbeitstemperaturbereich sind gering. Auch die in der Vergangenheit bestehenden Probleme in Bezug auf die Sicherheit sind durch neue Werkstoffe und Herstellungsverfahren weitgehend gelöst. Schwungräder weisen jedoch den entscheidenden Nachteil eines in Bezug auf Masse, Volumen und Kosten geringen spezifischen Energiegehaltes auf. Die Kapazität des Schwungrades kann aufgrund des benötigten Bauraums und der für Straßenfahrzeuge nachteiligen Kreiselkräfte nicht so groß gewählt werden, dass sich mit einem üblichen Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor vergleichbare Reichweiten erzielen lassen. Use the flywheel almost completely for driving. Problems related to aging of the flywheel and a working temperature range are low. Past safety issues have also been largely addressed by new materials and manufacturing processes. Flywheels, however, have the decisive disadvantage of a low energy content in terms of mass, volume and cost. The capacity of the flywheel can not be so large due to the required installation space and the disadvantageous for road vehicles centrifugal forces that can be achieved with a conventional motor vehicle with combustion engine comparable ranges.
Hybridantriebe wurden entwickelt, um die spezifischen Vorteile der genannten Antriebsarten zu kombinieren und nach Möglichkeit deren spezifische Nachteile zu verringern. Das derzeit am meisten genutzte Hybridkonzept besteht aus einerHybrid drives have been developed to combine the specific advantages of these drive types and, if possible, to reduce their specific disadvantages. The currently most used hybrid concept consists of one
Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem - oder mehreren - Elektromotor und einer Traktionsbatterie. Sofern ein lokal emissionsloser Antrieb mit einer für den Betrieb in sogenannten„Zero-Emissions-Zonen" ausreichenden Reichweite ermöglicht werden soll, ist der elektrische Antriebsstrang jedoch vergleichbar mit einem reinen Elektrofahrzeug auszulegen, womit die oben genannten Probleme reiner Elektrofahrzeuge weitgehend bestehen bleiben. Lediglich das Problem der für Langstreckenfahrten nicht ausreichenden Reichweite entfällt durch das zusätzliche Vorsehen eines Verbrennungsmotors. Bereits in Serie gebaute Hybridfahrzeuge weisen zumeist nur eine für eine geringe Reichweite von wenigen Kilometern ausreichende Batteriekapazität auf, wobei im Betrieb der Einsatz des Verbrennungsmotors und des Elektromotors kombiniert wird. Dies hat den Vorteil, dass sowohl die Leistung des verbrennungsmotorischen als auch des elektrischen Antriebsstranges geringer als bei einem Fahrzeug mit nur einer Antriebsart ausgelegt werden können und insbesondere auch die Kapazität der Traktionsbatterie relativ gering sein kann, diese allerdings stark beansprucht wird. In Phasen mit geringem Leistungsbedarf kann wahlweise nur eine der beiden Antriebsarten verwendet werden. Dennoch muss der verbrennungsmotorische Antriebsstrang relativ groß dimensioniert werden und ein Betrieb in größeren Zero- Emissions-Zonen ist nicht sinnvoll möglich. Um bei Hybridfahrzeugen eine Combination of an internal combustion engine with one or more electric motors and a traction battery. However, if a locally emission-free drive is to be made possible with a range sufficient for operation in so-called "Zero-Emission Zones", the electric drivetrain should be designed to be comparable to a pure electric vehicle, whereby the above-mentioned problems of pure electric vehicles remain largely intact The problem is that the range is insufficient for long-distance journeys, with the additional provision of an internal combustion engine. "Hybrid vehicles built in series usually only have sufficient battery capacity for a short range of just a few kilometers, with the use of the internal combustion engine and the electric motor being combined during operation the advantage that both the performance of the internal combustion engine and the electric drive train can be designed lower than in a vehicle with only one drive and in particular the capacity of the traction battery re may be relatively low, but this is heavily used. In phases with low power requirements, either only one of the two drive types can be used. Nevertheless, the internal combustion engine drivetrain has to be dimensioned relatively large and operation in larger zero-emission zones is not meaningfully possible. To hybrid vehicles a
Rekuperation zu ermöglichen, sind zugehörige elektrische Antriebsmotoren üblicherweise als Elektromaschinen realisiert. Es wurden bereits einige Antriebskonzepte vorgeschlagen, die ein Schwungrad, eine elektrische Antriebsmaschine, eine Traktionsbatterie und einen To enable recuperation, associated electric drive motors are usually realized as electrical machines. There have already been proposed some drive concepts that include a flywheel, an electric drive machine, a traction battery and a
Verbrennungsmotor in einem Fahrzeugantrieb kombinieren. Combine internal combustion engine in a vehicle drive.
Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2007 015 050 U1 ist ein Hybrid- Kraftfahrzeug mit einer Schwungradanordnung bekannt, das außerdem einen Verbrennungsmotor sowie einen Elektromotor mit einer Bordbatterie aufweist. Dabei sind alle drei Antriebe über einen Kettenwandler oder ein automatisches Getriebe an eine zentrale Antriebswelle des Fahrzeugs ankuppelbar. Das dort vorgestellte Hybrid-Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei From German Utility Model DE 20 2007 015 050 U1 a hybrid motor vehicle with a flywheel assembly is known, which also has an internal combustion engine and an electric motor with an on-board battery. In this case, all three drives via a chain converter or an automatic transmission to a central drive shaft of the vehicle can be coupled. The presented there hybrid motor vehicle is characterized in that at least two
Schwungräder vorhanden sind, die mit gleicher Umdrehungszahl entgegengesetzt zueinander umlaufen. Gemäß einem dort genannten Ausführungsbeispiel kann der Antriebsstrang für ein Fahrzeuggesamtgewicht von 2000 kg so ausgelegt sein, dass die Schwungräder auf eine Drehzahl von 9.600 bzw. 12.000 Umdrehungen pro Minute gebracht werden können und dann einen ausreichenden Energieinhalt besitzen, um das Fahrzeug einmalig von 0 auf ca. 70 km/h zu beschleunigen. Der Elektromotor soll mit einer Leistung von 10 - 12 kW ausreichend dimensioniert sein, um den Rollwiderstand auf ebenem Gelände auszugleichen, während die Dynamik durch die Schwungräder abgedeckt wird. Der Elektromotor soll dabei von derFlywheels are present, which rotate opposite to each other with the same number of revolutions. According to an embodiment mentioned there, the drive train for a total vehicle weight of 2000 kg can be designed so that the flywheels can be brought to a speed of 9,600 or 12,000 revolutions per minute and then have sufficient energy content to the vehicle once from 0 to approx To accelerate 70 km / h. The electric motor with a power of 10 - 12 kW should be sufficiently dimensioned to compensate for the rolling resistance on level terrain, while the dynamics is covered by the flywheels. The electric motor is intended by the
Bordbatterie gespeist werden. Da das Gewicht der Bordbatterie bei Auslegung für längere Fahrten ohne Verbrennungsmotor zu groß wäre, ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor nach Bedarf mit dem Elektromotor koppelbar ist, um die Be fed onboard battery. Since the weight of the on-board battery would be too large when designed for longer trips without an internal combustion engine, it is provided that the internal combustion engine can be coupled as required with the electric motor to the
Batterie wieder aufzuladen und um höhere Fahrgeschwindigkeiten als 70 km/h zu erreichen. Die Leistung des Verbrennungsmotors kann auf ca. 30 kW begrenzt sein. Recharge battery and to reach higher speeds than 70 km / h. The power of the internal combustion engine can be limited to approx. 30 kW.
Das in DE 20 2007 015 050 U1 vorgeschlagene Fahrzeug ist damit nicht in der Lage, längere Strecken lokal emissionslos zurückzulegen und weist im lokal emissionslosen Betrieb unakzeptabel geringe Fahrleistungen auf. Der nutzbare Energieinhalt der Schwungräder ist darauf ausgelegt, das Fahrzeug einmalig auf eine Geschwindigkeit von ca. 70 km/h beschleunigen zu können. Der The proposed in DE 20 2007 015 050 U1 vehicle is thus not able to cover longer distances locally emission-free and has unacceptably low driving performance in locally emission-free operation. The usable energy content of the flywheels is designed to accelerate the vehicle once to a speed of about 70 km / h. Of the
Verbrennungsmotor kann in seiner Leistung auf ca. 30 kW begrenzt sein, wobei ebenfalls mangels eines Hinweises auf eine Auslegung der Leistung auf einen verbrauchsoptimalen Betriebsbereich von einer üblichen Dimensionierung auf dessen maximale Leistung auszugehen ist. Auch fehlt es an einer Angabe der Leistung der Schwungräder, von denen lediglich bekannt ist, dass eine Combustion engine can be limited in its power to about 30 kW, with also for lack of any indication of an interpretation of the performance on a consumption-optimal operating range of a conventional dimensioning based on its maximum performance is. Also missing is an indication of the performance of the flywheels, of which only is known that a
Beschleunigung von 0 auf 70 km/h aus den Schwungrädern lediglich davon abhängig sein soll, wie schnell ein zwischengeschaltetes automatisches Getriebe hoch bzw. runterschaltet. Acceleration from 0 to 70 km / h from the flywheels should only depend on how fast an intermediate automatic transmission upshifts or downshifts.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 1 812 480 A1 ist ein Antriebssystem für Fahrzeuge bekannt, welches die Luftverunreinigung vermindern und/oder die Fahrzeugleistung verbessern soll. Dazu ist eine Verbrennungsmaschine German Offenlegungsschrift DE 1 812 480 A1 discloses a drive system for vehicles which is intended to reduce air pollution and / or to improve vehicle performance. This is an internal combustion engine
vorgesehen, deren Leistung nur für die Aufrechterhaltung der maximalen provided, whose performance is only for the maintenance of the maximum
Verkehrsgeschwindigkeit des Fahrzeugs entsprechend dem Gewicht und der Art des Fahrzeugs ausgelegt ist. Gemäß einem dortigen Ausführungsbeispiel ist für ein als„üblicher Sedan" bezeichnetes, voll beladenes Kraftfahrzeug mit 2200 kgTraffic speed of the vehicle is designed according to the weight and type of vehicle. According to a local embodiment is for a called "conventional sedan", fully loaded motor vehicle with 2200 kg
Gesamtgewicht ein Dieselmotor mit 2 Litern Hubraum und 59 PS entsprechend 43,4 KW vorgesehen, der eine ständige Geschwindigkeit bei ebener Straße von 135 km/h ermöglichen soll. In Phasen geringeren Leistungsbedarfes kann Arbeit des Verbrennungsmotors in 12 Schwungrädern mit jeweils 44,3 kg Masse über eine schaltbare mechanische Verbindung zwischengespeichert und bei Bedarf wieder an den Antriebsstrang abgegeben werden. Zusätzlich ist dort eine kleine Total weight of a diesel engine with 2 liters of displacement and 59 hp corresponding 43.4 KW provided, which is to allow a constant speed on a flat road of 135 km / h. In phases of lower power requirements, work of the internal combustion engine can be cached in 12 flywheels, each with 44.3 kg mass via a switchable mechanical connection and returned to the drive train as needed. In addition, there is a small one
Elektromaschine mit im Ausführungsbeispiel 4,9 PS entsprechend 3,6 kW vorgesehen, die die Schwungräder beschleunigen kann und aus einer Electric machine with 4.9 horsepower in the embodiment provided corresponding to 3.6 kW, which can accelerate the flywheels and from a
handelsüblichen Batterie gespeist wird, die vom Verbrennungsmotor über eine Lichtmaschine geladen werden kann. commercially available battery that can be charged by the internal combustion engine via an alternator.
Das dortige Fahrzeugantriebssystem weist keine Traktionsbatterie auf, die in der Lage wäre, das Fahrzeug ohne lokale Emissionen über eine nennenswerte Strecke zu bewegen. Die Elektromaschine ist so klein dimensioniert, dass sie eine ausreichende Nachladung des Schwungrades aus der Batterie nicht möglich ist. Zudem erscheint eine Gesamt-Schwungradmasse von über 500 kg verteilt auf 12 Schwungräder für eine Nutzung in einem PKW nicht praktikabel und die Anbindung der Schwungräder über eine getriebelose Rutschkupplung an den The local vehicle drive system does not have a traction battery capable of moving the vehicle over a significant distance without local emissions. The electric machine is so small that it is not possible to sufficiently recharge the flywheel from the battery. In addition, a total flywheel mass of over 500 kg distributed on 12 flywheels for use in a car seems impractical and the connection the flywheels on a gearless slip clutch to the
Verbrennungsmotor wenig energieeffizient. Internal combustion engine is not very energy efficient.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 197 18 480 A1 offenbart einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und zumindest einer als The German patent application DE 197 18 480 A1 discloses a hybrid drive for a vehicle with an internal combustion engine and at least one as
Motor/Generator einsetzbaren Elektromaschine, bei dem die Motor / generator usable electric machine, in which the
Beschleunigungsleistung über ein Bordnetz durch eine schwungradgespeiste Elektromaschine erbracht wird. Der Verbrennungsmotor ist zur Nachladung einer Batterie bzw. zur Einhaltung einer Mindestdrehzahl des Schwungrades sowie zur Überwindung des Roll- und Luftwiderstandes des Fahrzeugs vorgesehen. In einem dortigen Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug mit 30 Tonnen Acceleration performance is provided via a vehicle electrical system by a flywheel-fed electric machine. The internal combustion engine is provided to recharge a battery or to maintain a minimum speed of the flywheel and to overcome the rolling and air resistance of the vehicle. In a local embodiment for a rail vehicle with 30 tons
Gesamtgewicht sind ein Schwungradspeicher mit 2,5 kWh nutzbarer Energie und einer Leistung von 350 kW und zwei Batterien von jeweils 25 kWh nutzbarer Energie vorgesehen, die eine lokal emissionslose Fahrstrecke von ca. 30 km abdecken sollen. Als Verbrennungsmotor ist ein Dieselaggregat mit 140 kW und als elektrische Antriebsmotoren sind 4 Elektromaschinen mit jeweils etwa 200 kW Spitzenleistung vorgesehen. Total weight of a flywheel storage with 2.5 kWh of usable energy and a power of 350 kW and two batteries of 25 kWh of usable energy are intended to cover a locally emission-free route of about 30 km. As combustion engine is a diesel engine with 140 kW and electric drive motors are 4 electric machines, each with about 200 kW peak power provided.
Ein Dimensionierungsvorschlag für erheblich leichtere Fahrzeuge wird dort nicht gemacht. Bei einer linearen Skalierung auf ein Fahrzeug mit 1000 kg A sizing proposal for significantly lighter vehicles is not made there. With a linear scale on a vehicle with 1000 kg
Gesamtgewicht würde sich ein nutzbarer Energieinhalt des Schwungrades von nur 0,083 kWh und nur 11 ,6 kW Leistung und eine nutzbare Batteriekapazität von nur 1 ,66 kWh ergeben. Zudem fehlt in der Schrift jede Bezugnahme auf eine Leistung des  Total weight would give a usable energy content of the flywheel of only 0.083 kWh and only 11, 6 kW power and a usable battery capacity of only 1, 66 kWh. In addition, the document lacks any reference to a performance of the
Verbrennungsmotors im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich. Es wird lediglich eine Leistung von 140 kW ohne Bezugnahme auf bestimmte Bedingungen angegeben, die damit augenscheinlich nach üblichen Gepflogenheiten eine Maximalleistung darstellt. In der Offenbarung wird erwähnt, dass der Verbrennungsmotor zum Nachladen der Batterien im Stadtverkehr etwa bei Halblast betrieben werden könne, was bei üblichen Verbrennungsmotoren in der Regel keinem Betrieb im  Combustion engine in the consumption-optimal operating range. Only a power of 140 kW is given, without reference to specific conditions, which apparently represents a maximum performance according to customary practice. In the disclosure it is mentioned that the internal combustion engine for recharging the batteries in city traffic can be operated at half load, which in normal internal combustion engines usually no operation in the
verbrauchsoptimalen Betriebsbereich entspricht. Im Überlandverkehr soll die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors so bemessen werden, dass lediglich der jeweilige Luftwiderstand und Rollwiderstand des Fahrzeugs nach Art einer corresponds to the consumption-optimal operating range. In the overland traffic the Power output of the internal combustion engine are dimensioned so that only the respective air resistance and rolling resistance of the vehicle in the manner of a
Störgrößenaufschaltung ausgeglichen werden. Damit sind weder eine Feedforward control can be compensated. This is neither a
Dimensionierung des Verbrennungsmotors auf Basis seiner Leistung im Dimensioning of the internal combustion engine based on its performance in the
verbrauchsoptimalen Betriebsbereich offenbart, noch dessen Betrieb in diesem Bereich nahegelegt. consumption-optimal operating range revealed, nor its operation in this area suggested.
Obwohl unterschiedliche Hybridantriebe unter Einbeziehung von Schwungrädern, Verbrennungsmotoren, Elektromotoren, Batterien und Brennstoffzellen bekannt sind, fehlt es an einer vorteilhaften Dimensionierung und Abstimmung der genannten Komponenten, die eine Erreichung der in der Aufgabenstellung benannten Ziele erlaubt. Although different hybrid drives with the involvement of flywheels, internal combustion engines, electric motors, batteries and fuel cells are known, there is a lack of advantageous dimensioning and tuning of the above components, which allows achieving the objectives specified in the task.
Um im Folgenden eine einheitliche Terminologie und ein einfaches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, werden zunächst einige zentrale Begriffe definiert: In order to enable a consistent terminology and a simple understanding of the invention in the following, a few key terms are first defined:
Eine Maschine mit instationärem Leistungsbedarf ist eine Maschine oder ein Aggregat, dessen Leistungsabgabe bei üblichem, bestimmungsgemäßem Betrieb starken Schwankungen von wenigstens einem Faktor 3 der im kurzfristigen zeitlichen Mittel abgegebenen Leistung unterliegt, insbesondere ein radgetriebenes Straßenfahrzeug. A machine with unsteady power requirement is a machine or an aggregate, the power output in normal, normal operation subject to strong fluctuations of at least a factor of 3 in the short-term time output power, in particular a wheel-driven road vehicle.
Der Begriff Hybridfahrzeug bezeichnet zunächst und vor allem ein radgetriebenes Straßenfahrzeug mit einer Kombination aus zumindest zwei unterschiedlichen motorischen Antrieben. Der Begriff soll im Rahmen dieser Schrift jedoch weder auf radgetriebene Fahrzeuge noch auf Straßenfahrzeuge eingeschränkt sein, sodass beispielsweise Ketten- und schraubengetriebene Fahrzeuge ebenso mit umfasst sind wie Landfahrzeuge, die abseits befestigter Straßen bewegt werden sowie Wasser- und Luftfahrzeuge. Weiter soll der Begriff weder durch den Zweck des Fahrzeugs noch durch seine typische Größe beschränkt sein, sodass z.B. auchThe term hybrid vehicle initially and above all refers to a wheel-driven road vehicle with a combination of at least two different engine drives. However, the term should not be limited to wheeled vehicles or road vehicles in the context of this document, so that, for example, chain and screw driven vehicles are included as well as land vehicles that are moved off paved roads and water and air vehicles. Further, the term should be limited neither by the purpose of the vehicle nor by its typical size, e.g. also
Spielzeug- oder Modellfahrzeuge, fahrerlose Transportsysteme, und selbstfahrende Arbeitsmaschinen vollständig mit umfasst sind. Zur besseren Verständlichkeit wird im Folgenden stets auf ein Hybrid-Straßenfahrzeug abgestellt, ohne dass damit eine Einschränkung in Bezug auf die Art der Maschine oder des Fahrzeugs beabsichtigt ist. Der Begriff Antriebsmittel umfasst neben einem antreibbaren Rad (Antriebsrad) eines Fahrzeugs auch äquivalente Elemente wie Fahrketten, Schrauben oder Propeller. Der Begriff umfasst auch eine Mehrzahl antreibbarer Räder oder deren Äquivalente, die zum Vortrieb eines Fahrzeugs oder zum Antrieb weiterer Toy or model vehicles, driverless transport systems, and self-propelled machines are completely covered. For better understanding will be hereinafter always referred to a hybrid road vehicle, without this being a limitation with respect to the type of machine or the vehicle is intended. The term drive means includes not only a drivable wheel (drive wheel) of a vehicle but also equivalent elements such as chains, screws or propellers. The term also includes a plurality of drivable wheels or their equivalents used to propel a vehicle or propel others
Einrichtungen vorgesehen sind. Facilities are provided.
Ein chemisch-mechanischer Energiewandler wandelt chemische Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit um. Dazu gehören beispielsweise ein A chemical-mechanical energy converter converts chemical energy into mechanical energy or work. These include, for example
Verbrennungsmotor sowie auch die Kombination aus einer Brennstoffzelle und einer Elektromaschine und dergleichen. Internal combustion engine as well as the combination of a fuel cell and an electric machine and the like.
Unter einem Verbrennungsmotor wird im allgemeinen Sprachgebrauch ein Motor mit innerer Verbrennung verstanden, insbesondere nach Art eines mit Gas oder flüssigem Kraftstoff wie Diesel oder Benzin betriebenen Kolbenmotors. Im Rahmen dieser Schrift soll der Begriff des Verbrennungsmotors weiter sämtliche Motoren umfassen, bei denen ein chemischer Energieträger durch Oxidation mechanische Energie„erzeugt". Damit sind neben Wankelmotoren und Vielstoffmotoren beispielsweise auch Freikolbenmotoren und Turbinenmotoren mit umfasst. Under an internal combustion engine is generally understood a motor with internal combustion, in particular in the manner of a gas or liquid fuel such as diesel or gasoline piston engine operated. For the purposes of this specification, the term "internal combustion engine" should also include all engines in which a chemical energy source "generates" mechanical energy through oxidation.
Der optimale Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors bezieht sich auf einen Leistungsbereich, in dem der Verbrennungsmotor unter Beachtung von The optimum working range of the internal combustion engine refers to a power range in which the internal combustion engine is observed
Randbedingungen im Bereich maximalen Wirkungsgrades betrieben werden kann. Die Größe des optimalen Arbeitsbereiches kann beispielsweise durch Vorgabe eines akzeptablen Mehrverbrauchs pro abgegebener Leistung festgelegt werden, der beispielsweise maximal + 10 %, bevorzugt jedoch nicht mehr als + 5 % betragen kann. Die zu beachtenden Randbedingungen beziehen sich in erster Linie auf den Verschleiß und den Schadstoffausstoß des Verbrennungsmotors, beispielsweise die Temperaturen des Motors, Motoröls und Kühlwassers und die Temperatur und den Beladungsgrad von Katalysatoren und/oder Partikelfiltern sowie die Boundary conditions in the range of maximum efficiency can be operated. The size of the optimum working range can be determined, for example, by specifying an acceptable additional consumption per delivered power, which may be, for example, a maximum of + 10%, but preferably not more than + 5%. The boundary conditions to be considered relate primarily to the wear and the pollutant emissions of the internal combustion engine, such as the temperatures of the engine, engine oil and cooling water and the temperature and the Degree of loading of catalysts and / or particulate filters and the
Kraftstoffqualität, kann jedoch auch weitere Größen wie beispielsweise den Fuel quality, but can also be other sizes such as the
Luftdruck berücksichtigen. Der optimale Arbeitsbereich kann zudem unter Consider air pressure. The optimal working area can also be under
Einbeziehung der Wirkungsgrade von Nebenaggregaten bestimmt und/oder in Bezug auf das Gesamtfahrzeug definiert werden. So kann es beispielsweise bei geringer Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors oder hohem Incorporation of ancillary efficiencies determined and / or defined in relation to the overall vehicle. So it can, for example, at low operating temperature of the engine or high
Heizenergiebedarf der Batterie und/oder des Fahrzeuginnenraums energetisch sinnvoll sein, vorübergehend gezielt einen geringeren mechanischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors einzustellen, wenn die Nutzung der durch den Heizenergiebedarf the battery and / or the vehicle interior be energetically sensible, temporarily targeted to set a lower mechanical efficiency of the engine when the use of the by
Verbrennungsmotor erzeugten Abwärme in Bezug auf das gesamte Fahrzeug energetisch effektiver als alternative Arten der Wärmeerzeugung ist. Combustion engine generated waste heat with respect to the entire vehicle is more energetically effective than alternative ways of heat generation.
Unter einer Brennstoffzelle wird eine Vorrichtung verstanden, in der aus einem chemischen Energieträger direkt, also ohne Umwandlung in mechanische Energie bzw. Arbeit, elektrische Energie gewonnen wird. Die meisten Brennstoffzellen arbeiten mit Wasserstoffgas und Luftsauerstoff und sollen im Rahmen dieser Schrift in Kombination mit einem Elektromotor als lokal emissionslose Antriebe oder wie vorstehend erwähnt als Äquivalent eines Verbrennungsmotors verstanden werden. Sofern der Wasserstoff jedoch zunächst an Bord des Fahrzeugs aus einem kohlenstoffhaltigen Energieträger, insbesondere Methan oder Benzin unter Emission von C02 erfolgt, kann das System aus Reformer, Brennstoffzelle und elektrischem Motor als chemisch-mechanischer Energiewandler betrieben werden A fuel cell is understood to be a device in which electrical energy is obtained directly from a chemical energy source, ie without conversion into mechanical energy or work. Most fuel cells work with hydrogen gas and atmospheric oxygen and are to be understood in the context of this document in combination with an electric motor locally as emissionless drives or as mentioned above as the equivalent of an internal combustion engine. However, if the hydrogen initially takes place aboard the vehicle from a carbonaceous energy source, in particular methane or gasoline with emission of CO 2, the system of reformer, fuel cell and electric motor can be operated as a chemical-mechanical energy converter
Einige Brennstoffzellen erlauben eine Umkehrung des Prozesses oder sind mit Systemen gekoppelt, die eine Gewinnung eines chemischen Energieträgers durch Einsatz von elektrischer Energie erlauben. Eine derartige reversible Umwandlung stellt ein funktionales Äquivalent zu einer Batterie dar. Dabei umfasst der Begriff der reversiblen Brennstoffzelle auch eine Kombination aus einer nicht-reversibel arbeitenden Brennstoffzelle und einer Vorrichtung zur. Erzeugung eines chemischen Energieträgers aus elektrischer Energie. Ein Hochleistungsenergiespeicher ist ein Energiespeicher, der im Verhältnis zu herkömmlichen, elektrochemischen Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Zellen eine in Bezug auf die Energiekapazität sehr hohe Be- und Entladeleistung bei geringer Alterung ermöglicht und dabei bevorzugt nur eine geringe, als Wärme anfallende Verlustleistung aufweist und zudem bevorzugt einen im Vergleich zu Some fuel cells allow the process to be reversed or coupled to systems that allow recovery of a chemical energy source by the use of electrical energy. Such a reversible conversion represents a functional equivalent to a battery. In this case, the term of the reversible fuel cell also includes a combination of a non-reversible fuel cell and a device for. Generation of a chemical energy source from electrical energy. A high-performance energy storage device is an energy storage device which, in relation to conventional electrochemical energy storage devices such as lithium-ion cells, enables a very high loading and unloading capacity with low aging in terms of energy capacity and preferably has only a low heat loss power loss and, moreover prefers one compared to
herkömmlichen, elektrochemischen Energiespeichern großen nutzbaren Anteil der nominellen Kapazität aufweist. Dies sind in erster Linie mechanische conventional electrochemical energy storage has a large usable proportion of nominal capacity. These are primarily mechanical
Energiespeicher und besonders Schwungräder können aber auch bestimmte Kondensatorbatterien sein, die die entsprechenden Eigenschaften aufweisen, insbesondere bestimmte Doppelschicht-Kondensatoren wie sogenannte Super- oder Ultracaps. Energy storage and flywheels may also be certain capacitor batteries, which have the appropriate properties, in particular certain double-layer capacitors such as so-called super or ultra caps.
Ein mechanischer Energiespeicher kann insbesondere eine Schwungradanordnung, ein mechanischer Federspeicher, ein pneumatischer bzw. hydro-pneumatischer Druckspeicher oder dergleichen sein. A mechanical energy store may in particular be a flywheel arrangement, a mechanical spring store, a pneumatic or hydro-pneumatic pressure store or the like.
Eine Schwungradanordnung, die ein oder mehrere Schwungräder enthalten kann, kann mittels einer rotierenden Masse Energie aufnehmen und abgeben. Der Energieinhalt des Schwungrades (bzw. mehrerer Schwungräder) wird als A flywheel assembly, which may include one or more flywheels, can receive and deliver energy by means of a rotating mass. The energy content of the flywheel (or more flywheels) is called
Prozentsatz der maximal speicherbaren, tatsächlich nutzbaren Energie des Percentage of the maximum storable, actually usable energy of the
Schwungrades angegeben und als State of Charge (SOC) bezeichnet. Flywheel specified and referred to as State of charge (SOC).
Ein elektrischer Energiespeicher ist insbesondere ein Elektroschwungrad, ein elektrischer Kondensator, eine Batterie, ein reversibel arbeitendes Brennstoffzellen- System oder dergleichen. An electrical energy store is in particular an electric flywheel, an electric capacitor, a battery, a reversibly operating fuel cell system or the like.
Ein Elektroschwungrad ist üblicherweise eine funktionale Kombination aus einem Schwungrad und einer Elektromaschine, wobei die Elektromaschine physikalisch einen Teil des Elektroschwungrades bilden und bevorzugt in das Gehäuse des Schwungrades integriert sein kann. Ein elektrischer Kondensator kann An electric flywheel is usually a functional combination of a flywheel and an electric machine, wherein the electric machine physically form part of the flywheel and may preferably be integrated into the housing of the flywheel. An electrical capacitor can
insbesondere auch ausgebildet sein als ein kapazitiver Hochleistungsspeicher auf Basis von Doppelschichtkondensatoren, wie sogenannte Super- oder Ultracaps, mit entsprechender Ansteuerungselektronik. Derartige Super- oder Ultracaps sind insofern mit einem Elektroschwungrad vergleichbar, da sich beide Komponenten bei ähnlichem maximalem Energieinhalt im Rahmen des vorgestellten in particular also be designed as a capacitive high-performance memory based on double-layer capacitors, such as so-called super or ultracaps, with corresponding control electronics. Such supercapacitors or ultracaps are comparable with an electric flywheel insofar as both components have a similar maximum energy content within the scope of the present invention
Antriebskonzeptes aufgrund der relevanten Eigenschaften (geringe Alterung und Erwärmung bei großen ein- und ausgespeicherten Leistungen bei gutem Drive concept due to the relevant properties (low aging and heating in large stored and stored services with good
Wirkungsgrad, nahezu vollständig nutzbare nominelle Kapazität, großer Efficiency, almost fully usable nominal capacity, large
Arbeitstemperaturbereich, Selbstentladungsverhalten) gegen einander austauschen lassen. Im Rahmen dieser Schrift umfasst der Begriff der Batterie einen Speicher für elektrische Energie auf Basis einer reversiblen elektrochemischen Umwandlung und darüber hinaus auch äquivalent wirksame Speicher für elektrische Energie, insbesondere auf Basis von elektrischen oder magnetischen Feldern. Bei elektrochemischen Batterien ist zu beachten, dass der nutzbare Ladungsbereich üblicher Weise nur ca. 50 % der nominellen Kapazität der Batterie beträgt, da die Batterie zur Verringerung der Alterung in einem Ladungsbereich von ca. 40 - 90 % der maximal möglichen Ladungsmenge gehalten werden soll. Operating temperature range, self-discharge behavior) can be exchanged for each other. In the context of this document, the term of the battery includes a memory for electrical energy based on a reversible electrochemical conversion and moreover also equivalent effective storage for electrical energy, in particular based on electrical or magnetic fields. For electrochemical batteries, it should be noted that the usable charge range is usually only about 50% of the nominal capacity of the battery, since the battery is to be kept in a charge range of about 40-90% of the maximum possible charge amount to reduce aging.
Im Folgenden wird, soweit nichts anderes angegeben ist, bei Angaben über den als State of Charge (SOC) bezeichneten, nutzbaren Energieinhalt einer Batterie nicht auf die nominelle Kapazität der Batterie Bezug genommen, sondern auf die tatsächlich in der Praxis nutzbare Kapazität einer nicht gealterten Batterie unter üblichen Betriebsbedingungen. Eine nominelle Batteriekapazität von z. B. 15 kWh entspricht daher bei einem angenommenen nutzbaren Ladungsbereich von 50 % einer tatsächlich nutzbaren Kapazität von 7,5 kWh. Ein SOC von 33% entspricht daher einer entnehmbaren Energie von 2,5 kW. In besonderen Betriebszuständen kann der nutzbare Anteil der nominellen Batteriekapazität temporär erweitert werden, weshalb in diesen Fällen auch ein SOC von unter 0 % oder über 100 % grundsätzlich möglich ist, beispielsweise um bei einem Ausfall des Unless otherwise indicated, the following is the reference to what is known as the state of charge (SOC), usable energy content of a battery not to the nominal capacity of the battery, but on the actually usable in practice capacity of an unaltered battery under normal operating conditions. A nominal battery capacity of z. B. 15 kWh therefore corresponds to an assumed usable charge range of 50% of a usable actual capacity of 7.5 kWh. An SOC of 33% therefore corresponds to a removable energy of 2.5 kW. In special operating states, the usable portion of the nominal battery capacity can be temporarily extended, which is why in these cases, a SOC of less than 0% or more than 100% is basically possible, for example, in case of failure of the
verbrennungsmotorischen Antriebsstranges das Fahrziel bzw. eine Werkstatt erreichen zu können (sogen. Limb home), oder bei sehr hohen Fahrleistungsanforderungen (Kick down) trotz Erreichen der Entladegrenze der Batterie erhöhte Fahrleistungen zu ermöglichen. internal combustion engine powertrain to reach the destination or a workshop (so-called limb home), or at very high Driving performance requirements (kick down) to allow increased performance despite reaching the discharge limit of the battery.
Unter einer geringen spezifischen Belastung der Batterie soll eine spezifische Be- und Entladeleistung der Batterie von zumindest unter 3 C, bevorzugt jedoch unter 2 C verstanden werden. Besonders bevorzugt ist eine spezifische Be- und A low specific load on the battery is to be understood as meaning a specific charging and discharging capacity of the battery of at least below 3 ° C., but preferably below 2 ° C. Particularly preferred is a specific loading and
Entladeleistung von in der Regel 1 C oder weniger, wobei in bestimmten Discharge capacity of usually 1 C or less, wherein in certain
Betriebssituationen auch eine zeitweise Erhöhung auf bis zu ca. 2 C oder bevorzugt 1 ,5 C möglich sein soll. Dies ermöglicht es, die Batteriezellen auf einen hohen spezifischen Energieinhalt zu optimieren, wodurch bei gleichem Gewicht undOperating situations and a temporary increase to up to about 2 C or preferably 1, 5 C should be possible. This makes it possible to optimize the battery cells to a high specific energy content, whereby at the same weight and
Volumen der Batterie eine erheblich größere Batteriekapazität realisiert werden und somit entweder Gewicht und Bauraum gespart oder die Batterie bei gleichem Gewicht eine höhere Kapazität aufweisen kann, wodurch längere lokal Volume of the battery can be realized a significantly larger battery capacity and thus saved either weight and space or the battery at the same weight may have a higher capacity, causing longer local
emissionslose Reichweiten erzielbar sind. Hinzu kommt, dass eine geringe spezifische Batteriebelastung auch eine Vergrößerung des nutzbaren emission-free ranges are achievable. In addition, a low specific battery load also increases the usable
Ladungsbereiches erlaubt, wodurch die nominelle Batteriekapazität ebenfalls kleiner gewählt werden oder bei gleicher nomineller Batteriekapazität eine höhere nutzbare Batteriekapazität bereitgestellt werden kann. Weiter ist die pro entnommener oder eingespeicherter Energiemenge in der Batterie anfallende Abwärme bei niedrigen spezifischen Be- und Entladeleistungen erheblich geringer, was die Temperierung der Batterie stark vereinfacht und schließlich ist die Alterung der Batterie bei geringen spezifischen Leistungen bei ansonsten gleichen Randbedingungen erheblich geringer. Eine relativ langzyklische Belastung der Batterie liegt vor, wenn im Vergleich zu den schnellen Wechseln zwischen Be- und Entladungsphasen von üblichen Batterie- und Elektrohybridfahrzeugen im zeitlichen Mittel nur sehr wenige Wechsel erfolgen. Dieses Merkmal ist erfüllt, wenn die Anzahl der Wechsel pro Zeit wenigstens ca. 5 bis bevorzugt 10 mal und besonders bevorzugt mehr als 20 mal seltener erfolgen. Dies hat eine positive Wirkung auf das Alterungsverhalten der Batterie und erlaubt zudem eine relativ träge Steuerung. Der Begriff der hohen dynamischen Fahrleistung ist hauptsächlich durch das Leistungsgewicht des Fahrzeugs bestimmt. Unterschiede in Bezug auf die Charge range allows, whereby the nominal battery capacity can also be chosen smaller or with the same nominal battery capacity, a higher usable battery capacity can be provided. Furthermore, the waste heat accumulated in the battery per discharged or stored amount of energy at low specific loading and unloading capacities is considerably lower, which greatly simplifies the temperature control of the battery and, finally, the aging of the battery is considerably lower at low specific powers under otherwise identical conditions. A relatively long-cycle load on the battery is present when, compared to the rapid alternation between charging and discharging phases of conventional battery and hybrid electric vehicles, only very few changes occur over the course of time. This feature is met when the number of changes per time is at least about 5 to preferably 10 times, and more preferably more than 20 times less frequently. This has a positive effect on the aging behavior of the battery and also allows a relatively sluggish control. The concept of high dynamic driving performance is mainly determined by the vehicle's power-to-weight ratio. Differences in terms of
Rollwiderstände und den Cw-Wert sind insbesondere innerhalb von Fahrzeugtypen, z.B. üblichen PKW, SUV, Pickups, Transportern, leichten und schweren LKW bei moderner Auslegung und Fertigung relativ gering. Daher ist eine Bezugnahme auf das Leistungsgewicht des Fahrzeugs ausreichend genau, um die dynamischen Fahrleistungen anzugeben. Rolling resistances and the Cw value are particularly within vehicle types, e.g. usual cars, SUVs, pickups, vans, light and heavy trucks in modern design and manufacturing relatively low. Therefore, a reference to the power of the vehicle is sufficiently accurate to indicate the dynamic driving performance.
Dabei wird davon ausgegangen, dass das durchschnittliche Leistungsgewicht aller im Jahr 2012 in Deutschland zugelassener PKW von den Käufern offensichtlich als Motorisierung mit einer ausreichend guten dynamischen Fahrleistung angesehen wird. Diese lag laut Statistik der Kraftfahrtbundesamtes für 2012 bei ca. 15 kg/kW maximaler Antriebsleistung. Aufgrund der hier vorgesehenen zumindest überwiegenden Bereitstellung der Antriebsleistung durch Elektromaschinen und deren in Bezug auf die It is assumed that the average weight-to-power ratio of all cars registered in Germany in 2012 is obviously viewed by the buyers as having good dynamic performance. This was according to statistics of the Federal Motor Transport Authority for 2012 at about 15 kg / kW maximum drive power. Due to the provided here at least predominantly providing the drive power by electric machines and their in relation to the
Beschleunigung des Fahrzeugs einem Verbrennungsmotor erheblich überlegenen Leistungskurven während der Beschleunigung kann weiter davon ausgegangen werden, dass ein Leistungsgewicht von ca. 20 kg/kW ausreichend sein kann, um eine noch gute dynamische Fahrleistung bereitzustellen. Übliche Sportwagen wie der Audi TT quattro weisen ein Leistungsgewicht von ca. 10 kg/kW und Acceleration of the vehicle an engine significantly superior performance curves during acceleration can be further assumed that a power to weight of about 20 kg / kW may be sufficient to provide a still good dynamic driving performance. Usual sports cars such as the Audi TT quattro have a power to weight ratio of about 10 kg / kW and
höchstmotorisierte, sogenannte Supersportier wie der Porsche 911 Carrera S, von 5 kg/kW auf. Es sei darauf hingewiesen, dass für die Ermittlung des highly motorized, so-called Supersportier as the Porsche 911 Carrera S, from 5 kg / kW up. It should be noted that for the determination of the
Leistungsgewichtes eine mögliche Leistung der Batterie für den Antrieb des Power weight a possible performance of the battery for driving the
Fahrzeugs außer Betracht bleibt, da deren Leistung bei leerer Batterie, Vehicle is ignored because its performance when the battery is empty,
insbesondere bei längeren Fahrten mit Geschwindigkeiten oberhalb der especially for longer trips with speeds above the
Dauerhöchstgeschwindigkeit und damit in einem wichtigen Betriebsbereich, nicht zuverlässig zur Verfügung steht. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb von Maschinen mit instationärem Leistungsbedarf, wie insbesondere von Kraftfahrzeugen, vorzustellen, wobei eine derart angetriebene Maschine - eine ausgezeichnete Energieeffizienz aufweist, Maximum continuous speed and thus in an important operating range, not reliably available. The object of the invention is to present a drive device for driving machines with unsteady power requirements, such as in particular of motor vehicles, wherein a thus driven machine - has excellent energy efficiency,
- hohe dynamische Fahrleistungen bereitstellen kann,  - can provide high dynamic performance,
- sich für den lokal emissionslosen Betrieb in größeren Zero-Emissions-Zonen eignet,  - is suitable for locally emission-free operation in larger zero emission zones,
- sich für den Langstreckenbetrieb mit unterbrechungsfreier Fahrt von  - for the long-distance operation with uninterrupted drive from
zumindest einigen hundert Kilometern eignet ,  at least a few hundred kilometers,
- eine geringe und relativ langzyklische Belastung der Batterie durch geringe spezifische Be- und Entladeströme erlaubt, sowie  - A low and relatively long-cycle load on the battery by low specific loading and unloading allowed, as well
- eine hohe Ausfallsicherheit gegen sogenannte Liegenbleiber bietet.  - Offers a high level of reliability against so-called Lying.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Fahrzeug mit einer entsprechenden Antriebsvorrichtung. Durch den letzten unabhängigen Anspruch wird außerdem eine Anzeigevorrichtung vorgestellt, die für die Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung von großem Vorteil ist. Durch die abhängigen Ansprüche werden vorteilhafte This object is achieved by a drive device according to claim 1 or by a vehicle with a corresponding drive device. By the last independent claim, a display device is also presented, which is for the use of the drive device according to the invention of great advantage. The dependent claims become advantageous
Weiterentwicklungen unter Schutz gestellt. Further developments under protection.
Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 dient zum Antrieb einer Maschine mit instationärem Leistungsbedarf, wie beispielsweise von einem Kraftfahrzeug. Dabei ist zunächst ein erster chemisch-mechanischer The drive device according to the invention according to claim 1 is used to drive a machine with unsteady power requirements, such as from a motor vehicle. Here, first, a first chemical-mechanical
Energiewandler, der beispielsweise und bevorzugt als Kolben-Verbrennungsmotor, aber z.B. auch als Turbinenmotor oder Motor sonstiger Bauart zur Erzeugung mechanischer Arbeit aus einem chemischen Energieträger ausgestaltet sein kann, und/oder eine erste Brennstoffzelle enthalten, die ggf. auch reversibel arbeiten kann oder durch Zuordnung eines Reformers eine reversibel betreibbare  Energy converter, for example, and preferably as a piston internal combustion engine, but e.g. may also be configured as a turbine engine or engine of any other type for generating mechanical work from a chemical energy carrier, and / or contain a first fuel cell, which may possibly work reversibly or by assigning a reformer a reversibly operable
Brennstoffzellen-Systemkomponente bilden kann. Weiterhin ist ein erster elektrischer Energiespeicher enthalten, der bevorzugt als elektrochemische, reversible Batterie, insbesondere auf Lithium-Ionen-Basis oder als ähnlich wirkender, reversibler elektrischer Speicher gestaltet sein kann und/oder eine zweite Brennstoffzelle bzw. eine zweite Brennstoffzellen-Systemkomponente enthalten. Weiter ist als für die Erfindung zentrale Komponente ein Fuel cell system component can form. Furthermore, a first electrical energy store is included, which may preferably be designed as an electrochemical, reversible battery, in particular lithium-ion-based or as a similarly acting, reversible electrical storage and / or contain a second fuel cell or a second fuel cell system component. Next is as a central component for the invention
Hochleistungsenergiespeicher vorgesehen, der sich wie vorstehend definiert dadurch auszeichnet, dass er im Vergleich zu derzeit bekannten elektrochemischen Energiespeichern bezogen auf den maximalen Energieinhalt sehr hohe Leistungen bei geringer Alterung und mit gutem Wirkungsgrad einspeichern und abgeben kann. Zudem erlaubt der Hochleistungsenergiespeicher bevorzugt im Vergleich zu bekannten elektrochemischen Batterien auf Lithium-Ionen Basis die Nutzung eines sehr großen SOC-Bereichs bei geringer Alterung. In konkreten Ausgestaltungen besteht dieser Hochleistungsenergiespeicher bevorzugt aus einem mechanischen Energiespeicher und besonders einer Schwungradanordnung. Alternativ oder ergänzend können für diesen mechanischen Energiespeicher auch ein High-performance energy storage provided, as defined above, characterized in that it can save compared to currently known electrochemical energy storage based on the maximum energy content very high performance with low aging and good efficiency and can deliver. In addition, the high-performance energy storage preferably allows the use of a very large SOC range with low aging in comparison to known lithium-ion based electrochemical batteries. In specific embodiments, this high-performance energy storage device preferably consists of a mechanical energy store and in particular a flywheel arrangement. Alternatively or additionally, for this mechanical energy storage and a
Federspeicher, ein pneumatischer bzw. hydro-pneumatischer Druckspeicher oder dergleichen enthalten sein. Den mechanischen Energiespeichern ist dabei eine zweite Elektromaschine zugeordnet, die bevorzugt auf die vorgesehene Leistung des mechanischen Energiespeichers ausgelegt ist und vorteilhaft als Spring storage, a pneumatic or hydro-pneumatic accumulator or the like may be included. The mechanical energy storage is associated with a second electric machine, which is preferably designed for the intended performance of the mechanical energy storage and advantageous as
Elektromaschine eines Elektroschwungrads ausgebildet sein kann. Bei der  Electric machine of an electric flywheel may be formed. In the
Verwendung einer Schwungradanordnung kann genau ein oder alternativ mehrere Schwungräder vorgesehen werden, die in diesem Fall zur Auslöschung Using a flywheel assembly, exactly one or alternatively a plurality of flywheels can be provided, which in this case to extinguish
fahrdynamischer Einflüsse der Schwungräder durch Kreiselkräfte bevorzugt geradzahlig und hälftig gegenläufig ausgebildet sind. Daneben sind jedoch auch andere Ausgestaltungen, insbesondere auf Basis von die vorgenannten Kriterien erfüllenden Hochleistungskondensatoren, insbesondere driving dynamic influences of the flywheels by centrifugal forces are preferably even and half formed in opposite directions. In addition, however, other embodiments, in particular based on the aforementioned criteria fulfilling high performance capacitors, in particular
Doppelschichtkondensatoren und hier besonders sogenannten Super- oder Double-layer capacitors and especially so-called super or
Ultracaps und Hybridkondensatoren möglich. Ultracaps and hybrid capacitors possible.
Da diese Hochleistungsenergiespeicher im Vergleich zu üblichen elektrochemischen Energiespeichern pro Energiespeicherkapazität sehr teuer sind, ist ihr Einsatz als erster elektrischer Energiespeicher, zum Beispiel an Stelle einer Lithium- Ionenbatterie, nicht wirtschaftlich möglich und würde bei Ausgestaltung als mechanischer Energiespeicher zudem erhebliche Probleme in Bezug auf Gewicht, benötigten Bauraum und im Fall eines Schwungrad-Moduls ggf. in Bezug auf große, für die Fahrdynamik nachteilige Kreiselkräfte aufwerfen. Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zumindest ein Antriebsmittel, insbesondere ein oder mehrere Antriebsräder und die Since these high-performance energy storage devices are very expensive per energy storage capacity compared to conventional electrochemical energy storage devices, their use as the first electrical energy storage device, for example instead of a lithium-ion battery, is not economically feasible and, in the case of a design as a mechanical energy storage device, would also result in considerable problems in terms of weight, required space and in the case of a flywheel module possibly in relation to large, for the driving dynamics disadvantageous centrifugal forces. Finally, the drive device according to the invention comprises at least one drive means, in particular one or more drive wheels and the
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist so gestaltet und deren vorgenannte Komponenten sind so angeordnet, dass sie - soweit in einer konkreten Drive device according to the invention is designed and the aforementioned components are arranged so that they - so far in a concrete
Ausgestaltung vorhanden - das oder die Antriebsmittel mechanisch und/oder elektrisch antreiben können.  Embodiment present - the or the drive means can mechanically and / or electrically drive.
Für die Lösung der gestellten Aufgabe hat sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Hochleistungsenergiespeicher eine Leistung für den Antrieb der Maschine abgeben kann, die um den Faktor 1 ,5 bis 8 höher ist als die Summe der Leistungen des ersten chemisch-mechanischen Energiewandlers im For the solution of the problem has been found that it is particularly advantageous if the high-performance energy storage can deliver a power for driving the machine, which is higher by a factor of 1, 5 to 8 than the sum of the benefits of the first chemical-mechanical Energy converter in the
verbrauchsoptimalen Betriebsbereich und/oder der ersten Brennstoffzelle. Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass ein Faktor innerhalb des Bereiches von 2 bis 6 besonders gut ist und ein Optimum um den Wert 4 liegt, wobei Werte innerhalb einer Spanne von 3 bis 5 auch sehr gut geeignet sind. Dabei versteht es sich von selbst, dass unter der Leistung der ersten Brennstoffzelle hier deren consumption-optimal operating range and / or the first fuel cell. It has also been found that a factor within the range of 2 to 6 is particularly good and an optimum around the value 4, whereby values within a range of 3 to 5 are also very well suited. It goes without saying that under the performance of the first fuel cell here
auslegungsgemäße maximale bzw. maximale Dauerleistung unter Berücksichtigung üblicher Randbedingungen wie der Alterung verstanden werden soll, da eine Dimensionierung bezogen auf eine beliebig einstellbare Teilleistung oder eine nur kurzzeitig realisierbare Überlast-Leistung keinen Sinn ergeben würde. Sofern sich bei bestimmten Brennstoffzellentypen im oberen Teillastbereich ein optimaler Wirkungsgrad ergibt, ist es entsprechend den Ausführungen zur Leistung des Verbrennungsmotors selbstverständlich ebenfalls bevorzugt, diesen Betriebspunkt oder Betriebsbereich mit optimalem Wirkungsgrad als auslegungsbestimmend zu wählen. design maximum or maximum continuous power under consideration of the usual boundary conditions such as aging should be understood as a dimensioning based on an arbitrarily adjustable partial power or only briefly realizable overload power would make no sense. If optimal efficiency results for certain types of fuel cell in the upper part-load range, it is of course also preferred according to the comments on the performance of the internal combustion engine to select this operating point or operating range with optimal efficiency as interpretative.
Die vorgenannte Dimensionierung ist deshalb besonders vorteilhaft, weil sie bei einer auslegungsgemäß als gegeben angesehenen, maximalen Gesamtleistung der Maschine bzw. des Kraftfahrzeugs eine vorteilhaft kleine Dimensionierung des chemisch-mechanischen Energiewandlers bzw. der ersten Brennstoffzelle, bei gleichzeitig hoher Gesamtleistung erlaubt, ohne den ersten elektrischen Energiespeicher unerwünscht groß auslegen oder unerwünscht stark beanspruchen zu müssen. Dies wird insbesondere mit Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel weiter unten detailliert ausgeführt. Im Folgenden werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile näher erläutert. Dabei wird sie an vielen Stellen so beschrieben, dass anstelle von allgemeinen Begriffen, wie„chemisch-mechanischer Wandler" und The above-mentioned dimensioning is therefore particularly advantageous because, given a design maximum of the machine or of the motor vehicle designed as given, it allows an advantageously small dimensioning of the chemical-mechanical energy converter or of the first fuel cell, at the same time as high overall power, without the first electric motor To interpret energy storage undesirable large or need to claim undesirable heavy. This will be detailed below with particular reference to the second embodiment. In the following, the present invention and its advantages are explained in more detail. It is described in many places so that instead of general terms, such as "chemical-mechanical converter" and
„Hochleistungsenergiespeicher" konkrete Ausführungen genannt werden, wie „Verbrennungsmotor" bzw.„Schwungrad-Modul" oder„Schwungradanordnung". Es sei darauf hingewiesen, dass dies lediglich der einfacheren Beschreibung dienen und keinesfalls eine Beschränkung der Erfindung darstellen soll. "High-performance energy storage" concrete versions are called, such as "internal combustion engine" or "flywheel module" or "flywheel assembly". It should be noted that this is for convenience of description only and is not intended to be a limitation on the invention.
Durch die erfindungsgemäße vorteilhafte Dimensionierung wird ein extrem The advantageous dimensioning according to the invention becomes an extreme
Verbrauchs- und emissionsarmer Antrieb für Maschinen mit stark instationärem Leistungsbedarf und insbesondere für Kraftfahrzeuge ermöglicht, da sie bei kleiner Dimensionierung des Verbrennungsmotors die Bereitstellung einer hohen Low-consumption and low-emission drive for machines with highly unsteady power requirements and in particular for motor vehicles allows, since they provide a small size of the internal combustion engine, the provision of a high
Antriebsleistung ermöglicht, ohne dabei erhebliche Probleme in Bezug auf den für das Schwungrad-Modul benötigten Bauraum und dessen Kosten aufzuwerfen und gleichzeitig die möglichen fahrdynamischen Einflüsse des Schwungrad-Moduls durch Kreiselkräfte noch ausreichend gering sind. Drive power allows, without posing considerable problems in terms of the space required for the flywheel module space and its costs and at the same time the possible dynamic driving influences of the flywheel module by centrifugal forces are still sufficiently low.
Da die Gesamtleistung der Maschine bzw. des Kraftfahrzeugs ein wesentliches Auslegungskriterium darstellt, kann sie für eine bestimmte Maschine oder Since the overall performance of the machine or the motor vehicle is an essential design criterion, it can for a particular machine or
Kraftfahrzeug als weitgehend gegeben angesehen werden. Damit führt die erfindungsgemäße Dimensionierung der Leistung der Schwungradanordnung und des Verbrennungsmotors bzw. ihrer äquivalenten Ausgestaltungen dazu, dass der Verbrennungsmotor (gerundet) nur für 11 ,1 - 40 %, bevorzugt 14,3 - 33,3 % besonders bevorzugt 16,7 - 25% und am meisten bevorzugt ca. 20% der Motor vehicle can be considered largely given. Thus, the inventive dimensioning of the performance of the flywheel assembly and the internal combustion engine or their equivalent configurations to the fact that the engine (rounded) only for 11, 1 - 40%, preferably 14.3 - 33.3% more preferably 16.7 - 25 % and most preferably about 20% of the
Gesamtleistung aus Schwungrad-Modul und Verbrennungsmotor im Total output of flywheel module and internal combustion engine in
verbrauchsoptimalen Bereich auszulegen ist. Diese Aufteilung der Leistungen der Hauptantriebsquellen ist geeignet, um den Verbrennungsmotor so klein auszulegen, dass er vollständig oder zumindest weit überwiegend in einem verbrauchsoptimalen Betriebsbereich betrieben werden kann bzw. im Fall einer Brennstoffzelle eine in Bezug auf deren hohe leistungsbezogene Kosten wirtschaftlich sinnvolle Auslegung zu akzeptablen Gesamtkosten überhaupt erst ermöglicht wird. Bei einem bekannten Einsatz einer elektrochemischen Batterie zur Speicherung überschüssiger Leistung des Verbrennungsmotors und aus Rekuperation und als Haupt-Antriebsquelle des Fahrzeugs würden sich erhebliche Probleme in Bezug auf große Be- und Entladungsströme ergeben, die entweder das Vorsehen einer sehr groß dimensionierten Batterie mit entsprechenden Nachteilen in Bezug auf benötigten Bauraum, Gewicht und Kosten erfordern oder eine sehr große Belastung der Batterie durch hohe spezifische Be- und Entladeströme C und damit erhebliche Probleme in Bezug auf deren Temperierung und Alterung bedingen würden. is to be interpreted in terms of consumption-optimal range. This division of the power of the main drive sources is suitable to make the engine so small that it is completely or at least predominantly in a consumption-optimal Operating range can be operated or in the case of a fuel cell in terms of their high performance-related costs economically meaningful interpretation at acceptable total costs in the first place is made possible. In a known use of an electrochemical battery for storing excess power of the internal combustion engine and from recuperation and as the main drive source of the vehicle, considerable problems would arise with respect to large discharge and discharge currents, either the provision of a very large-sized battery with corresponding disadvantages in Reference to required space, weight and cost or require a very large load of the battery by high specific loading and unloading C and thus would cause significant problems in terms of their temperature and aging.
Würde die Leistung der Schwungradanordnung im Verhältnis zur Leistung des Verbrennungsmotors kleiner gewählt, würde dessen Leistung so groß, dass der Betrieb im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich in vielen Betriebsphasen, insbesondere im Stadtverkehr nur durch nachteilig hohe Ladeströme in die Batterie möglich wäre. Sofern die Batterie nicht sehr groß und damit unerwünscht schwer und teuer ausgelegt würde, könnte der Verbrennungsmotor (bzw. eine If the power of the flywheel assembly chosen smaller in relation to the performance of the engine, its power would be so large that the operation in the consumption-optimal operating range in many phases of operation, especially in city traffic would be possible only by disadvantageously high charging currents in the battery. Unless the battery is very large and thus unwanted heavy and expensive designed, the internal combustion engine (or a
Brennstoffzelle, usw.) aufgrund der begrenzten Aufnahmefähigkeit der Batterie und der Schwungradanordnung nur für kurze Zeiträume betrieben werden. Damit würde der Anteil der Betriebszeit des Verbrennungsmotors und einer zugeordneten Abgasreinigungsanlage in einem nicht ausreichenden Temperaturbereich unerwünscht hoch, oder der Verbrennungsmotor müsste im in Bezug auf den Verbrauch und die Abgasemissionen sehr nachteiligen Teillastbereich betrieben werden. Zudem wären der Verbrennungsmotor (bzw. eine Brennstoffzelle, usw.) im Vergleich zu einer erfindungsgemäßen Dimensionierung durch ein unvorteilhaft großes Gewicht und einen unvorteilhaft großen Bauraumbedarf und unnötig hohe Kosten gekennzeichnet. Fuel cell, etc.) are operated only for short periods due to the limited capacity of the battery and the flywheel assembly. Thus, the proportion of the operating time of the internal combustion engine and an associated emission control system in an insufficient temperature range undesirably high, or the internal combustion engine would have to be operated in terms of consumption and exhaust emissions very disadvantageous partial load range. In addition, the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) in comparison to a dimensioning according to the invention would be characterized by an unfavorably large weight and a disadvantageously large space requirement and unnecessarily high costs.
Würde die Leistung der Schwungradanordnung im Verhältnis zur Leistung des Verbrennungsmotors größer gewählt, könnte der Verbrennungsmotor bei einer Auslegung auf eine sinnvolle Gesamt-Antriebsleistung in vielen Situationen keinen ausreichenden Beitrag zum Antrieb des Fahrzeugs, etwa auf Langstrecken- Autobahnfahrten oder zur Nachladung der Batterie leisten, da seine Leistung bereits bei moderaten Fahrleistungsanforderungen vollständig für den Antrieb des If the power of the flywheel assembly chosen to be larger in relation to the performance of the internal combustion engine, the internal combustion engine at a Design in a meaningful overall drive performance in many situations do not make sufficient contribution to the drive of the vehicle, such as on long-distance highway driving or recharging the battery, since its performance even at moderate driving requirements completely for driving the
Fahrzeugs benötigt würde. Um dies zu verhindern, und den Verbrennungsmotor (bzw. eine Brennstoffzelle, usw.) dennoch ausreichend groß zu dimensionieren, um auch bei entladener Batterie ausreichende Fahrleistungen und ein Nachladen der Batterie zu ermöglichen, müsste die Schwungradanordnung so groß dimensioniert werden, dass sich daraus für den Betrieb des Fahrzeugs keine oder nahezu keine Vorteile mehr ergeben. Eine solche Dimensionierung würde demnach einen in Bezug auf Kosten und Bauraumbedarf unnützen Aufwand darstellen. Vehicle would be needed. To prevent this, and the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) nevertheless dimensioned sufficiently large to allow sufficient performance and recharge the battery even when the battery is discharged, the flywheel assembly would have to be large enough to make it the operation of the vehicle no or almost no benefits. Such dimensioning would therefore represent a cost unnecessary in terms of cost and space requirements.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass eine Leistung des Hochenergiespeichers, die um den Faktor 1 ,5 größer ist, als die Leistung des ersten mechanischen In particular, it has been shown that a power of the high-energy storage, which is greater by a factor of 1, 5, than the performance of the first mechanical
Energiewandlers im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich, zu einer Auslegung des Verbrennungsmotors führt, bei der dessen Leistung bei sinnvoller Auslegung der Batterie gerade noch mit erwünscht kleinen spezifischen Ladeströmen in die Batterie speicherbar ist. Dies gilt insbesondere für Fahrzeuge mit einem Energy converter in consumption-optimal operating range, leading to a design of the internal combustion engine, in which the power at reasonable design of the battery just with desired small specific charging currents can be stored in the battery. This is especially true for vehicles with one
Leistungsgewicht zwischen ca. 20 kg/kW und ca. 10 kg/kW und bildet damit eine untere Grenze des Faktorbereiches. Power weight between about 20 kg / kW and about 10 kg / kW and thus forms a lower limit of the factor range.
Eine Auslegung auf Faktor 8 führt zu relativ kleinen Auslegungen des An interpretation of factor 8 leads to relatively small interpretations of the
Verbrennungsmotors. Bei einer noch kleineren Dimensionierung würde Combustion engine. At even smaller sizing would
insbesondere bei Fahrzeugen mit einem relativ hohen Leistungsgewicht dessen Fähigkeit in Frage gestellt, eine ausreichend hohe Dauerhöchstgeschwindigkeit zu gewährleisten bzw. würde alternativ die Leistung des Schwungrades bei especially in vehicles with a relatively high power-to-weight ratio, its ability to ensure a sufficiently high maximum steady-state speed or, alternatively, the performance of the flywheel would be compromised
Fahrzeugen mit sehr niedrigem Leistungsgewicht so groß, dass die Very low power-weight vehicles so big that the
Gesamtantriebsleitung bei Auslegung der Leistung des Verbrennungsmotors auf eine akzeptable Dauerhöchstgeschwindigkeit einer aufgrund des zusätzlichen Aufwandes nicht erwünschten Übermotorisierung entspräche. Faktor 8 bildet daher eine sinnvolle obere Grenze des Faktorbereiches. Eine Auslegung auf einen bevorzugten bzw. stärker bevorzugten Faktorbereich 2 bzw. 3 als untere Grenze ermöglicht bei mit ca. 15 kg/kW„normal" motorisierten Fahrzeugen im Vergleich zu Faktor 1 ,5 eine kleinere Dimensionierung des Overall drive line in design of the power of the internal combustion engine to an acceptable continuous maximum speed would correspond to an undesirable due to the additional effort Übermotorisierung. Factor 8 therefore forms a sensible upper limit of the factor range. A design on a preferred or more preferred factor range 2 or 3 as the lower limit allows for about 15 kg / kW "normal" motorized vehicles in comparison to factor 1, 5 a smaller dimensioning of
Verbrennungsmotors, was bei aufgabengemäß geforderten kleinen spezifischen Ladeleistungen der Batterie eine Auslegung der Batterie auf kleinere Kapazitäten ermöglicht, woraus eine höhere Designfreiheit bei der Wahl der Batteriekapazität und bei Wahl einer kleineren Batteriekapazität eine geringere Fahrzeugmasse und entsprechend bessere dynamische Fahrleistungen folgen. Dabei erlauben die Faktoren 2 bzw. 3 erwünscht hohe Dauerhöchstgeschwindigkeiten von ca. 120 - 130 km/h für„normal" motorisierte Fahrzeuge mit einem Leistungsgewicht von ca. 15 kg/kW und von ca. 160 - 180 km/h für sportlich motorisierte Fahrzeuge mit ca. 10 kg/kW Leistungsgewicht, was für Märkte mit einer hohen oder fehlenden allgemeinen Geschwindigkeitsbeschränkung vorteilhaft den Erwartungen der Kunden an derartige Fahrzeuge mit entsprechender Motorisierung entspricht. Internal combustion engine, which allows for task designed according to small specific charging power of the battery, a design of the battery to smaller capacities, resulting in a higher design freedom in the choice of battery capacity and choosing a smaller battery capacity lower vehicle mass and correspondingly better dynamic driving performance. The factors 2 and 3, respectively, allow high maximum continuous speeds of approximately 120-130 km / h for "normally" motorized vehicles with a power-to-weight ratio of approximately 15 kg / kW and approximately 160-180 km / h for sporty motor vehicles with about 10 kg / kW power weight, which for markets with a high or no general speed limit advantageous to meet the expectations of customers for such vehicles with appropriate engine.
Eine obere Grenze des Faktorbereichs von 6 bzw. 5 sind bevorzugt bzw. stärker bevorzugt, weil sie bei gegebenem Leistungsgewicht im Vergleich mit Faktor 8 eine vorteilhaft größere Leistung des Verbrennungsmotors erlauben, die gerade bei mit ca. 15 kg/kW„normal" motorisierten Fahrzeugen eine höhere An upper limit of the factor range of 6 or 5 are preferred or more preferred, because they allow for a given power to weight compared with factor 8, an advantageous greater performance of the engine, just at about 15 kg / kW "normal" motorized vehicles a higher one
Dauerhöchstgeschwindigkeit erlauben, die für Märkte mit einer allgemein gültigen Höchstgeschwindigkeit von ca. 100 bzw. 110 km/h ausreichend ist. Die mögliche, höhere Ladeleistung ermöglicht weiter die schnellere Aufladung der Batterie z.B. in Vorbereitung auf eine Einfahrt in eine Zero-Emissions-Zone, ohne bei Permissible maximum speed for markets with a general maximum speed of approximately 100 or 110 km / h. The possible higher charging power further enables the faster charging of the battery e.g. in preparation for entry into a zero-emission zone without joining
aufgabengemäßer geringer spezifischer Ladeleistung der Batterie deren Kapazität unerwünscht groß wählen zu müssen. Entsprechendes gilt auch für sportlich motorisierte Fahrzeuge mit einem Leistungsgewicht von ca. 10 kg/kW. Dadurch werden neben verbesserten Fahrleistungen bei Langstreckenfahrten nach Task appropriate low specific charging power of the battery whose capacity to choose undesirable large. The same applies to sporty motor vehicles with a power to weight ratio of approx. 10 kg / kW. This will be in addition to improved performance in long-distance trips
Erschöpfung der Batterie auch eine hohe Designfreiheit der Konstrukteure bei der Wahl einer geeigneten Batteriekapazität befördert. Exhaustion of the battery also promotes high design freedom of the designers in choosing a suitable battery capacity.
Die Wahl des Faktors 4 ist besonders bevorzugt, weil sich bei Fahrzeugen mit einer „normalen" Motorisierung von ca. 15 kg/kW, mit sportlicher Motorisierung von ca. 10 kg/kW und auch bei extrem hoher Motorisierung von ca. 5 kg/kW für die jeweiligen Motorisierungen vorteilhafte Dauerhöchstgeschwindigkeiten von ca. 110 km/h bzw. 130 km/h bzw. 170 km/h ergeben, die den Ansprüchen an die jeweiligen The choice of the factor 4 is particularly preferred because in vehicles with a "normal" engine of about 15 kg / kW, with sporty motorization of about 10 kg / kW and even at extremely high engine power of about 5 kg / kW for the respective engines advantageous maximum continuous speeds of about 110 km / h or 130 km / h or 170 km / h, the claims to the respective
Motorisierungsklassen in Märkten mit einer hohen oder fehlenden allgemeinen Geschwindigkeitsbeschränkung besonders gut entsprechen, wobei die Leistungen des Verbrennungsmotors gleichzeitig noch so gering sind, dass eine vollständige Einspeisung in die Batterie bei aufgabengemäß geringen spezifischen Motorization classes in markets with high or no general speed limit particularly well, the performance of the internal combustion engine are still so low that a complete feed into the battery at task specific low
Ladeleistungen auch bei sportlich motorisierten Fahrzeugen bis ca. 10 kg/kW Leistungsgewicht noch bei Batteriegrößen erfolgen kann, deren Auslegung hauptsächlich aufgrund der aufgabengemäß möglichen, lokal emissionslosenCharging power even with sporty motorized vehicles up to about 10 kg / kW power weight can still be done in battery sizes, their interpretation mainly due to the task, locally emission-free
Reichweite erfolgt. Auch bei sehr stark motorisierten Fahrzeugen kann die Kapazität der Batterie noch ausreichend klein gewählt werden, um deren Kosten, Volumen und Gewicht noch ohne wesentliche Nachteile in ein Fahrzeug integrieren zu können, insbesondere wenn dieses für eine relativ große lokal emissionslose Reichweite konzipiert wird. Range takes place. Even with very powerful motorized vehicles, the capacity of the battery can be chosen still small enough to integrate their cost, volume and weight without significant disadvantages in a vehicle can, especially if this is designed for a relatively large local emissionless range.
Wenn der Hochleistungsenergiespeicher einen mechanischen Energiespeicher insbesondere in Form einer Schwungradanordnung enthält, kann ein besonders leistungsstarker und langlebiger Hochleistungsenergiespeicher mit sehr gutem Wirkungsgrad und sehr großem nutzbarem SOC-Bereich realisiert werden, der zudem in hohem Maße temperaturunabhängig ist und sich im Betrieb durch geringe Verlustwärme auszeichnet und zudem auf einer ausgereiften, in der Praxis erprobten Technik beruht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierfür mindestens ein schnelldrehendes, gewickeltes Schwungrad verwendet wird, das weiter bevorzugt in einem If the high-performance energy storage contains a mechanical energy storage, in particular in the form of a flywheel assembly, a particularly powerful and durable high-performance energy storage can be realized with very high efficiency and very large usable SOC range, which is also highly independent of temperature and characterized by low heat loss during operation and It is also based on a well-engineered, field-proven technology. It is particularly advantageous if at least one fast-rotating, wound flywheel is used for this purpose, which is more preferably in one
weitgehenden Vakuum oder einer druckreduzierten Atmosphäre und/oder in einem leichten Gas läuft, da gewickelte Schwungräder im Vergleich zu anderen extensive vacuum or a reduced-pressure atmosphere and / or running in a light gas, as wound flywheels compared to others
Ausführungen erhebliche Sicherheitsvorteile im Versagensfall besitzen und eine hohe Auslegungsdrehzahl einen sehr erheblichen Einfluss auf die Masse und das Volumen des Schwungrades hat_-und damit die Integration in beengte Versions have significant safety advantages in case of failure and a high design speed has a very significant impact on the mass and volume of the flywheel hat_-and thus the integration in cramped
Bauraumverhältnisse erleichtert bzw. erst sinnvoll ermöglicht. Unter einem schnelldrehenden Schwungrad sollen hier Schwungräder mit maximal wenigstens 20.000, bevorzugt wenigstens 35.000 Umdrehungen pro Minute verstanden werden. Eine Anordnung des oder der Schwungräder in einem Teilvakuum bzw. einer druckreduzierten Atmosphäre und/oder einem leichten Gas verringert die Reibung und damit die Energieverluste des bzw. der Schwungräder erheblich. Construction space conditions made easier or only makes sense. Under a flywheel flywheel flywheels should be understood here with a maximum of at least 20,000, preferably at least 35,000 revolutions per minute. An arrangement of the flywheel or wheels in a partial vacuum or a reduced-pressure atmosphere and / or a light gas reduces the friction and thus the energy losses of the flywheel or the flywheel considerably.
Wenn dieser mechanische Energiespeicher bzw. diese Schwungradanordnung - wobei wie beschrieben auch eine Aufteilung auf mehrere Schwungräder möglich ist - mit einer zweiten Elektromaschine bzw. Elektromaschinen mechanisch gekoppelt ist, kann auf eine mechanische Übertragung von Leistung zu oder aus dem If this mechanical energy storage or flywheel arrangement - wherein as described also a breakdown to a plurality of flywheels is possible - is mechanically coupled to a second electric machine or electric machines, can on a mechanical transmission of power to or from the
Schwungrad-Modul ganz oder wahlweise teilweise verzichtet und damit der bauliche Aufwand reduziert werden und insbesondere auf einfache Weise Energie zwischen der Batterie und dem Schwungrad bzw. Schwungrad-Modul übertragen werden. Alternativ und genauso bevorzugt kann der Hochleistungsenergiespeicher ein Flywheel module completely or optionally partially omitted and thus the structural complexity can be reduced and in particular easily transfer energy between the battery and the flywheel or flywheel module. Alternatively and just as preferred, the high-performance energy storage can
Speicher auf Basis von Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren und besonders bevorzugt Superkondensatoren oder Hybridkondensatoren sein. Diese drei Kondensatorengruppen werden auch gemeinsam als elektrochemische Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Doppelschichtkondensatoren sind Memory based on capacitors, in particular double-layer capacitors and particularly preferably supercapacitors or hybrid capacitors. These three groups of capacitors are also collectively referred to as electrochemical double layer capacitors. Double layer capacitors are
Kondensatoren, deren im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren sehr hohe spezifische Kapazität zumindest großteils auf dem physikalischen Phänomen der Helmholtz-Doppelschichten beruht. Die besonders hohen spezifischen Kapazitäten von Superkondensatoren, auch Ultrakondensatoren oder kurz Super- bzw. Capacitors whose very high specific capacitance compared to electrolytic capacitors is based at least in large part on the physical phenomenon of the Helmholtz double layers. The particularly high specific capacities of supercapacitors, even ultracapacitors or short super or
Ultracaps genannt, nutzen im Vergleich zu herkömmlichen Called Ultracaps, use compared to traditional ones
Doppelschichtkondensatoren in höherem Maße die Effekte einer elektrochemischen bzw. faradayschen Pseudokapazität. Hybridkondensatoren, beispielsweise Lithium- Ionen-Kondensatoren, weisen zudem asymmetrische, d.h. unterschiedlich aufgebaute Elektroden auf. Den elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren ist gemein, dass sie im Double layer capacitors to a greater extent the effects of an electrochemical or Faraday pseudo capacity. Hybrid capacitors, such as lithium-ion capacitors, also have asymmetric, i. differently structured electrodes. The electrochemical double-layer capacitors have in common that they are in
Vergleich zu Batteriezellen auf Lithium-Ionenbasis eine erheblich höhere Compared to lithium-ion battery cells a significantly higher
Lebensdauer, sowohl in Jahren als auch und besonders in Bezug auf die Anzahl der Be- und Entladezyklen und zudem eine überlegene Leistungsdichte aufweisen, wodurch sie sich in Kombination mit großen möglichen Kapazitäten pro Lifetime, both in years and and especially in terms of the number of Charging and discharging cycles and also have a superior power density, which in combination with large possible capacities per
Kondensator als Hochleistungsenergiespeicher im Sinne dieser Schrift besonders gut eignen. Die Verwendung von Super- oder Hybridkondensatoren ist aufgrund ihrer im Vergleich zu Doppelschichtkondensatoren höheren Energiedichte bevorzugt, wobei Hybridkondensatoren die höchsten Leistungsdichten aufweisen, was In Bezug auf benötigten Bauraum und Gewicht vorteilhaft ist. Dagegen weisen Superkondensatoren Vorteile in Bezug auf den Wirkungsgrad auf, was in Bezug auf eine möglichst energieeffiziente Antriebsvorrichtung aufgrund der hohen und häufigen Be- und Entladeleistungen des Hochleistungsenergiespeichers von besonderem Vorteil ist. Capacitor as high performance energy storage in the sense of this document are particularly well suited. The use of super or hybrid capacitors is preferred due to their higher energy density compared to double layer capacitors, with hybrid capacitors having the highest power densities, which is advantageous in terms of required space and weight. In contrast, supercapacitors have advantages in terms of efficiency, which is particularly advantageous in terms of an energy-efficient drive device due to the high and frequent loading and unloading the high-performance energy storage.
Im Vergleich zu Schwungrädern weisen Kondensatoren den Vorteil auf, dass keine rotierenden Massen und daher auch keine fahrdynamischen Auswirkungen durch Kreiselkräfte auftreten, die bei Schwungrädern vorgesehene Elektromaschine entfallen, bzw. durch eine Leistungselektronik ersetzt werden kann und ihre Compared to flywheels, capacitors have the advantage that no rotating masses and therefore also no dynamic driving effects by centrifugal forces occur, which accounts for provided on flywheels electric machine, or can be replaced by a power electronics and their
Selbstentladung bei den bevorzugten elektrochemischen Self-discharge in the preferred electrochemical
Doppelschichtkondensatoren geringer ist. Allerdings sind sie zur Zeit im Vergleich zu Schwungrädern bezogen auf den Energieinhalt noch teurer und erfordern für die hier benötigten Energieinhalte und Leistungen eine Zusammenschaltung einer Vielzahl von Einzelkondensatoren und damit eine aufwändige Steuerungs- und Überwachungselektronik.  Double layer capacitors is lower. However, compared to flywheels they are currently even more expensive in relation to the energy content and require an interconnection of a large number of individual capacitors for the energy contents and outputs required here, and thus an elaborate control and monitoring electronics.
Es hat sich weiter gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der chemischmechanische Energiewandler mechanisch mit einer ersten Elektromaschine gekoppelt ist, weil dies eine Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie ermöglicht, die erheblich leichter auf verschiedenen Energieabnehmer wie insbesondere die Antriebsräder, die Batterie und das Schwungrad-Modul zu übertragen ist, wodurch der bauliche Aufwand erheblich reduziert werden kann. Wenn das Antriebsmittel bzw. das oder die Antriebsräder mechanisch mit mindestens einer dritten Elektromaschine verbunden ist bzw. sind, kann ebenfalls der bauliche Aufwand zur Übertragung mechanischer Leistung reduziert werden, und insbesondere bei Bedarf auch elektrische Leistung aus oder in die Batterie ohne weitere, besonders dafür vorzusehende Umwandlungseinheiten an die und von den Antriebsrädern übertragen werden. Die Kombination aus Antriebsmittel, mechanischer Verbindung und dritter Elektromaschine kann insbesondere auch in Form von Radnabenmotoren realisiert sein, die den in der Felge ohnehin vorhandene Bauraum vorteilhaft nutzen und die Leistungsübertragung insbesondere bei gelenkten Rädern erheblich vereinfachen und damit ebenfalls den baulichen Aufwand verringern. It has further been shown that it is particularly advantageous when the chemical mechanical energy converter is mechanically coupled to a first electric machine, because this allows a conversion of the mechanical energy into electrical energy, which significantly easier on different energy consumers such as the drive wheels, the battery and the flywheel module is to be transferred, whereby the structural complexity can be significantly reduced. If the drive means or the drive wheels or is mechanically connected to at least one third electric machine or, the structural complexity for the transmission of mechanical power can also be reduced, and especially if required, electric power from or into the battery without further, especially for it to be provided to the conversion units to and from the drive wheels. The combination of drive means, mechanical connection and third electric machine can also be realized in particular in the form of wheel hub motors, which make advantageous use of the available space in the rim anyway and greatly simplify the power transmission, especially in steered wheels and thus also reduce the structural complexity.
Wenn weiter der erste elektrischer Energiespeicher bzw. die Batterie mit der ersten und/oder der zweiten Elektromaschine des Verbrennungsmotor-Moduls bzw. des Schwungrad-Moduls elektrisch verbunden ist, so dass der erste elektrische Further, when the first electrical energy storage or the battery is electrically connected to the first and / or the second electric machine of the internal combustion engine module or the flywheel module, so that the first electrical
Energiespeicher bzw. die Batterie von dort elektrische Energie aufnehmen und dorthin abgeben kann, ergibt sich ein besonders flexibles System mit vielfältigen Möglichkeiten der Leitung und Speicherung von Leistung, ebenfalls bei im Vergleich zu mechanischer Leitungsübertragungen stark vermindertem baulichem Aufwand. Energy storage or the battery can absorb electrical energy from there and deliver it there, results in a particularly flexible system with a variety of options for the management and storage of power, also in comparison to mechanical line transmissions greatly reduced structural complexity.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die erste Brennstoffzelle und/oder die zweite Brennstoffzelle als reversible Brennstoffzellen ausgebildet sind, die zusammen mit einem zugehörigen Kraftstofftank ein als elektrischer Energiespeicher fungierendes erstes und/oder zweites Brennstoffzellen-Modul bilden. Dieses bildet ein Further advantages result if the first fuel cell and / or the second fuel cell are designed as reversible fuel cells which, together with an associated fuel tank, form a first and / or second fuel cell module functioning as an electrical energy store. This forms
funktionales Äquivalent zu einer Batterie und ermöglicht somit bei Bedarf den Wegfall der elektrochemischen Batterie, wobei zusätzlich bei Bedarf durch functional equivalent to a battery and thus allows, if necessary, the elimination of the electrochemical battery, in addition, if necessary by
Betankung des Kraftstofftanks sehr schnell ein Energievorrat aufgenommen werden kann. Wenn die zweite Brennstoffzelle reversibel ausgebildet ist und für eine der abgeforderten Batterieleistung entsprechende Leistung ausgelegt ist, kann die Batterie daher entfallen oder kleiner ausgebildet werden. Wenn die erste Refueling the fuel tank very quickly an energy supply can be absorbed. If the second fuel cell is formed reversible and designed for a requested battery power corresponding performance, the battery can therefore be omitted or made smaller. If the first
Brennstoffzelle reversibel ausgebildet ist, kann sie bei entsprechend Fuel cell is formed reversible, it can in accordance with
leistungsstarker Auslegung nicht nur den Verbrennungsmotor und die diesem zugeordnete erste Elektromaschine ersetzen, sondern zusätzlich die Funktion der Batterie ganz oder teilweise mit übernehmen. Allerdings sind Brennstoffzellen zur Zeit noch in Bezug auf die spezifischen Kosten und die Lebensdauer sowie die Notwendigkeit der sorgfältigen Kontrolle der Umgebungsbedingungen powerful design not only the internal combustion engine and this one replace assigned first electric machine, but also take over the function of the battery in whole or in part with. However, fuel cells are currently still in terms of specific cost and life, as well as the need for careful environmental control
Verbrennungsmotoren und auch elektrochemischen Batterien weit unterlegen, weshalb diese Optionen hauptsächlich bei zukünftigen, weiterentwickelten Combustion engines and also electrochemical batteries far inferior, which is why these options mainly in future, further developed
Brennstoffzellen attraktiv erscheinen. Fuel cells appear attractive.
Zusätzlich ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verbrennungsmotor (bzw. eine Brennstoffzelle, usw.) im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich (bzw. maximaler bzw. optimaler Dauerleistung) dazu ausgelegt sind, in Summe eine Leistung abzugeben, die der Summe des Leistungsbedarfs üblicher im Betrieb aktiver Nebenverbraucher und des Leistungsbedarfs zur Aufrechterhaltung einer konstanten Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in der Ebene bei einer gewünschten Dauerhöchstgeschwindigkeit entspricht, die bevorzugt im Bereich zwischen 90 km/h und 150 km/h besonders bevorzugt zwischen 110 km/h und 140 km/h und am meisten bevorzugt bei ca. 120 km/h bis 130 km/h liegt. In addition, it is particularly advantageous if the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) in the consumption-optimal operating range (or maximum or optimal continuous power) are designed to deliver in total a power that is the sum of the power consumption of conventional auxiliary active in operation and the power requirement for maintaining a constant in-plane vehicle speed at a desired steady state maximum speed, preferably in the range between 90 km / h and 150 km / h, more preferably between 110 km / h and 140 km / h, and most preferably at 120 km / h to 130 km / h.
Durch diese Auslegung ist das Kraftfahrzeug in der Lage, unabhängig vom Due to this design, the motor vehicle is able, regardless of
Ladezustand der Batterie weite, nur durch die Kapazität eines Kraftstofftanks begrenzte Strecken mit einer gewünschten, hohen Geschwindigkeit zurückzulegen. Damit werden auch lange Urlaubsfahrten auf Autobahnen ermöglicht, ohne die Fahrt zum Laden der Batterie oder deren Austausch gegen eine geladene Batterie unterbrechen zu müssen und auf eine entsprechende Infrastruktur angewiesen zu sein. Außerdem hat sich gezeigt, dass eine solche Auslegung in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Dimensionierung der Leistung der Charge the battery wide, only covered by the capacity of a fuel tank limited distances at a desired high speed. This allows long holiday trips on highways, without having to interrupt the journey to charge the battery or their replacement for a charged battery and to rely on an appropriate infrastructure. In addition, it has been found that such a design in conjunction with the above-described dimensioning of the performance of
Schwungradanordnung und des Verbrennungsmotors (bzw. einer Brennstoffzelle, usw.) einerseits eine erwünscht hohe Gesamtantriebsleistung des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann und zudem auch bei Autobahnfahrten unter Praxisbedingungen eine ausreichende Nachladung der Batterie und/oder der Schwungradanordnung durch den Verbrennungsmotor (bzw. Brennstoffzelle, usw.) ermöglicht, um das Schwungrad unter normalen Bedingungen stets in einem ausreichenden Ladezustand zu halten, um die erwünschte, hohe maximale Antriebsleistung sicher zur Verfügung stellen zu können. Flywheel assembly and the internal combustion engine (or a fuel cell, etc.) on the one hand can provide a desired high total drive power of the motor vehicle and also in highway driving under practical conditions sufficient recharge of the battery and / or the flywheel assembly by the internal combustion engine (or fuel cell, etc.) allows to keep the flywheel in a sufficient condition under normal conditions To maintain state of charge in order to provide the desired, high maximum drive power safely available.
Die Wahl der Dauerhöchstgeschwindigkeit kann dabei von der auslegungsgemäßen oder vermuteten Nutzung des Kraftfahrzeugs und zulässigen oder in der Praxis möglichen Höchstgeschwindigkeiten auf Autobahnen abhängig gemacht werden. Handelt es sich beispielsweise um ein für den Stadtverkehr konzipiertes Fahrzeug, das nur für den gelegentlichen Betrieb auf Autobahnen konzipiert ist, kann die Dauerhöchstgeschwindigkeit niedriger angesetzt werden, als bei einem Fahrzeug, das gerade für Langstreckenfahrten auf Autobahnen konzipiert ist. Eine The choice of the maximum continuous speed can be made dependent on the design or assumed use of the motor vehicle and permissible or in practice possible maximum speeds on highways. For example, if the vehicle is designed for city traffic and designed for occasional use on motorways, the maximum permissible speed can be set lower than for a vehicle that has just been designed for long-distance driving on motorways. A
Dimensionierung auf eine Dauerhöchstgeschwindigkeit von weniger als ca. 80 - 90 km/h würde jedoch bereits bei längeren Steigungen zu einem Einbruch der verfügbaren Antriebsleistung führen und ist daher für Kraftfahrzeuge mit universeller Nutzbarkeit nicht bevorzugt.  However, dimensioning to a maximum steady state speed of less than approximately 80-90 km / h would already lead to a collapse of the available drive power on longer inclines and is therefore not preferred for motor vehicles with universal usability.
Ein Kraftfahrzeug für Länder mit einer generellen Höchstgeschwindigkeit von z.B. 100 km/h kann sinnvoll auf diese Dauerhöchstgeschwindigkeit, ggf. mit einem Zuschlag von z.B. 10 % ausgelegt werden. Selbst ein Kraftfahrzeug, das für Langstreckenfahrten auf deutschen Autobahnen ohne generelle A motor vehicle for countries with a general maximum speed of e.g. 100 km / h can be sensible to this maximum maximum speed, possibly with a surcharge of e.g. 10% are designed. Even a motor vehicle for long-distance driving on German highways without general
Geschwindigkeitsbegrenzung ausgelegt ist, kann sinnvoll auf eine Speed limit is designed, can be useful on one
Dauerhöchstgeschwindigkeit von 130 km/h, für sehr sportlich ausgelegte Fahrzeuge maximal 150 km/h ausgelegt werden, da höhere Geschwindigkeiten für begrenzte Strecken durch aus der Batterie entnommene und bevorzugt in der  Maximum speed of 130 km / h, designed for very sporty vehicles maximum 150 km / h, as higher speeds for limited distances by removed from the battery and preferably in the
Schwungradanordnung zwischengespeicherte Leistungen möglich sind und eine noch höhere Durchschnittsgeschwindigkeit über lange Fahrstrecken aufgrund von streckenbezogenen Höchstgeschwindigkeiten und realen Verkehrsverhältnissen nicht realistisch erscheint. Einzig für Hochgeschwindigkeits-Rennbetrieb ausgelegte Fahrzeuge oder Fahrzeuge, die für einen regelmäßigen Anhängerbetrieb ausgelegt sind, kann eine noch höhere auslegungsbestimmende Dauerhöchstgeschwindigkeit im Einzelfall sinnvoll sein. Wenn der Hochleistungsenergiespeicher bzw. die Schwungradanordnung eine maximale nutzbare Energiemenge speichern kann, die ausreicht, um die Maschine bzw. das Kraftfahrzeug ohne ekuperation zumindest zwei mal, bevorzugt mindestens drei mal und besonders bevorzugt zwischen 3,5 und 5 mal aus dem Stillstand auf die Dauerhöchstgeschwindigkeit zu beschleunigen, ergibt sich eine in Bezug auf Bauraum, Kosten und bei Kraftfahrzeugen mit Schwungradanordnung in Bezug auf Einflüsse auf die Fahrdynamik durch Kreiselkräfte besonders vorteilhafte Dimensionierung, da die Schwungradanordnung so groß bemessen ist, dass einerseits stets eine so erhebliche Energiemenge aus der Schwungradanordnung für den Antrieb zur Verfügung gestellt werden kann, dass deren tatsächliche Begrenztheit durch einen Fahrer unter normalen Betriebsbedingungen nicht wahrgenommen werden kann und gleichzeitig der SOC der Schwungradanordnung stets so gewählt werden kann, dass (soweit technisch möglich) die gesamte kinetische Energie des Fahrzeugs in den Hochleistungsenergiespeicher bzw. die Schwungradanordnung rekuperiert werden kann. Die genaue Dimensionierung kann wiederum sinnvoll von den vermuteten realen Einsatzbedingungen des Flywheel arrangement cached benefits are possible and even higher average speed over long distances because of distance-based top speeds and real traffic conditions does not seem realistic. Only vehicles designed for high-speed racing or vehicles that are designed for regular trailer operation can make an even higher design-determining permanent maximum speed sensible in individual cases. When the high power energy storage or flywheel assembly can store a maximum usable amount of energy sufficient to power the engine or motor vehicle at least two times, preferably at least three times, and more preferably between 3.5 and 5 times from standstill to maximum steady state speed To accelerate, resulting in terms of space, cost and motor vehicles with flywheel arrangement with respect to influences on the driving dynamics by centrifugal forces particularly advantageous dimensioning, since the flywheel assembly is dimensioned so large that on the one hand always such a significant amount of energy from the flywheel assembly for the Drive can be provided that their actual limitation can not be perceived by a driver under normal operating conditions and at the same time the SOC of the flywheel assembly can always be chosen so that (as far as technically possible) the entire kinetis che energy of the vehicle in the high-performance energy storage or the flywheel assembly can be recuperated. The exact sizing may in turn make sense from the suspected real operating conditions of the
Kraftfahrzeugs abhängig gemacht werden. So bedingt eine Auslegung auf eine höhere Dauerhöchstgeschwindigkeit eine verhältnismäßig große Auslegung der Kapazität der Schwungradanordnung. Kann andererseits angenommen werden, dass das Fahrzeug im Normalfall mit verhältnismäßig geringen Beschleunigungsund Verzögerungsleistungen gefahren werden wird, kann die Kapazität der Motor vehicle are made dependent. Thus, a design for a higher continuous maximum speed requires a relatively large design of the capacity of the flywheel assembly. On the other hand, if it can be assumed that the vehicle will normally be driven with relatively low acceleration and deceleration powers, the capacity of the
Schwungradanordnung geringer gewählt werden als bei einem Fahrzeug, welches für eine sportliche Fahrweise ausgelegt ist. Ein Faktor von wenigstens 2 stellt dabei eine sinnvolle untere Grenze des Flywheel arrangement to be chosen lower than in a vehicle which is designed for a sporty driving style. A factor of at least 2 represents a reasonable lower limit of the
Faktorbereiches dar, die eine zügige Beschleunigung des Fahrzeugs auf Factor range, which is a rapid acceleration of the vehicle
Geschwindigkeiten oberhalb der Dauerhöchstgeschwindigkeit auch bei ungünstigen Randbedingungen wie z.B. einer Steigung, Gegenwind oder einem durch z.B. Speeds above the maximum steady-state speed, even under unfavorable boundary conditions, e.g. a slope, headwind or a
Dachgepäckträger erhöhtem Luftwiderstand erlaubt. Ein Faktor von wenigstens 3 wird jedoch bevorzugt, weil er entsprechend höhere Leistungsreserven bietet. Eine besonders bevorzugte Auslegung in einem Faktorbereich zwischen 3,5 und 5 ermöglicht es, dass der Fahrer nur bei extremen Anforderungen mit durch Entladung des Schwungrades stark nachlassenden Fahrleistungen konfrontiert wird. Zudem ermöglicht eine derartige Auslegung, den SOC des Schwungrades in den meisten Betriebsphasen in einem mittleren Bereich unterhalb von 80 - 90 % SOC zu halten, was aufgrund der im oberen SOC-Bereich des Schwungrades stark ansteigenden Verlustleistungen vorteilhaft in Bezug auf die Energieeffizienz ist. Da eine Dimensionierung auf einen Faktor größer 5 zu keinen wesentlichen Vorteilen in Bezug auf die Fahrleistungen, aber zu einem erhöhten Aufwand in Bezug auf Kosten, Gewicht und Bauraumbedarf des Schwungrades führt, wird Faktor 5 als obere Grenze des besonders vorteilhaften Faktorbereichs angesehen. Roof rack allowed increased air resistance. However, a factor of at least 3 is preferred because it provides correspondingly higher power reserves. A particularly preferred design in a factor range between 3.5 and 5 allows the driver to participate only in extreme conditions Discharge of the flywheel is facing a strong decline in driving performance. In addition, such a design makes it possible to keep the SOC of the flywheel in a middle range below 80-90% SOC in most of the operating phases, which is advantageous in terms of energy efficiency due to the high power dissipation in the upper SOC range of the flywheel. Since dimensioning to a factor greater than 5 leads to no significant advantages in terms of performance, but to an increased cost in terms of cost, weight and space requirements of the flywheel, factor 5 is considered as the upper limit of the particularly advantageous factor range.
Wenn die Batterie dazu ausgelegt ist, im Normalbetrieb der Maschine mit If the battery is designed to be in normal operation of the machine with
Leistungen von maximal 2 C, bevorzugt maximal 1 ,5 C und besonders bevorzugt maximal 1 C belastet zu werden, wobei die Be- und Entladung im Vergleich zum Leistungsbedarf der Maschine sehr gleichmäßig erfolgt, kann die Alterung der Batterie und der notwendige Aufwand für deren Temperierung sehr gering gehalten werden. Zudem ist es möglich, einen im Verhältnis mit stärker belasteten Batterien größeren Bereich der nominellen Batteriekapazität ohne Nachteile in Bezug auf das Alterungsverhalten zu nutzen. Diese vorteilhafte Dimensionierung wird dadurch ermöglicht, dass die Batterie im vorgestellten Antriebskonzept in erster Linie dazu verwendet wird, um die sich im Betrieb ergebenden Energieverluste des Performances of a maximum of 2 C, preferably a maximum of 1, 5 C and more preferably a maximum of 1 C to be charged, the loading and unloading is very uniform compared to the power requirement of the machine, the aging of the battery and the necessary effort for their temperature be kept very low. In addition, it is possible to use a larger range of the nominal battery capacity in relation to more heavily loaded batteries without disadvantages with respect to the aging behavior. This advantageous dimensioning is made possible by the fact that the battery is used in the presented drive concept primarily to the resulting in operation energy losses of
Schwungrades auszugleichen, was nicht nur geringe Be- und Entladeströme, sondern auch im Verhältnis zum zeitlichen Fahrleistungsprofil eines Kraftfahrzeugs im Stadt- und Überlandbetrieb sehr lange Be- und Entladezyklen ermöglicht. Wenn die nutzbare Kapazität der Batterie so bemessen ist, dass sie zumindest um den Faktor 4, bevorzugt um den Faktor 8 und besonders bevorzugt zumindest um den Faktor 10 größer als die nutzbare Kapazität der Schwungradanordnung ist, können einerseits erwünscht lange, lokal emissionslose Reichweiten erzielt werden und andererseits die ausreichende Nachladung von Energie aus der Batterie in die Schwungradanordnung auch bei sportlicher Fahrweise oder unter schwierigen Balance flywheel, which not only low loading and unloading, but also in relation to the temporal performance profile of a motor vehicle in city and overland operation allows very long loading and unloading cycles. If the usable capacity of the battery is such that it is at least a factor of 4, preferably by a factor of 8 and more preferably at least by a factor of 10 greater than the usable capacity of the flywheel assembly, on the one hand desired long, locally emission-free ranges can be achieved and on the other hand, the sufficient recharging of energy from the battery in the flywheel assembly even in sporty driving or difficult
Umgebungsbedingungen sichergestellt werden, ohne die spezifische Belastung der Batterie unerwünscht erhöhen oder den Verbrennungsmotor bzw. die erste Brennstoffzelle betreiben zu müssen. Environmental conditions are ensured without the specific burden of Increase the battery undesirable or to operate the internal combustion engine or the first fuel cell.
Wenn die Maschine über einen externen Ladeport verfügt, über den elektrische Energie zwischen einerseits zumindest einem der internen elektrischen If the machine has an external charging port, via the electrical energy between on the one hand at least one of the internal electrical
Energiespeicher und einem maschinenexternen Stromnetz andererseits ausgetauscht werden kann ist es möglich, die Maschine bzw. das Kraftfahrzeug als Plug-In-Hybridfahrzeug und auf Wunsch in der Praxis auch entsprechend einem Plug-in-Elektrofahrzeug zu betreiben. Der Verbrennungsmotor bzw. die erste Brennstoffzelle können in diesem Fall hauptsächlich für extreme Energy storage and an external power grid can be replaced on the other hand, it is possible to operate the machine or the motor vehicle as a plug-in hybrid vehicle and, if desired, in practice, according to a plug-in electric vehicle. The internal combustion engine or the first fuel cell can in this case mainly for extreme
Leistungsanforderungen und sehr lange Fahrten ohne externe Nachladung der Batterie vorgehalten oder - sofern nicht mit derartigen Betriebsbedingungen gerechnet werden muss - auch zeitweise ausgebaut werden. Weiter kann das Fahrzeug bei Bedarf mit Hilfe einer entsprechend ausgelegten Ansteuerung auch Energie und insbesondere Regelenergie in das Stromnetz einspeisen oder fahrzeugexterne Verbraucher betreiben.  Performance requirements and very long journeys held without external recharging of the battery or - unless it must be reckoned with such operating conditions - even temporarily removed. Further, the vehicle can, if necessary, with the help of a suitably designed control also feed energy and in particular control energy in the power grid or operate external consumers.
Wenn eine Laderegelungseinrichtung zum Laden zumindest einer der elektrischen Energiespeicher, bevorzugt der Batterie und der Schwungradeinrichtung, vorgesehen ist, deren Dauerleistung so bemessen ist, dass sie einen maximalen Ladestrom für die Batterie in Höhe von mindestens 1 C, bevorzugt von ca. 1.5 C liefern kann, ergeben sich für Netzladungen vorteilhaft kurze, mögliche Ladezeiten von - ausgehend von einer nutzbaren Kapazität von ca. 50 % der nominellen Batteriekapazität - ca. 20 bis 30 Minuten. Diese Auslegung ermöglicht weiter im Betrieb des Kraftfahrzeugs einen Betrieb der Laderegelungseinrichtung zur Be- und Entladung der Batterie in einem Bereich mit gutem Wirkungsgrad. If a charge control device for charging at least one of the electrical energy storage, preferably the battery and the flywheel device, is provided whose continuous power is such that it can deliver a maximum charging current for the battery in the amount of at least 1 C, preferably of about 1.5 C. , resulting in network charges advantageously short, possible charging times of - starting from a usable capacity of about 50% of the nominal battery capacity - about 20 to 30 minutes. This design further allows the operation of the motor vehicle operation of the charge control device for loading and unloading of the battery in a range with good efficiency.
Wenn die elektrischen Leitungen zur Übertragung elektrischer Leistungen von und zu der Batterie (bzw. der zweiten Brennstoffzelle) und von und zu der ersten Elektromaschine (bzw. der ersten Brennstoffzelle) sowie dem When the electrical lines for transmitting electrical power to and from the battery (or the second fuel cell) and from and to the first electric machine (or the first fuel cell) and the
Hochleistungsenergiespeicher bzw. dessen Elektromaschine, ggf. mit Ausnahme der Leitung von und zu dem externen Ladeport sowie bevorzugt von und zu zumindest einer und besonders bevorzugt allen der mit den Antriebsmitteln mechanisch gekoppelten Elektromaschinen für berührsichere Spannungen ausgelegt sind, wobei Spannungsumsetzer den jeweiligen Komponenten zugerechnet werden und örtlich zugeordnet sind, kann der bei Elektro- und High-performance energy storage or its electric machine, possibly with the exception of the line from and to the external charging port and preferably from and to at least one and more preferably all of the mechanically coupled to the drive means electric machines are designed for safe to touch voltages, voltage converters are attributed to the respective components and assigned locally, which can be in electrical and
Hybridfahrzeugen bislang notwendige Aufwand zum Schutz von Personen vor elektrischen Schlägen erheblich verringert werden, da lediglich räumlich eng begrenzte Bereiche eine gefährliche Spannung aufweisen. Hybrid vehicles previously required effort to protect people from electric shocks are significantly reduced, since only spatially narrow areas have a dangerous voltage.
Dies verringert, insbesondere wenn diese elektrischen Leitungen mit This reduces, especially if these electrical cables with
Gleichspannung beaufschlagt werden, auch den erforderlichen Aufwand für eine elektromagnetischen Abschirmung erheblich. Da die Batterie bei Auslegung auf eine berührsichere Spannung bei abgestelltem Fahrzeug nicht aus Sicherheitsgründen vollständig vom Fahrzeugnetz getrennt zu werden braucht, erlaubt diese Auslegung auch die Aufrechterhaltung einer gewünschten Drehzahl der Schwungradanordnung bei geparktem Fahrzeug. Eine separate Niedervolt-Bordnetzbatterie zum Betrieb von Komponenten, die auch bei abgestelltem Fahrzeug versorgbar sein sollen, kann damit vorteilhaft entfallen. Es versteht sich dabei von selbst, dass nicht alle der genannten elektrischen Leitungen vorhanden sein müssen und weitere elektrische Leitungen bei Bedarf vorgesehen werden können. Das vorstehend vorgestellte Antriebskonzepte ermöglicht jedoch, die Leistungsflüsse zwischen der ersten Elektromaschine und/oder der ersten Brennstoffzelle, der Batterie und/oder der zweiten Brennstoffzelle, sowie dem Hochleistungsenergiespeicher und bevorzugt zumindest teilweise den Antriebs-Elektromaschinen auf Leistungen von weniger als 30 - 40 kW zu begrenzen, was bei einer Spannung von 100 Volt bzw. 120 Volt Gleichspannung zwar hohe, aber noch vertretbare Dauerstromstärken von maximal 300 - 400 Ampere bedingt. Die dafür benötigten Leitungsquerschnitte und DC voltage are applied, also the required effort for an electromagnetic shield considerably. Since the battery does not need to be completely disconnected from the vehicle network for safety reasons when it is designed for contact-safe voltage when the vehicle is parked, this design also allows maintaining a desired speed of the flywheel assembly when the vehicle is parked. A separate low-voltage electrical system battery for operating components that should be able to be supplied even when the vehicle is turned off, can thus advantageously be dispensed with. It goes without saying that not all of the electrical lines mentioned must be present and other electrical lines can be provided if necessary. However, the drive concept presented above allows the power flows between the first electric machine and / or the first fuel cell, the battery and / or the second fuel cell, and the high-performance energy storage and preferably at least partially the drive electric machines to powers of less than 30 - 40 kW limit what at a voltage of 100 volts or 120 volts DC high, but still reasonable continuous currents of maximum 300 - 400 ampere conditional. The required cable cross-sections and
Leitungsverluste sind zwar nicht vernachlässigbar, jedoch durch die genannten Vorteile gerechtfertigt. Wenn das Kraftfahrzeug zumindest zwei Achsen mit Antriebsmitteln, wie Line losses are not negligible, but justified by the advantages mentioned. If the motor vehicle at least two axes with drive means, such as
insbesondere Antriebsrädern, aufweist, welche von den dritten Elektromaschinen (hier auch Antriebselektromaschinen genannt) antreibbar und unter Erzeugung von Rekuperationsenergie bremsbar sind, ist es vorteilhaft, diese In particular drive wheels, which can be driven by the third electric machines (also called drive electric machines here) and generating Recuperation energy are brakable, it is advantageous to this
Antriebseiektromaschinen besonders auszulegen. Es ist dabei besonders günstig, wenn die Summe der Leistungen der Antriebseiektromaschinen der vorderen Achse und die der hinteren Achse ein Verhältnis zwischen 80:20 und 60:40, bevorzugt ca. 70:30 aufweist. Dabei ergibt sich eine insbesondere für eine Rekuperation bei hohen Bremsverzögerungen vorteilhafte Aufteilung der Antriebsleistungen auf die Achsen des Kraftfahrzeugs und bei einer bevorzugten Anordnung des Drive power engineering specially designed. It is particularly favorable if the sum of the powers of the drive axle machines of the front axle and that of the rear axle has a ratio of between 80:20 and 60:40, preferably approximately 70:30. This results in a particularly advantageous for recuperation at high decelerations deceleration of the drive power to the axles of the motor vehicle and in a preferred arrangement of
Hochleistungsenergiespeichers bzw. der Schwungradanordnung und der mit ihr mechanisch gekoppelten zweiten Elektromaschine im Vorderwagen eine vorteilhaft kurze Länge der besonders hoch belasteten elektrischen Leitungen zwischen der zweiten Elektromaschine und den Antriebs-Elektromaschinen der Vorderachse. Insbesondere im Fall einer vorstehend erläuterten Auslegung der elektrischen Leitungen zwischen der zweiten Elektromaschine und der Antriebselektromaschine auf eine berührsichere Spannung von beispielsweise 100 Volt Gleichspannung können das Gewicht der Leitungen und die elektrischen Verluste zudem vorteilhaft begrenzt werden. High-performance energy storage and the flywheel assembly and mechanically coupled with her second electric machine in the front end of an advantageously short length of the particularly highly loaded electrical lines between the second electric machine and the drive-electric machines of the front axle. In particular, in the case of an above-described design of the electrical lines between the second electric machine and the drive electric machine to a contact-safe voltage, for example, 100 volts DC, the weight of the lines and the electrical losses can also be advantageously limited.
Dabei sollte die Summe der Leistungen der Antriebseiektromaschinen vorteilhaft weiter so bemessen sein, dass diese zumindest über einen Zeitraum von 10 Sekunden, bevorzugt über eine Zeitraum von 20 - 30 Sekunden und besonders bevorzugt zeitlich unbegrenzt eine elektrische Leistung aufnehmen und abgeben können, die zumindest der maximalen Leistung des Hochleistungsenergiespeichers bzw. der zweiten Elektromaschine entspricht. Es ist allerdings von weiterem Vorteil, wenn die Summe der Leistungen der Antriebseiektromaschinen deutlich höher ist als die maximale Leistung der zweiten Elektromaschine, nämlich wenigstens um den Wert der maximalen elektrischen Leistung, die von dem Verbrennungsmotor - zusammen mit der ersten Elektromaschine - und der gegebenenfalls vorhandenen ersten Brennstoffzelle erzeugt wird. Es ist außerdem ein besonderer Vorteil, wenn die Leistungssumme der Antriebseiektromaschinen noch höher ist, nämlich etwa um den Wert derjenigen Leistung, die dem Entladestrom der Batterie bei 1 C entspricht. Die Summe der Leistungen der Antriebseiektromaschinen soll von diesen zeitlich unbegrenzt, zumindest jedoch für zumindest 10 Sekunden, bevorzugt mindestens 20 -30 Sekunden aufgebracht werden können. Die Spitzenleistungen und der Zeitraum, für erhöhte Leistungen durch die Antriebsmaschinen sollen optimal so gewählt sein, dass sich unter Berücksichtigung des begrenzten Energieinhaltes des Schwungrades und der begrenzten Leistungen des Schwungrades und der übrigen energieliefernden Komponenten auch bei sportlicher Fahrweise hierdurch keine Engpässe bzw. Leistungseinschränkungen ergeben. Durch diese Auslegung kann selbst bei einer verhältnismäßig schwachen Auslegung der (Dauer-)Leistungen der Antriebselektromaschinen eine Antriebsleistung bereitgestellt werden, die der durchschnittlichen Antriebsleistung heutiger Kraftfahrzeuge vergleichbar oder überlegen ist. Eine Auslegung der Antriebs-Elektromotoren auf eine Leistung, die in Summe nicht einmal kurzfristig, beispielsweise für Überholmanöver wenigstens der maximalen Leistung der zweiten Elektromaschine der Schwungradanordnung entspricht, würde eine nicht sinnvolle Überdimensionierung der Leistung dieser zweiten Elektromaschine bzw. des Hochleistungsenergiespeichers bedeuten. Für diese kurzzeitige Spitzenleistung wird eine Zeitspanne von 10 Sekunden für die kürzeste vertretbare Zeitspanne gehalten, wobei wenigstens 20 -30 Sekunden für sinnvoll gehalten werden, um eine Überlastung von Komponenten oder einen für den Fahrer unvorhergesehenen Leistungseinbruch zu vermeiden. Besonders bevorzugt wird jedoch, dass zumindest 50 % - 75 % der Spitzenleistung der zweiten Elektromaschine zeitlich unbegrenzt von der Summe der Antriebs-Elektromaschinen aufgenommen und abgegeben werden kann, um auch bei sportlicher Fahrweise mit häufigen starken Beschleunigungen und Verzögerungen einen durch Erwärmung bedingten Leistungsengpass der zweiten Elektromaschine zu vermeiden. Da der verbrennungsmotorische Antriebsstrang gemäß dem hier vorgestellten In this case, the sum of the powers of the drive train electrical machines should advantageously be further dimensioned such that they can receive and deliver at least a maximum of 10 seconds, preferably over a period of 20-30 seconds and more preferably indefinitely, an electrical power Performance of the high-performance energy storage or the second electric machine corresponds. However, it is of further advantage if the sum of the performances of the drive electric machines is significantly higher than the maximum power of the second electric machine, namely at least the value of the maximum electric power generated by the internal combustion engine - together with the first electric machine - and any existing one first fuel cell is generated. It is also a particular advantage if the power sum of the drive electric machines is even higher, namely about the value of the power corresponding to the discharge current of the battery at 1 C. The sum of the services of the drive train electric machines should be unlimited in time, at least for at least 10 seconds, preferably at least 20 -30 seconds can be applied. The peak performance and the period for increased performance by the prime movers should be optimally chosen so that, taking into account the limited energy content of the flywheel and the limited benefits of the flywheel and the other energy-supplying components, even in sporty driving style no bottlenecks or performance restrictions. By this design, even with a relatively weak interpretation of the (continuous) performance of the drive electric motors, a drive power can be provided which is comparable or superior to the average drive power of today's motor vehicles. An interpretation of the drive electric motors to a power that in sum not even short term, for example for overtaking maneuvers at least the maximum power of the second electric machine of the flywheel assembly would mean an inappropriate oversizing the performance of this second electric machine or the high-performance energy storage. For this short-term peak performance, a period of 10 seconds is considered to be the shortest acceptable period of time, with at least 20-30 seconds being considered meaningful in order to avoid over-loading of components or a performance crash unforeseen for the driver. It is particularly preferred, however, that at least 50% -75% of the peak power of the second electric machine can be recorded and released indefinitely from the sum of the drive electric machines, even in sporty driving with frequent strong accelerations and delays caused by heating performance bottleneck of the second Electric machine to avoid. Since the internal combustion engine powertrain according to the presented here
Antriebskonzept insbesondere bei Langstreckenfahrten mit hohen Drive concept especially for long-distance trips with high
Fahrgeschwindigkeiten zugeschaltet wird, ist es weiter bevorzugt, wenn die von den Antriebs-Elektromaschinen in Summe aufnehmbare Leistung wenigstens um die maximale elektrische Leistung des verbrennungsmotorischen Antriebsstranges größer als diese Leistung ist, da so für Fahrsituationen mit besonders hohem Leistungsbedarf bei geringen Aufwand zusätzliche Leistungsreserven bereitgestellt werden können. Schließlich ist es sinnvoll diese maximale Leistung der Summe der Antriebs-Elektromaschinen nochmals um die elektrische Leistung zu erhöhen, die dem Entladestrom der Batterie bei 1 C entspricht, da diese Leistung aus der Batterie entnommen werden kann, ohne diese übermäßig stark zu belasten. Driving speeds is switched on, it is further preferred if the power absorbable by the drive electric machines in total is greater than this power at least the maximum electric power of the internal combustion engine drive train, as additional power reserves are provided for driving situations with particularly high power consumption at low cost can. Finally, it makes sense to increase this maximum power of the sum of the drive electric machines again by the electric power, the corresponds to the discharge current of the battery at 1 C, as this power can be removed from the battery without overloading them excessively.
Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ermöglicht weiterhin, auf einfache Weise in einem zugehörigen Fahrzeug einen Stromgenerator zu realisieren. Dafür werden der Verbrennungsmotor und die erste Elektromaschine und/oder das erste The drive device according to the invention also makes it possible to realize a power generator in a simple manner in an associated vehicle. For this, the internal combustion engine and the first electric machine and / or the first
Brennstoffzellen-Modul baulich zu einem entsprechenden Modul verbaut. Dieses kann derart gestaltet und angeordnet werden, dass es innerhalb kurzer Zeit ohne Fachkenntnisse aus dem Fahrzeug entfernt werden kann. Dabei wird das Fahrzeug entsprechend leichter und es wird ein Raum frei, der auf verschiedene Weise genutzt werden kann, wie beispielsweise als Gepäck- oder Stauraum. Es ist bei Vorhandensein entsprechender mechanischer und elektrischer Mittel auch möglich, eine zusätzliche Batterie oder eine Brennstoffzelle einzubauen und so die lokal emissionsfreie Reichweite des Fahrzeugs z.B. für einen Betrieb in sehr großen Zero-Emissionszonen weiter erhöhen. Durch die leichte Wechselbarkeit des Moduls wird es auch möglich, in kurzer Zeit eine weitgehend leeres Batteriemodul durch ein aufgeladenes Batteriemodul zu ersetzen, was insbesondere bei Fahrzeugen in einem Pool bei Einsatz in Städten oder Zero-Emissionszonen die Ladezeiten erheblich verkürzt. Schließlich ermöglicht ein solches, entfernbares Modul auch eine Zweitnutzung der darin enthaltenen Bauteile, etwa als stationärer Stromgenerator, der beispielsweise bei Bedarf Regelenergie für ein elektrisches Versorgungsnetz zur Verfügung stellen kann. Hierfür können betriebsnotwendige Komponenten wie z.B. eine Steuerungseinrichtung, ein Kraftstofftank und eine Abgasanlage bzw. Teile hiervon in das Modul integriert sein oder alternativ in einer externen Modulaufnahme zusätzlich vorgesehen werden. Fuel cell module structurally installed to a corresponding module. This can be designed and arranged so that it can be removed within a short time without expertise from the vehicle. The vehicle is correspondingly lighter and it is a space free, which can be used in various ways, such as luggage or storage space. It is also possible in the presence of appropriate mechanical and electrical means to install an additional battery or a fuel cell and so the locally emission-free range of the vehicle, for. for operation in very large Zero Emission Zones. Due to the easy changeability of the module, it is also possible to replace a largely empty battery module with a charged battery module in a short time, which significantly shortens the charging times, especially for vehicles in a pool when used in cities or zero emission zones. Finally, such a removable module also allows a secondary use of the components contained therein, such as a stationary power generator, which can provide, for example, when required control energy for an electrical supply network. For this purpose, components required for operation, such as a control device, a fuel tank and an exhaust system or parts thereof may be integrated into the module or, alternatively, additionally provided in an external module receptacle.
Es hat sich außerdem gezeigt, dass für die Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung eine speziell darauf abgestimmte Signalvorrichtung sinnvoll ist, die einen wesentlichen Einfluss auf die Betriebssicherheit aufweist und ein technisches Problem löst, welches sich erstmals aus dem vorgestellten It has also been found that for the use of the drive device according to the invention, a specially matched signaling device makes sense, which has a significant influence on the reliability and solves a technical problem, which is the first time from the presented
Antriebskonzept ergibt. Gerade weil ein Nutzer im Normalbetrieb nur sehr selten an die Leistungsgrenzen des Systems stoßen wird, wird er von einer ständigen Verfügbarkeit der maximalen Antriebsleistung ausgehen. Da es jedoch insbesondere bei starken Drive concept results. Precisely because a user will seldom encounter the performance limits of the system in normal operation, he will assume constant availability of the maximum drive power. However, it is especially strong
Beschleunigungen auf hohe Geschwindigkeiten und unter ungünstigen Accelerations to high speeds and under unfavorable
Randbedingungen, vorkommen kann, dass der Energieinhalt des Boundary conditions, it may happen that the energy content of the
Hochleistungsenergiespeichers bzw. des Schwungradmoduls nicht zur  High-performance energy storage or the flywheel module not to
Bereitstellung dieser maximalen Leistung bzw. Arbeit genügt, kann es ohne ein durch den Nutzer leicht und intuitiv wahrnehmbares Signal der kurzzeitig möglichen Leistungs- bzw. Arbeitsabgabe zu gefährlichen Situationen durch einen für den Nutzer unvorhergesehenen Leistungseinbruch kommen. Providing this maximum performance or work is sufficient, it can come without dangerous and intuitively perceptible by the user signal of short-term performance or work delivery to dangerous situations by a for the user unanticipated performance degradation.
Erfindungsgemäß wird zunächst die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt, die mit Hilfe der derzeitig in dem Hochleistungsenergiespeicher bzw. dem According to the invention, first the maximum speed of the vehicle is determined, which with the help of the currently in the high-performance energy storage or the
Schwungradmodul gespeicherten Energie und deren bereitstellbaren Leistungen erreichbar ist und für eine vorbestimmte Strecke aufrechterhalten werden kann. Hierbei kann bevorzugt bei laufendem oder startbarem Verbrennungsmotor auch dessen Leistung mit berücksichtigt werden. Dabei können auch verschiedene Parameter berücksichtigt werden, wie die Beschaffenheit der Landschaft (Gefälle, Steigung, Straßenbelag, usw.), Beladung des Fahrzeugs (Anzahl der Insassen, deren Gewicht, Gepäck, Dachgepäck, usw.), Wetterverhältnisse (Temperatur, Wind, usw.) und/oder dergleichen. Flywheel module stored energy and their deliverable power is achievable and can be maintained for a predetermined distance. In this case, its performance can also be taken into account, preferably when the internal combustion engine is running or can be started. Different parameters can be taken into account, such as the nature of the landscape (gradient, slope, pavement, etc.), vehicle load (number of occupants, their weight, luggage, roof luggage, etc.), weather conditions (temperature, wind, etc .) and / or the like.
Der erfindungsgemäßen Signalvorrichtung werden Signale zugeführt, die ein Maß sind für die oben genannte Höchstgeschwindigkeit. Abhängig von dieser The signal device according to the invention signals are supplied, which are a measure of the above-mentioned maximum speed. Depending on this
Geschwindigkeit werden entsprechende optische und/oder akustische Signale ausgegeben. Speed corresponding optical and / or acoustic signals are output.
Es hat sich herausgestellt, dass eine entsprechende optische Anzeige besonders gut geeignet ist. Diese weist dafür geeignete optische Mittel auf, wie beispielsweise ein Kreissegment, einen Zeiger, einen Balken oder dergleichen. Diese können mechanisch realisiert sein, als LCD, als LED oder in sonstiger geeigneter weise. Um die Anzeige für den Nutzer so intuitiv verständlich und leicht wahrnehmbar wie möglich zu gestalten, ist es besonders günstig, die kurzfristig zur Verfügung stehenden Leistungsreserven in Form einer Darstellung im Tachometer oder räumlich dazu benachbart darzustellen und Auskunft über die derzeit erzielbare und für eine vorbestimmte Strecke aufrechterhaltbare Höchstgeschwindigkeit zu geben. It has been found that a corresponding optical display is particularly well suited. This has suitable optical means, such as a circle segment, a pointer, a beam or the like. These can be realized mechanically, as an LCD, as an LED or in any other suitable manner. In order to make the display as intuitively understandable and easily perceived as possible for the user, it is particularly favorable to present the power reserves available in the short term in the form of a representation in the speedometer or spatially adjacent thereto and information about the currently achievable and for a predetermined distance to give a maintainable top speed.
Bevorzugt wird der erfindungsgemäßen Signalvorrichtung weiter ein Signal über die aktuell gefahren Geschwindigkeit bzw. die Position einer Tachometer- Geschwindigkeitsanzeige übermittelt und das optische Signal erst ab einer dieser Geschwindigkeit bzw. Tachometerposition entsprechenden Position aktiviert. Preferably, the signal device according to the invention is further transmitted a signal about the currently driven speed or the position of a speedometer speed display and the optical signal activated only from one of this speed or speedometer position corresponding position.
Hierdurch wird einerseits ein Erkennen der momentanen Fahrgeschwindigkeit durch den Fahrer nochmals erleichtert und andererseits auch das Erkennen der zur Verfügung stehenden Leistungsreserven zum Erreichen der genannten  As a result, on the one hand, recognition of the current driving speed by the driver is made even easier and, on the other hand, recognition of the available power reserves to achieve the abovementioned
Höchstgeschwindigkeit verbessert. Top speed improved.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand eines Blockdiagramms, Further features and advantages of the present invention are described below with reference to preferred embodiments. 1 shows a first embodiment of the drive device according to the invention with reference to a block diagram,
Fig. 2 ein zweites, konkreteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fig. 2 shows a second, more concrete embodiment of the invention
Antriebsvorrichtung anhand eines Blockdiagramms,  Drive device based on a block diagram,
Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung verschiedener Betriebsphasen und - Modi der Antriebsvorrichtung, insbesondere in Bezug auf das zweite3 is a block diagram illustrating various operating phases and modes of the drive device, particularly with respect to the second
Ausführungsbeispiel, Embodiment,
Fig. 4 eine Darstellung einer Anzeigevorrichtung für die Antriebsvorrichtung. Fig. 4 is an illustration of a display device for the drive device.
Fig. 1 zeigt ein symbolisches Blockdiagramm für ein erstes Ausführungsbeispiel mit den wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung. Dieses erste Ausführungsbeispiel betrifft einen Antriebsstrang, bevorzugterweise für ein hier nicht dargestelltes Hybridfahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, und dient insbesondere dazu, die Bandbreite möglicher Ausprägungen darzustellen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung von für das Fig. 1 shows a symbolic block diagram for a first embodiment with the essential components of a drive device according to the invention. This first embodiment relates to a drive train, preferably for a hybrid vehicle, not shown here, in particular road vehicle, and serves in particular to represent the range of possible characteristics. For the sake of clarity was on the representation of for the
Verständnis nicht zentralen Komponenten und Wirkverbindungen verzichtet. So versteht es sich von selbst, dass die verschiedenen Komponenten durch eine oder mehrere nicht dargestellte Steuerungseinheiten gesteuert und/oder geregelt und/oder überwacht werden können. Ebenso sind übliche Einrichtungen zur Übertragung und Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie wie beispielsweise Getriebe, Wellen, Kupplungen, Gleich- und Wechselrichter sowie weitere übliche Komponenten und Nebenaggregate wie beispielsweise  Understanding non-central components and active compounds omitted. Thus, it goes without saying that the various components can be controlled and / or regulated and / or monitored by one or more control units, not shown. Likewise, conventional devices for transmission and conversion of mechanical and electrical energy such as gears, shafts, couplings, DC and inverter and other conventional components and ancillaries such as
Kraftstoffpumpen, Klimaanlagen, Komfortsysteme und ähnliches nicht gezeigt, da der Fachmann diese ohne eigene erfinderische Leistung nach den jeweiligen Erfordernissen ergänzen wird. Es sei auch darauf hingewiesen, dass bei anderen Ausführungsbeispielen nicht alle hier gezeigten Komponenten enthalten sein müssen. Außerdem ist es möglich, dass zumindest einzelne dieser Komponenten bei anderen Ausführungen integriert sind. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind im Folgenden einzelne Komponenten zu Modulen zusammen gefasst. Es versteht sich, dass bei anderen Ausführungen die in den Modulen zusammengefassten Komponenten auch einzeln oder in anderen Kombinationen miteinander realisiert werden können. Fuel pumps, air conditioners, comfort systems and the like are not shown, since the expert will supplement this without own inventive performance according to the respective requirements. It should also be noted that in other embodiments, not all components shown here must be included. In addition, it is possible that at least some of these components are integrated with other designs. To simplify the description, individual components are combined into modules in the following. It is understood that in other embodiments, the components combined in the modules can also be realized individually or in other combinations with each other.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel weist ein Verbrennungsmotor-Modul 10 auf, in dem ein Verbrennungsmotor 14, ein zugehöriger erster Tank 20 sowie eine erste Kraftstoffleitung 18 enthalten sind. Ein erstes Brennstoffzellen-Modul 11 enthält eine erste Brennstoffzelle 16, die über eine zweite Kraftstoff leitung 22 mit einem zweiten Tank 24 verbunden ist. In diesen Tanks 20, 24 ist im Normalbetrieb ein chemischer Energieträger enthalten, der üblicherweise flüssig oder gasförmig ist und im Folgenden auch Kraftstoff genannt wird. Ein zweites Brennstoffzellen-Modul 12 enthält eine zweite Brennstoffzelle 28, die über eine dritte Kraftstoffleitung 30 mit einem dritten Tank 32 verbunden ist, in den geeigneter Kraftstoff eingefüllt werden kann. Bei der bevorzugten Ausführung ist die zweite Brennstoffzelle 28 leistungsschwächer als die erste Brennstoffzelle 16. Weiterhin ist eine Batterie 34 vorhanden, die über eine erste elektrische Leitung 36 mit einem externen Ladeport 38 verbunden ist. The exemplary embodiment shown in FIG. 1 has an internal combustion engine module 10 in which an internal combustion engine 14, an associated first tank 20 and a first fuel line 18 are contained. A first fuel cell module 11 includes a first fuel cell 16, which is connected via a second fuel line 22 to a second tank 24. In normal operation, these tanks 20, 24 contain a chemical energy carrier, which is usually liquid or gaseous and is also referred to below as fuel. A second fuel cell module 12 includes a second fuel cell 28 which is connected via a third fuel line 30 to a third tank 32 into which suitable fuel can be charged. In the preferred embodiment, the second fuel cell 28 is less powerful than the first fuel cell 16. Further, a battery 34 is present, which is connected via a first electrical line 36 to an external charging port 38.
Außerdem ist ein Schwungrad-Modul 13 vorgesehen, in dem eine zweite In addition, a flywheel module 13 is provided in which a second
Elektromaschine 40 und eine Schwungradanordnung 42 enthalten sind. Das Schwungrad-Modul 13 kann auch als Elektroschwungrad ausgebildet sein, bei dem die Schwungradanordnung 42 und die zweite Elektromaschine 40 miteinander integriert sind. Die Schwungradanordnung 42 besteht bevorzugterweise aus genau einem Schwungrad oder einer geraden Anzahl von Schwungrädern (hier nicht separat dargestellt), die paarweise gegenläufig sind, wodurch sich Kreiselkräfte weitestgehend gegenseitig aufheben. Das oder die Schwungräder sind bevorzugt als gewickelte, in einer druckreduzierten Umgebung angeordnete Electric machine 40 and a flywheel assembly 42 are included. The flywheel module 13 may also be designed as an electric flywheel, in which the flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 are integrated with each other. The flywheel assembly 42 preferably consists of exactly one flywheel or an even number of flywheels (not shown separately here), which are in opposite directions in pairs, whereby centrifugal forces cancel each other as far as possible. The one or more flywheels are preferably as wound, arranged in a reduced-pressure environment
Hochgeschwindigkeitsschwungräder mit einer maximalen Umdrehungszahl von wenigstens 20.000, bevorzugt wenigstens 35.000 Umdrehungen pro Minute ausgebildet. High speed flywheels with a maximum number of revolutions of at least 20,000, preferably formed at least 35,000 revolutions per minute.
Weiterhin sind in Fig. 1 symbolisch eine dritte Elektromaschine 44 - im Folgenden auch als Antriebs-Elektromaschine bezeichnet - und Antriebsräder 46 dargestellt. Die Antriebs-Elektromaschine 44 kann auch eine Mehrzahl von Elektromaschinen umfassen, die beispielsweise auf unterschiedliche Achsen des Fahrzeugs oder auf einzelne Antriebsräder 46 wirken, beispielsweise in Form von auch als 1 symbolically a third electric machine 44 - hereinafter also referred to as a drive electric machine - and drive wheels 46 are shown. The drive electric machine 44 may also include a plurality of electric machines, for example, acting on different axes of the vehicle or on individual drive wheels 46, for example in the form of as well
Radnabenmotoren bezeichneten Radnabenelektromaschinen. Die Hub motors referred to wheel hub electric machines. The
Elektromaschinen 26, 40, 44 sind jeweils derart gestaltet, dass sie sowohl als elektrischer Motor als auch als Generator betrieben werden können. Die Anzahl der Antriebsräder 46 hängt von der Art des verwendeten Fahrzeugs ab. Es können also - obwohl in dieser Beschreibung üblicherweise von Antriebsrädern die Rede ist - mehrere Antriebsräder oder auch nur ein einziges davon vorgesehen sein. Bei einem typischen Personenkraftwagen beträgt deren Anzahl 2 oder 4. Der Verbrennungsmotor 14 ist über einen ersten mechanischen Antrieb 48 mit der ersten Elektromaschine 26 und über einen zweiten mechanischen Antrieb 50 mit den Antriebsrädern 46 verbunden, wobei der zweite mechanische Antrieb 50 äquivalent auch mit dem ersten mechanischen Antrieb 48 verbunden oder mit diesem integriert sein oder an der Welle der ersten Elektromaschine 26 angreifen kann. Diese beiden Antriebe 48, 50 erlauben es, dass mechanische Energie vom Verbrennungsmotor 14 an die Komponenten 26 bzw. 46 abgegeben werden kann. Diese Komponenten können andererseits mechanische Leistung an den Electric machines 26, 40, 44 are each designed such that they can be operated both as an electric motor and as a generator. The number of drive wheels 46 depends on the type of vehicle used. Thus, although drive wheels are usually referred to in this description, a plurality of drive wheels or even only one of them may be provided. In a typical passenger car, their number is 2 or 4. The internal combustion engine 14 is connected to the first electric machine 26 via a first mechanical drive 48 and to the drive wheels 46 via a second mechanical drive 50, wherein the second mechanical drive 50 is also equivalently connected to or integrated with the first mechanical drive 48 the shaft of the first electric machine 26 can attack. These two drives 48, 50 allow mechanical energy from the engine 14 to be delivered to the components 26, 46, respectively. On the other hand, these components can provide mechanical power to the
Verbrennungsmotor 14 übertragen, insbesondere um diesen anzulassen und/oder um den Verbrennungsmotor 14 zu schleppen und damit als Motorbremse zu nutzen, was jedoch aufgrund der damit verbundenen Energieverluste nur in wenigen Ausnahmefällen bevorzugt wird, beispielsweise bei sehr langen Bergabfahrten, wenn keine weitere Ladung der Schwungradanordnung 42 und der Batterie 34 mehr möglich bzw. erwünscht ist. Transfer internal combustion engine 14, in particular to start this and / or to tow the engine 14 and thus to use as an engine brake, which is preferred due to the associated energy losses only in a few exceptional cases, for example, in very long downhills, if no further charge the flywheel assembly 42 and the battery 34 is more possible or desired.
Die Schwungradanordnung 42 ist über einen dritten mechanischen Antrieb 52 mit der zweiten Elektromaschine 40 und über einen vierten mechanischen Antrieb 54 mit den Antriebsrädern 46 verbunden, wobei der vierte mechanische Antrieb 54 äquivalent auch mit dem dritten mechanischen Antrieb 52 verbunden oder mit diesem integriert sein oder an der Welle der zweiten Elektromaschine 40 angreifen kann. Ein fünfter mechanischer Antrieb 56 besteht zwischen der dritten The flywheel assembly 42 is connected to the second electric machine 40 via a third mechanical drive 52 and to the drive wheels 46 via a fourth mechanical drive 54, the fourth mechanical drive 54 also being equivalently connected to or integrated with the third mechanical drive 52 the shaft of the second electric machine 40 can attack. A fifth mechanical drive 56 exists between the third
Elektromaschine 44 und den Antriebsrädern 46. Diese drei Antriebe 52, 54, 56 erlauben es, mechanische Energie bi-direktional zwischen der Electric machine 44 and the drive wheels 46. These three drives 52, 54, 56 allow bi-directional mechanical energy between the
Schwungradanordnung 42 und der zweiten Elektromaschine 40, zwischen der Schwungradanordnung 42 und den Antriebsrädern 46 bzw. zwischen der dritten Elektromaschine 44 und den Antriebsrädern 46 zu übertragen. Flywheel assembly 42 and the second electric machine 40, between the flywheel assembly 42 and the drive wheels 46 and between the third electric machine 44 and the drive wheels 46 to transmit.
Die erste Brennstoffzelle 16 ist über eine zweite elektrische Leitung 57 mit der dritten Elektromaschine 44, über eine dritte elektrische Leitung 58 mit der ersten Elektromaschine 26 und über eine vierte elektrische Leitung 60 mit der zweiten Elektromaschine 40 verbunden. Elektrische Energie kann über die vierte elektrische Leitung 60 und eine weitere, fünfte elektrische Leitung 64 zwischen der ersten Brennstoffzelle 16, der zweiten Elektromaschine 40 und der Batterie 34 übertragen werden. Elektrische Energie kann über die elektrischen Leitungen 68 und 70 auch zwischen der ersten Elektromaschine 26 und der Batterie 34 bzw. umgekehrt übertragen werden, wofür äquivalent auch eine eigene, sechste elektrische Leitung 72 vorgesehen werden kann. Die zweite Elektromaschine 40 ist außerdem über eine siebte elektrische Leitung 62 mit der zweiten Brennstoffzelle 28 und über eine achte elektrische Leitung 66 mit der dritten Elektromaschine 44 verbunden. Über die zwischen der ersten Elektromaschine 26 und der Batterie 34 angeordnete elektrische Leitung 72 kann die Batterie 34 durch die erste Elektromaschine 26 geladen werden und die erste Elektromaschine 26 kann zum Starten des The first fuel cell 16 is connected via a second electrical line 57 to the third electric machine 44, via a third electrical line 58 to the first electric machine 26 and via a fourth electrical line 60 to the second electric machine 40. Electrical energy can be via the fourth electrical Line 60 and another, fifth electrical line 64 between the first fuel cell 16, the second electric machine 40 and the battery 34 are transmitted. Electrical energy can also be transferred via the electrical lines 68 and 70 between the first electric machine 26 and the battery 34 or vice versa, for which purpose a separate sixth electrical line 72 can be provided as an equivalent. The second electric machine 40 is also connected to the second fuel cell 28 via a seventh electrical line 62 and to the third electric machine 44 via an eighth electrical line 66. Via the electrical line 72 arranged between the first electric machine 26 and the battery 34, the battery 34 can be charged by the first electric machine 26 and the first electric machine 26 can be used to start the electric motor 26
Verbrennungsmotors 14 betrieben werden. Über die elektrischen Leitungen 72 und 64 ist auch eine Übertragung elektrischer Energie zwischen der ersten Internal combustion engine 14 are operated. Via the electrical leads 72 and 64 is also a transfer of electrical energy between the first
Elektromaschine 26 und der zweiten Elektromaschine 40 möglich, wofür äquivalent auch eine in Figur 2 dargestellte, separate zwölfte elektrische Leitung 84 Electric machine 26 and the second electric machine 40 possible, for which, equivalently, a separate twelfth electrical line 84 shown in Figure 2
vorgesehen werden kann. Die Antriebs-Elektromaschine 44 ist weiter über eine neunte elektrische Leitung 68 mit der ersten Elektromaschine 26 und über eine zehnte elektrische Leitung 70 mit der Batterie 34 verbunden, die außerdem über eine elfte elektrische Leitung 74 mit der zweiten Brennstoffzelle 28 verbunden ist. can be provided. The drive electric machine 44 is further connected via a ninth electrical line 68 to the first electric machine 26 and via a tenth electrical line 70 to the battery 34, which is also connected via an eleventh electrical line 74 to the second fuel cell 28.
Die hier vorhandenen mechanischen Antriebe 48, 50, 52, 54, 56 können auf verschiedene Weise gestaltet sein. So können sie beispielsweise durchgehend ausgeführt und/oder auch mit elektromagnetischen oder anderen Kupplungen versehen sein. Entscheidend ist hier lediglich, dass sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsgröße mechanisch ist. Daher sind beispielsweise auch hydraulische und pneumatische Übertragungseinrichtungen bei Einsatz entsprechender Wandler und weiterer üblicher Hilfseinrichtungen möglich und sollen mit umfasst sein, da sie im Rahmen dieser Schrift mechanische Wirkverbindungen darstellen. Zu der Realisierung des in Fig. 1 dargestellten Antriebsstrangs sei noch Folgendes angemerkt. Der Verbrennungsmotor 14 kann die Antriebsräder 46 über den mechanischen Antrieb 50 unter Zwischenschaltung üblicher, nicht dargestellter, The existing mechanical drives 48, 50, 52, 54, 56 may be designed in various ways. For example, they can be designed to be continuous and / or provided with electromagnetic or other couplings. The only point here is that both the input and output variables are mechanical. Therefore, for example, hydraulic and pneumatic transmission devices with the use of appropriate converters and other conventional auxiliary equipment are possible and should be included, since they represent mechanical active connections in the context of this document. For the realization of the drive train shown in Fig. 1, the following should be noted. The internal combustion engine 14, the drive wheels 46 via the mechanical drive 50 with the interposition of conventional, not shown,
Antriebsstrangkomponenten mit Antriebsenergie versorgen und/oder die erste Elektromaschine 26 über den mechanischen Antrieb 48 generatorisch antreiben. Weiter ist es für bestimmte Betriebszustände, insbesondere zum Anlassen des Verbrennungsmotors 14 und/oder für dessen schnelle Beschleunigung auf eine gewünschte Drehzahl auch möglich, mechanische Energie von der ersten Supply drive train components with drive energy and / or drive the first electric machine 26 via the mechanical drive 48 as a generator. Further, it is also possible for certain operating conditions, in particular for starting the internal combustion engine 14 and / or for its rapid acceleration to a desired speed, mechanical energy from the first
Elektromaschine 26 über den ersten mechanischen Antrieb 48 oder, sofern gewünscht, von den Antriebsrädern 46 über den zweiten mechanischen Antrieb 50 an den Verbrennungsmotor 14 zu leiten. Electric machine 26 via the first mechanical drive 48 or, if desired, from the drive wheels 46 via the second mechanical drive 50 to the internal combustion engine 14 to pass.
Schließlich kann bei geeigneter Auslegung mechanische Energie von den Finally, with appropriate design mechanical energy from the
Antriebsrädern 46 über den zweiten und ersten mechanischen Antrieb 50, 48 an die erste Elektromaschine 26 geleitet werden, wobei der Verbrennungsmotor 14 bevorzugt über eine nicht gezeigte Kupplung oder einen Freilauf abgekuppelt werden oder alternativ zur Realisierung einer Motorbremse mitlaufen kann. Dadurch kann eine zusätzliche Rekuperationsleistung durch die erste Elektromaschine 26 mit oder ohne gleichzeitige Motorbremswirkung des Verbrennungsmotors 14 erzielt werden. Wie erwähnt ist es als äquivalente Ausgestaltung auch möglich, den zweiten mechanischen Antrieb 50 mit der Welle der ersten Elektromaschine 26 zu koppeln, wodurch sich, ggf. unter Zwischenschaltung einer nicht gezeigten schaltbaren Kupplung, mit dem ersten mechanischen Antrieb 48 eine der Funktion des gezeigten mechanischen Antriebs 50 äquivalente Ausgestaltung ergibt. Weiter kann die erste Elektromaschine 26 so ausgebildet werden, dass sie eine Drive wheels 46 are passed via the second and first mechanical drive 50, 48 to the first electric machine 26, wherein the internal combustion engine 14 are preferably uncoupled via a clutch, not shown, or freewheel or alternatively can run to realize an engine brake. As a result, an additional recuperation power can be achieved by the first electric machine 26 with or without simultaneous engine braking action of the internal combustion engine 14. As mentioned, it is also possible as an equivalent embodiment to couple the second mechanical drive 50 with the shaft of the first electric machine 26, whereby, possibly with the interposition of a switchable coupling, not shown, with the first mechanical drive 48 one of the function of the shown mechanical Drive 50 equivalent design results. Further, the first electric machine 26 may be formed to have a
Drehzahlübersetzung zwischen dem mechanischen Antrieb 48 und dem wie vorstehend beschriebenen abgewandelten mechanischen Antrieb 50 vornehmen kann, womit die erste Elektromaschine 26 zugleich die Funktion eines Speed ratio between the mechanical drive 48 and the modified as described above mechanical drive 50 can make, whereby the first electric machine 26 at the same time the function of
Wechselgetriebes und ggf. einer schaltbaren Kupplung übernehmen kann. Diese äquivalenten Ausgestaltungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 1 nicht dargestellt. Weiter ist es möglich, dass der Verbrennungsmotor 14 über einen nicht gezeigten mechanischen Antrieb das Schwungrad 42 antreiben und/oder dass das Change gear and possibly a switchable clutch can take over. These equivalent embodiments are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity. Further, it is possible that the internal combustion engine 14 drive the flywheel 42 via a mechanical drive, not shown, and / or that the
Schwungrad 42 durch diesen mechanische Antrieb den Verbrennungsmotor 14 antreiben und insbesondere starten kann. Flywheel 42 by this mechanical drive to drive the engine 14 and in particular can start.
Sofern an Stelle des Verbrennungsmotors 14 - oder zusätzlich zu diesem - eine erste bzw. leistungsstarke Brennstoffzelle 16 vorgesehen wird, kann diese mit Hilfe des im zweiten Tank 24 gespeicherten Kraftstoffs elektrische Energie erzeugen. Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl die erste Brennstoffzelle 16 als auch den Verbrennungsmotor 14 vorzusehen, wobei die Leistungen beider If a first or high-performance fuel cell 16 is provided instead of the internal combustion engine 14 or in addition to this, this can generate electrical energy with the aid of the fuel stored in the second tank 24. Of course, it is also possible to provide both the first fuel cell 16 and the internal combustion engine 14, the performances of both
Leistungsquellen 14, 16 beliebig aufgeteilt werden können, jedoch in Summe zumindest die für eine Dauerhöchstgeschwindigkeit benötigte Leistung bereitstellen können sollen. Die elektrische Leistung der ersten Elektromaschine 26 und/oder der ersten Power sources 14, 16 can be divided as desired, but in total should be able to provide at least the power required for a maximum steady state speed. The electrical power of the first electric machine 26 and / or the first
Brennstoffzelle 16 kann wahlweise zum Antrieb der Antriebsräder 46 verwendet werden, indem die elektrische Energie über die elektrischen Leitungen 68 und/oder 57 an die Antriebs-Elektromaschine 44 übertragen wird. Eine mechanische Fuel cell 16 may optionally be used to drive the drive wheels 46 by transmitting the electrical energy via the electrical leads 68 and / or 57 to the drive electric machine 44. A mechanical one
Wirkverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 14 und den Antriebsrädern 46 ist in diesem Fall nicht erforderlich, kann jedoch zusätzlich vorgesehen werden. Interaction between the engine 14 and the drive wheels 46 is not required in this case, but may be additionally provided.
Momentan nicht für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte Energie des Currently not required for the drive of the vehicle energy of the
verbrennungsmotorischen Antriebsstranges bzw. Verbrennungsmotor-Moduls 10 und/oder des ersten Brennstoffzellenmoduls 11 kann bevorzugt verwendet werden, um das Schwungrad 42 bei Bedarf über einen nicht dargestellten mechanischen Antrieb und/oder über den mechanischen Antrieb 48, die erste Elektromaschine 26 und die elektrischen Leitungen 72, 64 bzw. die elektrischen Leitungen 60, 64 sowie die zweite Elektromaschine 40 und den mechanischen Antriebs 52 zu Combustion engine drive train or internal combustion engine module 10 and / or the first fuel cell module 11 may be preferably used to flywheel 42 if necessary via a mechanical drive, not shown, and / or via the mechanical drive 48, the first electric machine 26 and the electrical lines 72nd , 64 and the electrical lines 60, 64 and the second electric machine 40 and the mechanical drive 52 to
beschleunigen und/oder die Batterie 34 zu laden. accelerate and / or charge the battery 34.
Ist zumindest eine der möglichen beiden Brennstoffzellen 16, 28 als reversible Brennstoffzelle ausgelegt oder ist als äquivalente Ausgestaltung eine zusätzliche Syntheseeinrichtung vorgesehen, kann elektrische Energie von einer oder mehrerer der Elektromaschinen 26, 44, 40 alternativ ganz oder teilweise auch zur Synthese von Kraftstoff eingesetzt und der Brennstoff in einem zugeordneten Tank 24, 32 gespeichert werden. Grundsätzlich ist anzumerken, dass die drei Tanks 20, 24, 32 nach praktischen Gesichtspunkten auch teilweise oder insgesamt vereinigt werden können, soweit die Art des Brennstoffs dies erlaubt. Is at least one of the possible two fuel cells 16, 28 designed as a reversible fuel cell or is an equivalent embodiment an additional Synthesis device provided, electrical energy from one or more of the electric machines 26, 44, 40 alternatively used in whole or in part for the synthesis of fuel and the fuel in an associated tank 24, 32 are stored. Basically, it should be noted that the three tanks 20, 24, 32 can also be partially or wholly combined according to practical considerations, as far as the nature of the fuel permits.
Die Batterie 34 des schwungradbasierten Antriebsstrangs 12 kann bevorzugt über den externen Ladeport 38 aufladbar sein. Dieser kann bevorzugt auch dafür ausgelegt sein, die Schwungradanordnung 42 über die zweite Elektromaschine 40 zu laden oder eine regenerative Brennstoffzelle 28, 16 bzw. eine The battery 34 of the flywheel-based drive train 12 may preferably be chargeable via the external charging port 38. This can preferably also be designed to charge the flywheel assembly 42 via the second electric machine 40 or a regenerative fuel cell 28, 16 or a
Synthesevorrichtung mit Energie zur Synthese von Kraftstoff zu versorgen und/oder bei Bedarf dafür ausgelegt sein, wahlweise auch Energie an einen externen Synthesizer with energy for the synthesis of fuel to supply and / or be designed if necessary, optionally also energy to an external
Verbraucher oder ein externes Stromnetz abzugeben. Die zweite Brennstoffzelle 28 kann zusätzlich zu der Batterie 34 vorgesehen sein (wie in Fig. 1 dargestellt) oder auch alternativ dazu. Consumer or an external power grid. The second fuel cell 28 may be provided in addition to the battery 34 (as shown in FIG. 1) or alternatively.
Die zweite Brennstoffzelle 28 ist bevorzugterweise leistungsschwächer als die erste Brennstoffzelle 16, weil sie für den Fall, dass sie an Stelle der Batterie 34 vorgesehen wird, im Wesentlichen die Leistung der Batterie 34 an die zweite Elektromaschine 40 zum Antrieb der Schwungradanordnung 42 ersetzt. Diese Leistung kann, wie nachfolgend genauer ausgeführt wird, deutlich kleiner sein als die Leistung des Verbrennungsmotors 14 im optimalen Arbeitsbereich bzw. der den Verbrennungsmotor 14 ersetzenden ersten Brennstoffzelle 16. The second fuel cell 28 is preferably less powerful than the first fuel cell 16 because, in the event that it is provided in place of the battery 34, substantially replacing the power of the battery 34 with the second electric machine 40 for driving the flywheel assembly 42. As will be explained in more detail below, this power can be significantly smaller than the power of the internal combustion engine 14 in the optimum operating range or of the first fuel cell 16 replacing the internal combustion engine 14.
Die Summe der auslegungsrelevanten maximalen Leistungen der Batterie 34 und der zweiten Brennstoffzelle 28 ist im Wesentlichen konstant und bemisst sich nach der voraussichtlichen maximalen, über die zweite Elektromaschine 40 in die The sum of the design-relevant maximum powers of the battery 34 and the second fuel cell 28 is substantially constant and is measured according to the anticipated maximum, via the second electric machine 40 in the
Schwungradanordnung 42 auslegungsgemäß im zeitlichen Mittel einzuspeisenden Netto-Nachladeleistung der Schwungradanordnung 42, ggf. zuzüglich des zu erwartenden Leistungsbedarfs weiterer elektrischer Verbraucher, wie beispielsweise elektrischen Heizungen, Beleuchtungen, Klimaanlagen, Komfortsystemen und Steuerungen (nicht dargestellt). Die zweite Elektromaschine 40 kann jedoch bei Bedarf und bevorzugt auch deutlich leistungsstärker ausgelegt werden, um die mechanische Leistungsübertragung über den mechanischen Antrieb 54 zwischen der Schwungradanordnung 42 und den Antriebsrädern 46 teilweise oder bevorzugt vollständig durch eine mechanische Kopplung 52 zwischen der Flywheel assembly 42 according to design to be fed in averaged net Nachladeleistung the flywheel assembly 42, possibly plus the expected power consumption of other electrical loads, such as electric heaters, lighting, air conditioning, comfort systems and Controls (not shown). The second electric machine 40 can, however, if required, and preferably also significantly more powerful designed to the mechanical power transmission via the mechanical drive 54 between the flywheel assembly 42 and the drive wheels 46 partially or preferably completely by a mechanical coupling 52 between the
Schwungradanordnung 42 und der zweiten Elektromaschine 40 sowie eine elektrische Kopplung 66 zwischen dieser und der mit den Antriebsrädern 46 gekoppelten Antriebs-Elektromaschine 44 zu ersetzen. Obwohl die Schwungradanordnung 42 und die zweite Elektromaschine 40 hier funktional als zwei Komponenten dargestellt sind, können beide Komponenten 42,40 bevorzugt in einer Baueinheit integriert werden. Dies bietet neben Vorteilen in Bezug auf Bauraum und Gewicht bei einem bevorzugten, in einem weitgehenden Vakuum laufenden, Schwungrad auch Vorteile in Bezug auf einen Entfall einer Wellenabdichtung und eine Verringerung der Verluste der zweiten Elektromaschine 40, die in diesem Fall ebenfalls im weitgehenden Vakuum angeordnet sein kann.  Flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 and an electrical coupling 66 between this and to the drive wheels 46 coupled to the drive electric machine 44 to replace. Although the flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 are shown functionally as two components, both components 42, 40 may preferably be integrated into one assembly. This offers advantages in terms of installation space and weight in a preferred, running in a substantial vacuum flywheel also benefits in terms of a waiver of shaft seal and a reduction in the losses of the second electric machine 40, which in this case also be arranged in a substantial vacuum can.
Hauptfunktion der Batterie 34 und/oder der zweiten Brennstoffzelle 28 ist die Abgabe von elektrischer Energie an die zweite Elektromaschine 40, um das Schwungrad - oder auch mehrere - der Schwungradanordnung 42 in ein Main function of the battery 34 and / or the second fuel cell 28 is the delivery of electrical energy to the second electric machine 40 to the flywheel - or more - the flywheel assembly 42 in a
gewünschtes Drehzahlband zu bringen bzw. dort zu halten. Die to bring desired speed band or to hold there. The
Schwungradanordnung 42 dient als wesentliche Energiequelle bzw. Flywheel assembly 42 serves as an essential energy source or
Energiespeicher für den dynamischen Antrieb des Fahrzeugs. Sofern gewünscht oder erforderlich kann die durch die zweite Elektromaschine 40 erzeugte elektrische Energie jedoch auch für andere Zwecke verwendet werden, insbesondere zurEnergy storage for the dynamic drive of the vehicle. If desired or necessary, however, the electrical energy generated by the second electric machine 40 can also be used for other purposes, in particular for
Ladung der Batterie 34 und/oder zur Erzeugung von Brennstoff in einer reversiblen Brennstoffzelle 28, 16, zum Anlassen des Verbrennungsmotors 14 über die erste Elektromaschine 26 oder einen nicht gezeigten elektrischen Startermotor oder eine nicht gezeigte Starter-Generator-Elektromaschine, oder auch zum Betrieb weiterer Verbraucher oder zur Abgabe elektrischer Energie an ein fahrzeugexternes Stromnetz über den externen Ladeport 38. Weiter kann der Verbrennungsmotor 14 über die erste Elektromaschine 26 und/oder kann die erste Brennstoffzelle 16 elektrische Energie zur Ladung der Batterie 34 und/oder über die zweite Elektromaschine 40 zur Ladung der Charging the battery 34 and / or for generating fuel in a reversible fuel cell 28, 16, for starting the engine 14 via the first electric machine 26 or an electric starter motor, not shown, or a starter-generator electric machine, not shown, or for the operation of another Consumer or to deliver electrical energy to an external power grid via the external charging port 38th Further, the internal combustion engine 14 via the first electric machine 26 and / or the first fuel cell 16, electrical energy for charging the battery 34 and / or via the second electric machine 40 for charging the
Schwungradanordnung 42 und/oder für den reversiblen Betrieb zumindest der zweiten Brennstoffzelle 28 und/oder ggf. der ersten Brennstoffzelle 16 erzeugen. Schließlich kann auch ein Moment von den Antriebsrädern 46 abgenommen und über die Antriebs-Elektromaschine 44 und/oder über die erste Elektromaschine 26 in elektrische Energie umgewandelt werden und, alternativ oder zusätzlich zu einem mechanischen Antrieb 54 der Schwungradanordnung 42 durch die Antriebsräder 46, ebenfalls zum Antrieb der Schwungradanordnung 42 über die zweite Flywheel assembly 42 and / or for the reversible operation of at least the second fuel cell 28 and / or possibly the first fuel cell 16 produce. Finally, a moment can also be removed from the drive wheels 46 and converted into electrical energy via the drive electric machine 44 and / or the first electric machine 26 and, alternatively or in addition to a mechanical drive 54 of the flywheel assembly 42 by the drive wheels 46, also for Drive the flywheel assembly 42 via the second
Elektromaschine 40, zum Laden der Batterie 34 und/oder zum reversiblen Betrieb zumindest einer der Brennstoffzellen 28, 16 verwendet werden.  Electric machine 40, for charging the battery 34 and / or for the reversible operation of at least one of the fuel cells 28, 16 are used.
Die verschiedenen Elektromaschinen 26, 40, 44 können auch kombiniert oder auf mehrere Elektromaschinen aufgeteilt werden und müssen nicht zwingend The various electric machines 26, 40, 44 can also be combined or divided among several electric machines and not necessarily
physikalisch eigenständige Maschinen bilden, sofern alternative Ausgestaltungen die aufgeführten Funktionen erfüllen können. form physically independent machines, as far as alternative configurations can fulfill the listed functions.
Die anhand der Fig. 1 dargestellten, vielfältigen möglichen Auslegungen und The illustrated with reference to FIG. 1, various possible interpretations and
Verknüpfungen der Komponenten des Antriebsstranges machen deutlich, dass es sich bei dem vorgestellten Antriebskonzept weniger um eine bestimmte konstruktive bzw. physikalische Verknüpfung von Komponenten handelt, sondern um ein Associations of the components of the drive train make it clear that the proposed drive concept is less about a specific structural or physical connection of components, but rather about one
Konzept, das Entwicklern eine Vielzahl unterschiedlicher konkreter Ausgestaltungen und damit eine umfangreiche Optimierung in Bezug auf gewünschte Concept, the developers a variety of different specific designs and thus a comprehensive optimization in terms of desired
Antriebskonzepte und Randbedingungen erlaubt. Drive concepts and boundary conditions allowed.
Zu diesen Randbedingungen zählen insbesondere die jeweiligen Kosten der im konkreten Einzelfall verwendeten Komponenten, deren Bedarf an Bauraum, deren Gewicht und nicht zuletzt auch frei wählbare Einflussgrößen wie beispielsweise die Entscheidung für oder gegen eine Verwendung von Brennstoffzellen. Entsprechend ergeben sich die Vorteile der Erfindung nicht aus der Auswahl der Art der These boundary conditions include, in particular, the respective costs of the components used in the specific individual case, their requirement for installation space, their weight and, last but not least, freely selectable parameters such as, for example, the decision for or against the use of fuel cells. Accordingly, the advantages of the invention do not result from the selection of the type of
Komponenten oder deren konkreter Verknüpfung, sondern erst aus der relativen Auslegung der Komponenten in Bezug auf die Leistungen und die nutzbaren speicherbaren Energieinhalte. Components or their concrete link, but only from the relative Design of components in terms of performance and usable storable energy content.
Fig. 1 und die vorstehende Beschreibung dienen damit im Wesentlichen der Verdeutlichung der jeweiligen Äquivalenzbereiche, sodass in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen jeweils auf eine konkrete Ausgestaltung abgestellt werden kann, ohne diese Äquivalenzbereiche stets mit erwähnen zu müssen, wodurch das Verständnis wesentlich erleichtert wird. Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm für ein zweites Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um eine gegenüber dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel vereinfachte bzw. konkretere Ausgestaltung des Antriebskonzeptes. Gleiche oder funktional ähnliche Komponenten sind mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen gekennzeichnet und auf diese wird nur insoweit eingegangen, wie es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig ist. 1 and the above description thus essentially serve to clarify the respective equivalence ranges, so that in the following exemplary embodiments in each case one can focus on a specific embodiment, without having to mention these equivalence ranges with, whereby the understanding is much easier. Fig. 2 shows a block diagram for a second embodiment. This is a simplified or more concrete embodiment of the drive concept compared to the embodiment described above. Identical or functionally similar components are identified with the reference numerals used in FIG. 1 and these are only discussed insofar as is necessary for the understanding of the present invention.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 wurden die Brennstoffzellen 16, 28 und die zugehörigen Tanks 24, 32 weggelassen. Außerdem ist eine zusätzliche elektrische Leitung 84 zwischen den beiden Elektromaschinen 26 und 40 dargestellt. In the embodiment of FIG. 2, the fuel cells 16, 28 and the associated tanks 24, 32 have been omitted. In addition, an additional electrical line 84 between the two electric machines 26 and 40 is shown.
Die Schwungradanordnung 42 und die mit dieser über den dritten mechanischen Antrieb 52 gekoppelte zweite Elektromaschine 40 sind bevorzugt als Schwungrad mit integrierter Elektromaschine ausgebildet, und werden - anders als in Fig. 1 - im Folgenden als Elektroschwungrad 43 bezeichnet. Durch die Integration von The flywheel assembly 42 and the second electric machine 40 coupled thereto via the third mechanical drive 52 are preferably designed as a flywheel with an integrated electric machine, and - in contrast to FIG. 1 - are referred to below as the electric flywheel 43. Through the integration of
Schwungradanordnung 42 und zweiter Elektromaschine 40 kann der Bauraum effizienter genutzt werden und Probleme in Bezug auf eine Wellendurchführung zu einem in einem weitgehendem Vakuum laufenden Schwungrad vermieden sowie die Verluste der Elektromaschine 40 durch Verwirbelungen stark verringert werden. Der Verbrennungsmotor 14 ist mit der ersten Elektromaschine 26 durch den bidirektionalen mechanischen Antrieb 48 baulich zu einem Stromaggregat 15 zusammengefasst, das optional zur Vermeidung von Umwandlungsverlusten über eine bevorzugt bidirektionale mechanische Kopplung 82 mit dem Antriebsrad 46 verbunden sein kann, wobei eine nicht gezeigte, schaltbare Kupplung und ein nicht gezeigtes Getriebe mit stufenloser oder gestuft-wechselbarer Übersetzung vorgehen sein können. Bevorzugt können die Funktionen der Kupplung und des Getriebes durch eine geeignete Ausgestaltung der ersten Elektromaschine 26 übernommen werden. Wie bereits angemerkt, kann der mechanische Antrieb 82 auch zwischen Antriebsrad 46 und Verbrennungsmotor 14 erfolgen, wenn eine zusätzliche Kupplung oder ein Freilauf und ggf. ein zusätzliches Getriebe vorgesehen werden, entsprechend dem mechanischen Antrieb 50 der Figur 1. Auch ist es möglich, den Rotor der ersten Elektromaschine 26 auf einem durchgängigen mechanischen Antrieb, bestehend aus den mechanischen Antrieben 48 und 82, anzuordnen. Flywheel assembly 42 and second electric machine 40, the space can be used more efficiently and problems with respect to a shaft feedthrough to a running in a substantial vacuum flywheel avoided and the losses of the electric machine 40 are greatly reduced by turbulence. The internal combustion engine 14 is combined with the first electric machine 26 by the bidirectional mechanical drive 48 structurally to a generator 15, which optionally to avoid conversion losses over a preferably bidirectional mechanical coupling 82 may be connected to the drive wheel 46, wherein a non-illustrated, switchable clutch and a not shown gear can proceed with stepless or stepped-interchangeable translation. Preferably, the functions of the clutch and the transmission can be taken over by a suitable embodiment of the first electric machine 26. As already noted, the mechanical drive 82 can also take place between the drive wheel 46 and the internal combustion engine 14 if an additional clutch or a freewheel and possibly an additional transmission are provided, corresponding to the mechanical drive 50 of FIG. 1. It is also possible to use the rotor the first electric machine 26 on a continuous mechanical drive, consisting of the mechanical drives 48 and 82 to arrange.
Die Antriebs-Elektromaschine 44 ist hier bevorzugt als in die Antriebsräder 46 integrierte Elektromaschine ausgebildet und die Kombination aus Antriebsrad 46 und Antriebs-Elektromaschine 44 sowie deren mechanischer Antrieb 56 kann als ein Radnabenmotor 45 ausgestaltet sein. Es sei darauf hingewiesen, dass es ebenfalls möglich ist, ein Antriebsrad 46 vorzusehen, das ausschließlich durch die The drive electric machine 44 is here preferably embodied as an electric machine integrated into the drive wheels 46, and the combination of drive wheel 46 and drive electric machine 44 and its mechanical drive 56 can be configured as a wheel hub motor 45. It should be noted that it is also possible to provide a drive wheel 46, which is exclusively by the
mechanischen Antriebe 82 bzw. 50 und/oder ausschließlich durch die mechanical drives 82 and 50 and / or exclusively by the
Antriebselektromaschine 44 angetrieben wird. Wie bereits erwähnt, sind bei einem Fahrzeug normalerweise mehrere der Antriebsräder 46 vorgesehen. Das gilt in gleicher weise auch für die Anzahl der Radnabenmotoren 45 und der darin enthaltenen Elektromaschinen 44, auch wenn im Folgenden die Elemente 44, 45 und 46 üblicherweise nur im Singular genannt sind. Drive electric machine 44 is driven. As already mentioned, a plurality of drive wheels 46 are normally provided in a vehicle. This also applies in the same way to the number of wheel hub motors 45 and the electric machines 44 contained therein, even if in the following the elements 44, 45 and 46 are usually mentioned only in the singular.
Zur Erleichterung des Verständnisses sei gedanklich von einem bereits im Jahr 2000 in Serie gebauten Audi A2 1.2 TDI ausgegangen, der bei einem Cw-Beiwert von 0,25 und einem Leergewicht von 855 kg durch einen abgasturbogeladenen Dieselmotor mit 1191 cm3 Hubraum mit einer maximalen Leistung vom 45 kW angetrieben wird. Das Fahrzeug bietet Platz für 4 Personen und ein For ease of understanding was mentally assume a built in 2000 in series Audi A2 1.2 TDI, which in a Cd coefficient of 0.25 and a curb weight of 855 kg by an exhaust turbo-charged diesel engine with 1,191 cm3 displacement with a maximum power powered by 45 kW. The vehicle can accommodate 4 people and one
Gepäckraumvolumen von maximal 350 Litern. Im Betrieb weist es einen  Luggage compartment volume of a maximum of 350 liters. In operation, it has a
Normverbrauch von 3 Litern pro 100 km und eine C02-Emission von 81 - 86 g/km auf. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 168 km/h, wobei ein Eco-Modus vorgesehen ist, bei dem die Motorleistung auf maximal ca. 31 ,5 kW gedrosselt ist und die Höchstgeschwindigkeit auf 160 km/h begrenzt wird, die mit dieser Leistung sicher erreicht wird. Standard consumption of 3 liters per 100 km and a CO 2 emission of 81 - 86 g / km on. The top speed is 168 km / h, with an Eco mode is provided, in which the engine power is throttled to a maximum of about 31, 5 kW and the maximum speed is limited to 160 km / h, which is safely achieved with this power.
Das erfindungsgemäße Antriebskonzept sieht vor, dass das Stromaggregat 15 in einem optimalen Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors 14 eine Leistung abgeben kann, die zuzüglich zu der mittleren Leistungsaufnahme von üblicher Weise im Fahrzeug betriebenen Verbrauchern der Summe der Fahrwiderstände bei einer gewünschten, durch die konstruktive Auslegung bestimmten, The drive concept according to the invention provides that the generator 15 can deliver an output in an optimal working range of the internal combustion engine 14, which in addition to the average power consumption of conventionally operated in the vehicle consumers of the sum of the driving resistances at a desired, determined by the structural design,
Dauerhöchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht. Konkret soll die Leistung des Verbrennungsmotors 14 hier so bemessen sein, dass das Fahrzeug  Maximum speed of the vehicle corresponds. Specifically, the power of the engine 14 should be sized here so that the vehicle
ausschließlich durch Energie des Stromaggregats 15 unter normalen Betriebs- und Umgebungsbedingungen in der Ebene eine Dauerhöchstgeschwindigkeit von beispielsweise 130 km/h aufrecht erhalten und dabei gleichzeitig übliche maintained solely by energy of the generator 15 under normal operating and environmental conditions in the plane a maximum maximum speed of, for example, 130 km / h and at the same time usual
Nebenaggregate betreiben kann. Can operate ancillaries.
Überschlägig wird hier von einem Verbrennungsmotor 14 mit 25 kW im optimalen Betriebsbereich ausgegangen. Die elektrische Leistung des Stromaggregats 15 kann je nach Bedarf über die elektrische Leitung 68 an den Radnabenmotor 45 und/oder über die elektrischen Leitungen 72, 84 an die Batterie 34 und/oder an die Elektromaschine 40 des Elektroschwungrades 43 abgegeben werden. Die elektrischen Leitungen sind jeweils bi-direktional ausgelegt. Die erste Elektromaschine 26 kann bevorzugt auch als Startermotor für den Surprisingly, an internal combustion engine 14 with 25 kW in the optimum operating range is assumed here. The electrical power of the generator 15 can be delivered as needed via the electrical line 68 to the wheel hub motor 45 and / or via the electrical lines 72, 84 to the battery 34 and / or to the electric machine 40 of the electric flywheel 43. The electrical lines are each designed bi-directional. The first electric machine 26 may also be preferred as a starter motor for the
Verbrennungsmotor 14 dienen, der Verbrennungsmotor 14 kann bei fahrendem Fahrzeug jedoch auch durch Vorsehen der optionalen mechanischen Kopplung 82 durch Schließen der nicht dargestellten schaltbaren Kupplung durch Abnahme eines Momentes von dem Antriebsrad 46 gestartet werden. Sofern der optionale mechanische Antrieb 82 zwischen dem Stromaggregat 15 und dem Antriebsrad 46 vorgesehen ist, kann die erste Elektromaschine 26 auf eine geringere Leistung von beispielsweise 15 kW oder weniger ausgelegt werden bzw. durch einen üblichen Startermotor oder Starter-Generator ersetzt werden, um Bauraum, Gewicht und Bauteilkosten zu verringern. In diesem Fall wird bevorzugt, den Verbrennungsmotor 14 nur oder zumindest überwiegend bei fahrendem Fahrzeug zu betreiben, wenn dabei zumindest überwiegend eine Leistung an das Antriebsrad 46 abgegeben werden kann, die der Differenz zwischen der Leistung des Verbrennungsmotors 14 und der Leistung der ersten Elektromaschine 26 bzw. dem Starter-Generator entspricht. Aufgrund der geringen Mehrkosten einer Auslegung der ersten Elektromaschine 26 auf die Leistung des However, internal combustion engine 14 serve, the internal combustion engine 14 can also be started by providing the optional mechanical coupling 82 by closing the unillustrated switchable clutch by removing a torque from the drive wheel 46 while the vehicle is running. If the optional mechanical drive 82 is provided between the power unit 15 and the drive wheel 46, the first electric machine 26 can be designed for a lower power of, for example, 15 kW or less or can be replaced by a conventional starter motor or starter-generator in order to reduce space, Reduce weight and component costs. In this case, it is preferable to operate the internal combustion engine 14 only or at least predominantly while the vehicle is running, if at least predominantly a power can be output to the drive wheel 46 which corresponds to the difference between the power of the internal combustion engine 14 and the power of the first electric machine 26 or corresponds to the starter generator. Due to the low additional cost of a design of the first electric machine 26 on the performance of
Verbrennungsmotors 14 wird dies zwar nicht bevorzugt, soll jedoch Internal combustion engine 14 is not preferred, but is intended
erfindungsgemäß mit umfasst sein. Gemäß einer besonders bevorzugten Variante kann vorgesehen sein, dass der erste mechanische Antrieb 48 zwischen dem Verbrennungsmotor 14 und der ersten Elektromaschine 26 eine nicht gezeigte erste schaltbare Kupplung sowie der erster Elektromaschine 26 und dem Antriebsrad 46 befindliche sechste mechanische Antrieb 82 eine nicht gezeigte zweite schaltbare Kupplung beinhalten. Hierdurch kann der Verbrennungsmotor 14 durch Schließen der ersten Kupplung und Öffnen der zweiten Kupplung zusammen mit der ersten Elektromaschine 26 als be included according to the invention. According to a particularly preferred variant, it can be provided that the first mechanical drive 48 between the internal combustion engine 14 and the first electric machine 26 is a first shiftable clutch, not shown, and the sixth electric drive 82, which is the first electric machine 26 and the drive wheel 46, a second shiftable clutch, not shown include. This allows the internal combustion engine 14 by closing the first clutch and opening the second clutch together with the first electric machine 26 as
Stromaggregat 15 ohne mechanische Verbindung des Verbrennungsmotors 14 zu den Antriebsrädern 46 verwendet werden. Durch Öffnen der ersten Kupplung und Schließen der zweiten Kupplung kann die erste Elektromaschine 26 bei Generator 15 are used without mechanical connection of the engine 14 to the drive wheels 46. By opening the first clutch and closing the second clutch, the first electric machine 26 at
abgeschaltetem Verbrennungsmotor 14 über den sechsten mechanischen Antrieb 82 auch als eine Antriebs-Elektromaschine 44 arbeiten. switched off internal combustion engine 14 via the sixth mechanical drive 82 also work as a drive electric machine 44.
Durch diese doppelte Nutzbarkeit der ersten Elektromaschine 26 kann By this double usability of the first electric machine 26 can
entsprechend Gewicht und Bauraum für die Antriebs-Elektromaschinen 44 eingespart werden. Bei entsprechender Dimensionierung der ersten be saved according to weight and space for the drive electric machines 44. With appropriate dimensioning of the first
Elektromaschine 26 kann diese den oder die Antriebs-Elektromaschine(n) 44 der zugeordneten Achse, insbesondere der Hinterachse, vollständig ersetzen bzw. deren Funktion mit übernehmen. Zudem ergibt sich durch die bevorzugt auf die Leistung des Verbrennungsmotors 14 ausgelegte erste Elektromaschine 26 der Vorteil, mehrere Antriebselektromaschinen 44,26 unterschiedlicher Leistung für ein angetriebenes Rad bzw. die angetriebenen Räder 46 einer Achse vorzusehen zu können, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Antriebs-Elektromotoren 44 bzw. 26 durch eine entsprechend den jeweiligen Wirkungsgraden für die jeweiligen Electric machine 26, this or the drive electric machine (s) 44 of the associated axle, in particular the rear axle, completely replace or take over their function with. In addition, the first electric machine 26, which is preferably designed for the power of the internal combustion engine 14, has the advantage of being able to provide a plurality of drive electric machines 44, 26 of different power for a driven wheel or the driven wheels 46 of an axle, as a result of which the overall efficiency of the drive electric motors 44 or 26 by a corresponding to the respective efficiencies for the respective
Leistungen verbesserte und bevorzugt optimale Verteilung auf verschiedene Antriebsmaschinen 44, 26 optimiert werden kann. Weiter ist es möglich, bei Betrieb des Verbrennungsmotors 14 beide Kupplungen zu schließen und die erste Elektromaschine 26 entweder generatorisch zu betreiben, um nicht für den Fahrzeugantrieb benötigte Energie abzunehmen, in elektrische Energie umzuwandeln und im Elektroschwungrad 43 und/oder der Batterie 34 zu speichern. Die erste Elektromaschine 26 kann auch motorisch betrieben werden, um eine zusätzliche mechanische Leistung an die Antriebsräder 46 abzugeben. Bei Vorsehen des Stromaggregats 15 im Heck des Fahrzeugs wäre es beispielsweise möglich, eine schaltbar mit der hinteren Achse koppelbare erste Elektromaschine 26 mit in diesem Beispiel ca. 25 kW Dauerleistung mit einer weiteren auf diese Achse bzw. ihre Antriebsräder 46 wirkverbundenen Antriebs-Elektromaschine 44 mit ca. 15 kW Leistung zu kombinieren, wodurch auch geringe Antriebsleistungen stets durch eine Elektromaschine 26, 44 in einem Lastbereich mit gutem Wirkungsgrad aufgebracht bzw. rekuperiert werden können. Achievements improved and preferably optimal distribution to different drive machines 44, 26 can be optimized. Further, it is possible to close both clutches during operation of the internal combustion engine 14 and to operate the first electric machine 26 either as a generator, to reduce energy not required for the vehicle drive, to convert it into electrical energy and to store it in the electric flywheel 43 and / or the battery 34. The first electric machine 26 may also be operated by a motor to deliver additional mechanical power to the drive wheels 46. With the provision of the power unit 15 in the rear of the vehicle, it would be possible, for example, a switchable with the rear axle first electric machine 26 with in this example about 25 kW continuous power with another on this axis or their drive wheels 46 operatively connected drive electric machine 44 To combine 15 kW power, whereby even low drive power can always be applied or recuperated by an electric machine 26, 44 in a load range with good efficiency.
Energetisch noch vorteilhafter ist es, wenn die auf die Hinterachse wirkende Antriebs-Elektromaschine 44 durch zwei auf die Hinterräder wirkende It is even more energetically advantageous if the drive electric machine 44 acting on the rear axle acts by two wheels acting on the rear wheels
Radnabenmotoren 44 bzw. 45 mit je z.B. 7,5 oder 10 kW ersetzt wird, da dann sehr geringe Antriebsleistungen oder Bremsleistungen, wie sie z.B. bei Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit oder sehr geringer Beschleunigung oder Verzögerung im Stadtverkehr häufig auftreten, durch Betrieb nur eines Radnabenmotors in einem Bereich guten Wirkungsgrades bereitgestellt werden können. Derart geringe Antriebsleistungen können ohne nennenswerte negative Auswirkungen auf das Fahrverhalten auch asymmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Fahrzeugs wirken, zumal die Asymmetrie bei Bedarf jederzeit aufgehoben werden kann. Wheel hub motors 44 and 45, each with eg 7.5 or 10 kW is replaced, since then very low power or braking performance, as they often occur when driving at a constant speed or very low acceleration or deceleration in city traffic, by operating only a wheel hub motor a range of good efficiency can be provided. Such low power outputs can without significant negative impact on the Driving behavior also act asymmetrically with respect to the longitudinal axis of the vehicle, especially since the asymmetry can be lifted at any time if needed.
Für eine sinnvolle mechanische Koppelung des Verbrennungsmotors 14 mit den Antriebsrädern 46 bei geschlossener erster und zweiter Kupplung ist im Bereich des ersten oder sechsten mechanischen Antriebs 48, 82 üblicher Weise ein Getriebe mit stufenloser oder gestufter Übersetzung vorzusehen, wodurch ein erheblicher Aufwand in Bezug auf Kosten, Gewicht und Bauraum und durch den Wirkungsgrad des Getriebes eine Verringerung des Gesamtwirkungsrades bedingt werden. For a meaningful mechanical coupling of the internal combustion engine 14 with the drive wheels 46 with the first and second clutches closed, a transmission with stepless or stepped transmission is to be provided in the area of the first or sixth mechanical drive 48, 82, resulting in a considerable expenditure in terms of costs, Weight and space and due to the efficiency of the transmission, a reduction in the total efficiency.
Aufgrund der hier vorgestellten Ausgestaltung des Antriebskonzeptes ist es jedoch ausreichend, wenn die Leistung des Verbrennungsmotors 14 bei relativ hohen Geschwindigkeiten und damit relativ hohen, über längere Zeiträume benötigten Antriebsleistungen mechanisch mit den Antriebsrädern 46 gekoppelt werden kann. Daher kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass diese mechanische Koppelung des Verbrennungsmotors 14 mit Antriebsrädern 46 bei geschlossener erster und zweiter Kupplung zum Antrieb des Fahrzeugs ausschließlich für einen oberen However, because of the embodiment of the drive concept presented here, it is sufficient if the power of the internal combustion engine 14 can be mechanically coupled to the drive wheels 46 at relatively high speeds and thus relatively high drive powers required over relatively long periods of time. Therefore, it can be advantageously provided that this mechanical coupling of the engine 14 with drive wheels 46 with closed first and second clutch for driving the vehicle exclusively for an upper
Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs vorgesehen wird. Dies ermöglicht es, den Verbrennungsmotor 14 entweder durch eine sehr einfache und reibungsarme Getriebestufe mit fester Übersetzung oder allenfalls ein Getriebe mit zwei festen Übersetzungen bzw. ein stufenlos-variables Getriebe mit entsprechend geringer Übersetzungsspreizung mit den Antriebsrädern 46 mechanisch zu verbinden. Speed range of the vehicle is provided. This makes it possible to mechanically connect the internal combustion engine 14 to the drive wheels 46 either by a very simple and low-friction gear stage with fixed gear ratio or possibly a gearbox with two fixed ratios or a continuously variable gearbox with correspondingly small ratio spread.
Sofern der verbrauchsoptimale Betriebsbereich des Verbrennungsmotors z.B. eine Spreizung der Drehzahl von Faktor zwei erlaubt, könnte ein auf eine If the consumption-optimal operating range of the internal combustion engine e.g. a spread of speed by factor two could be one on one
Höchstgeschwindigkeit von 200 km/h ausgelegtes Fahrzeug in einem Top speed of 200 km / h designed vehicle in one
Geschwindigkeitsbereich zwischen ca. 100 km/h und 200 km/h mit nur einer festen Übersetzung für den mechanischen Antrieb der Antriebsräder 46 verwendet werden. Durch Entfall des Wechselgetriebes bzw. Auslegung eines Wechselgetriebes auf nur zwei Gänge oder bei stufenlos veränderbarer Übersetzung auf einen relativ kleinen Übersetzungsbereich von maximal ca. Faktor 3 kann der Aufwand für das Wechselgetriebes in Bezug auf Gewicht und Kosten sowie wirkungsgradbedingte Energieverluste des Getriebes vorteilhaft vermieden oder zumindest stark verringert werden. Es sei angemerkt, dass hierdurch auch eine Motorbremsfunktion realisiert werden kann, die auch im Geschwindigkeitsbereich unterhalb der für eine Speed range between about 100 km / h and 200 km / h with only a fixed ratio for the mechanical drive of the drive wheels 46 are used. By eliminating the change gear or design of a transmission to only two gears or continuously variable transmission to a relatively small transmission range of about a factor of about 3, the cost of the gearbox in terms of weight and cost and efficiency-related energy losses of the transmission can be advantageously avoided or at least be greatly reduced. It should be noted that this also realizes an engine braking function which is also in the speed range below the for a
Koppelung für Antriebszwecke notwendigen unteren Fahrzeuggeschwindigkeit einsetzbar ist. Diese wird vorzugsweise nur verwendet, wenn die Batterie 34 und das Elektroschwungrad 43 keine weitere Ladung mehr aufnehmen sollen und kann z.B. bei sehr langen Gefällestrecken eingesetzt werden. Coupling for driving purposes necessary lower vehicle speed can be used. This is preferably used only when the battery 34 and the flywheel 43 are not to receive any further charge and may e.g. be used for very long descents.
Der Begriff„optimaler Arbeitsbereich" schließt ein, dass die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors 14 um z. B. 20 % variierbar ist. Der konkrete Leistungsbereich wird dabei durch die in Kauf genommene prozentuale Verschlechterung des Wirkungsgrades bestimmt, die wie vorstehend beschrieben bis zu 10 % betragen kann, bevorzugt jedoch 5 % nicht bzw. nur in Ausnahmefällen überschreiten sollte. The term "optimal working range" implies that the power output of the internal combustion engine 14 can be varied by, for example, 20%, the concrete power range being determined by the percentage of efficiency degradation accepted, which is as described above up to 10% can, but preferably should not exceed 5% or only in exceptional cases.
Nicht für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte Leistung des Verbrennungsmotors 14, die nicht von der Elektromaschine 26 bzw. dem Starter-Generator Not required for the drive of the vehicle power of the engine 14, not from the electric machine 26 and the starter-generator
aufgenommen werden kann, kann bei sich drehendem Antriebsrad 46 über den mechanischen Antrieb 82 an das Antriebsrad 46 geleitet werden und von diesem durch die Antriebs-Elektromaschine 44 des Radnabenmotors 45 wieder can be recorded, can be passed with the drive wheel 46 rotating via the mechanical drive 82 to the drive wheel 46 and from this by the drive electric machine 44 of the wheel hub motor 45 again
abgenommen und zum Laden des Elektroschwungrades 43 und/oder der Batterie 34 verwendet werden. Bei Stillstand oder sehr geringer Drehgeschwindigkeit des Antriebsrads 46 ist abzuwägen, ob der Verbrennungsmotor 14 vorübergehend gestoppt werden oder vorübergehend in der Leistung gedrosselt und damit ausnahmsweise kurzzeitig außerhalb des optimalen Arbeitsbereiches betrieben werden soll. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Betriebsphase bevorzugt zur Einstellung besonderer Betriebszustände genutzt werden, um beispielsweise eine Erwärmung des Verbrennungsmotors 26 auf eine gewünschte removed and used to charge the electric flywheel 43 and / or the battery 34. At standstill or very low rotational speed of the drive wheel 46 is to weigh whether the engine 14 are temporarily stopped or temporarily throttled in the power and thus exceptionally briefly operated outside the optimal working range. Alternatively or additionally, such an operating phase can preferably be used to set special operating states, for example to heat the internal combustion engine 26 to a desired one
Betriebstemperatur zu beschleunigen, Nutzwärme zur Temperierung eines  Operating temperature to accelerate, useful heat for tempering a
Fahrgastraumes und/oder der Batterie 34 zu erzeugen oder eine Regeneration von Katalysatoren oder Partikelfiltern durchzuführen. Weiter ist vorgesehen, dass die Kapazität der Schwungradanordnung 42 0,75 kWh und die von der Schwungradanordnung 42 bzw. dem Elektroschwungrad 43 abgebbare und aufnehmbare Leistung ca. 100 kW beträgt. Würde der in Figur 1 gezeigte, vierte mechanische Antrieb 54 ergänzt, könnte die Auslegung der zweiten Elektromaschine 40 auf eine Leistung verringert werden, die wenigstens dem zeitlich gemittelten Netto-Leistungsbedarf im Stadt- und Landstraßenverkehr entspricht und hier mit maximal 10 kW angenommen wird. Grob überschlägig kann von einem Gewicht des Elektroschwungrades 43 von ca. 35 kg bei einem Volumen von ca. 25 dm3 ausgegangen werden. Passenger compartment and / or the battery 34 to produce or perform a regeneration of catalysts or particulate filters. It is further provided that the capacity of the flywheel assembly 42 is 0.75 kWh and the output from the flywheel assembly 42 and the electric flywheel 43 and recordable power is about 100 kW. Would that in Figure 1 As shown, fourth mechanical drive 54 added, the design of the second electric machine 40 could be reduced to a power that corresponds to at least the time averaged net power requirements in urban and rural road traffic and is assumed here with a maximum of 10 kW. Roughly rough can be assumed that the weight of the electric flywheel 43 of about 35 kg at a volume of about 25 dm 3 .
Die Batterie 34 weist in diesem Beispiel eine nutzbare Kapazität von 7,5 kWh auf, was bei einem angenommenen nutzbaren SOC-Bereich von 50 % einer nominellen Kapazität der Batterie 34 von 15 kWh entspricht, wobei hier ein auf die nominelle Kapazität bezogener, nutzbarer SOC-Bereich von z. B. 40% bis 90 % zu Grunde gelegt wird. Auf Basis ausgereifter Lithium-Ionen-Batteriezellen kann die Batterie 34 mit ca. 130 kg bei ca. 60 dm3 Bauraum angenommen werden. In den bevorzugten Ausführungsformen sind zwei oder vier Radnabenmotoren 45 mit einer elektrischen Auslegungsleistung von insgesamt 140 KW enthalten, wobei zur Erzielung einer optimalen Rekuperation entweder nur die Räder der The battery 34 has a usable capacity of 7.5 kWh in this example, which corresponds to a nominal capacity of the battery 34 of 15 kWh assuming a useful 50% SOC range, with a usable SOC related to the nominal capacity Range of z. B. 40% to 90% is based. Based on mature lithium-ion battery cells, the battery 34 can be assumed with about 130 kg at about 60 dm 3 space. In the preferred embodiments, two or four wheel hub motors 45 are included with a total electrical design power of 140 KW, to achieve optimal recuperation either only the wheels of the
Vorderachse elektrisch antreibbar sind oder bei einer bevorzugten Ausgestaltung als Vierradantrieb die Leistung ca. im Verhältnis 70:30 zwischen den Antriebsrädern 46 der Vorderachse und der Hinterachse aufgeteilt wird, wodurch sich eine Leistung der beiden vorderen Radnabenmotoren 45 von jeweils ca. 50 kW und der beiden hinteren Radnabenmotoren 45 von jeweils ca. 20 kW ergibt. Dies ermöglicht auch bei geringen Antriebs- und Rekuperationsleistungen einen Betrieb der Front axle are electrically driven or in a preferred embodiment as a four-wheel drive power is divided approximately 70:30 between the drive wheels 46 of the front axle and the rear axle, resulting in a power of the two front wheel hub motors 45 of about 50 kW and the two rear wheel hub motors 45 each of about 20 kW results. This allows for low drive and Rekuperationsleistungen operation of the
Radnabenmotoren und deren Ansteuerungselektronik in einem Bereich guten Wirkungsgrades. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Räder einer Achse durch eine gemeinsame Elektromaschine 44 anzutreiben. Wheel hub motors and their control electronics in a range of good efficiency. Of course, it is also possible to drive the wheels of an axle by a common electric machine 44.
Gegenüber dem gedanklichen Ausgangsfahrzeug kann überschlägig von einem Gewicht der zusätzlichen Komponenten von 130 Kg für die Batterie 34 und 35 kg für das Elektroschwungrad 43 ausgegangen werden. Hinzu kommt das Gewicht der Radnabenmotoren 45 sowie der notwendigen Steuerungseinrichtungen, elektrischen Leistungsverbindungen und weiterer kleiner Komponenten, das mit insgesamt ca. 150 kg angesetzt wird. Compared to the mental starting vehicle can be estimated from a weight of the additional components of 130 kg for the battery 34 and 35 kg for the electric flywheel 43 are assumed. Added to this is the weight of the wheel hub motors 45 and the necessary control devices, electrical power connections and other small components, which is estimated at a total of about 150 kg.
Diesem zusätzlichen Gewicht von insgesamt ca. 315 kg stehen This additional weight of a total of about 315 kg stand
Gewichtseinsparungen durch einen deutlich verkleinerten Verbrennungsmotor 14 und bevorzugt den Entfall des Getriebes, der schaltbaren Reibkupplung und des mechanischen Antriebsstranges 82 zu den Antriebsrädern 46 gegenüber. Weiter kann die Bordnetzbatterie erheblich kleiner auslegt werden oder ganz entfallen sowie ein kleinerer Kraftstofftank und eine verkleinerte Abgasanlage verwendet werden, wodurch sich das Mehrgewicht im Vergleich zum gedanklichen Weight savings by a significantly reduced internal combustion engine 14 and preferably the elimination of the transmission, the shiftable friction clutch and the mechanical drive train 82 to the drive wheels 46 opposite. Next, the on-board battery can be interpreted significantly smaller or completely eliminated and a smaller fuel tank and a smaller exhaust system can be used, resulting in the extra weight compared to the mental
Ausgangsfahrzeug Audi A2 1.2TDI auf ca. 200 kg reduziert. Starting vehicle Audi A2 1.2TDI reduced to approx. 200 kg.
Zusammenfassend ist das Beispielfahrzeug durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet: In summary, the example vehicle is characterized by the following properties:
- 5-türiger Minivan für 4 oder 5 Personen mit ca. 1050 kg Gewicht  - 5-door minivan for 4 or 5 people with about 1050 kg weight
- Verbrennungsmotorischer Antriebsstrang in Form eines Stromaggregats 15 mit einem Diesel-Verbrennungsmotor 14 mit 25 KW Leistung im optimalen Arbeitsbereich und einem zugeordneten Kraftstofftank für beispielsweise 10 Liter Kraftstoff sowie einer ersten Elektromaschine 26 mit ebenfalls ca. 25 kW Leistung  - Internal combustion engine powertrain in the form of a generator 15 with a diesel engine 14 with 25 KW power in the optimal working range and an associated fuel tank for example 10 liters of fuel and a first electric machine 26 also about 25 kW power
- Schwungradbasierter Antriebsstrang mit einem Elektroschwungrad 43 mit 0,75 kWh nutzbarer Kapazität der Schwungradanordnung 42 und 100 kW maximaler Leistung der integrierten Elektromaschine 40, einer Batterie 34 mit 7,5 kWh nutzbarer Kapazität und einem externen Ladeport 38  Flywheel-based powertrain having an electric flywheel 43 with 0.75 kWh of usable capacity of the flywheel assembly 42 and 100 kW of maximum power of the integrated electric machine 40, a battery 34 with 7.5 kWh of usable capacity and an external charging port 38
- Vier Radnabenmotoren 45, wobei die auf die Antriebsräder 46 der  Four wheel hub motors 45, wherein the drive wheels 46 of the
Vorderachse wirkenden Elektromaschinen 44 eine Leistung von jeweils 50 kW und die auf die Antriebsräder 46 der Hinterachse wirkenden  Front axle electric machines 44 have a power of 50 kW and acting on the drive wheels 46 of the rear axle
Elektromaschinen 44 eine Leistung von jeweils 20 kW aufweisen. Es sei angemerkt, dass die Leistungsangabe der ersten Elektromaschine 26 eine Dauerleistung ist, während sich die Leistungsangaben der übrigen  Electric machines 44 have a power of 20 kW each. It should be noted that the power of the first electric machine 26 is a continuous power, while the power specifications of the remaining
Elektromaschinen 40 und 44 sich, sofern Bauraum, Gewicht und Kosten verringert werden sollen, auch auf Spitzenleistungen beziehen können, die über Zeiträume aufgebracht werden können, die sich aus sich aus den Anforderungsprofilen des konkreten Fahrzeugs ergeben aber zumindest ca. 10 Sekunden, bevorzugt wenigstens 20 - 30 Sekunden betragen sollten. Die Dauerleistungen können bei Bedarf bis zu ca. 50 % niedriger gewählt werden, wodurch sich eine Dauerleistung der Elektromaschine 40 des Elektroschwungrades 43 von minimal 50 kW und eine Gesamtleistung der Radnabenmotoren 45 von minimal ca. 70 kW ergeben. Electric machines 40 and 44, as far as space, weight and costs are reduced should also be able to relate to excellence that can be applied over periods of time that arise from the requirement profiles of the specific vehicle but should be at least about 10 seconds, preferably at least 20-30 seconds. The continuous power can be selected as needed up to about 50% lower, resulting in a continuous power of the electric machine 40 of the electric flywheel 43 of at least 50 kW and a total output of the wheel hub motors 45 of a minimum of about 70 kW.
Durch diese erfindungsgemäße Dimensionierung der Komponenten entsteht ein Fahrzeug, welches This inventive dimensioning of the components creates a vehicle which
- eine Dauerhöchstgeschwindigkeit von 130 km/h unter ausschließlicher Nutzung des Verbrennungsmotors 14 aufweist,  has a maximum continuous speed of 130 km / h with the exclusive use of the internal combustion engine 14,
- Bei ausreichendem SOC der Batterie 34 eine erweiterte  - With sufficient SOC of the battery 34 an extended
Dauerhöchstgeschwindigkeit von ca. 170 km/h aufweist,  Has a maximum speed of about 170 km / h,
- eine maximale dynamische Antriebsleistung von 140 KW aufweist, wobei das Stromaggregat 15 ca. 25 kW und das Elektroschwungrad 43 ca. 100 kW Leistung bereitstellen können und die zu 140 KW fehlenden 15 KW bei Bedarf aus der Batterie 34 entnommen werden können,  has a maximum dynamic drive power of 140 KW, wherein the power unit 15 about 25 kW and the flywheel 43 can provide about 100 kW of power and the 140 KW missing 15 KW can be removed if necessary from the battery 34,
- bei voll geladener Batterie 34 und einem angenommenen durchschnittlichen Leistungsbedarf unter Berücksichtigung weitgehend vollständiger  - With fully charged battery 34 and an assumed average power requirement, taking into account largely complete
Rekuperation von 7,5 kW eine lokal emissionsfreie Fahrzeit von ca. einer Stunde aufweist,  Recuperation of 7.5 kW has a locally emission-free travel time of about one hour,
- die Batterie 34 aufgrund der im Normalbetrieb lediglich zur Nachladung der Schwungradanordnung 42 bzw. des Elektroschwungrades 43 benötigten Leistung von ca. 5 bis 10 kW sehr schonend und mit zeitlich weitgehend konstantem Strom entladen werden kann, was deren Lebensdauer erheblich verlängert, Temperierungsprobleme weitgehend vermeidet und ggf. eine Erweiterung des nutzbaren SOC-Bereiches ermöglicht,  - The battery 34 due to the required only in normal operation for recharging the flywheel 42 and the electric flywheel 43 power of about 5 to 10 kW can be discharged very gently and with temporally largely constant current, which significantly extends their life, largely avoids Temperierungsprobleme and possibly an extension of the usable SOC range allows
- durch die hohe maximale Rekuperationseingangsleistung von 140 kW durch die Radnabenmotoren 45 in nahezu allen Betriebszuständen eine weitgehend vollständige Rekuperation ermöglicht, - eine weitgehend freie Platzierung und Anordnung des Stromaggregates 15, der Batterie 34 und des Elektroschwungrades 43 im Fahrzeug erlaubt,- Due to the high maximum recuperation input power of 140 kW by the wheel hub motors 45 in almost all operating states allows a largely complete recuperation, allows a largely free placement and arrangement of the generator 15, the battery 34 and the flywheel 43 in the vehicle,
- bei geeigneter Auslegung auf große Teile des bisher notwendigen - With a suitable design for large parts of the previously necessary
Aufwandes für eine herkömmliche Bremsanlage verzichten kann.  Can spend effort for a conventional brake system.
Diese Fahrleistungen sind im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass Leistung und maximaler Energieinhalt des Elektroschwungrades 43 so bemessen werden, dass in nahezu allen Betriebszuständen dessen volle Leistung von 100 kW für den Antrieb zur Verfügung steht oder aus dem Antrieb in das Elektroschwungrad 43 rekuperiert werden kann, während die Batterie 34 im Wesentlichen nur für das Nachladen des Elektroschwungrades 43 zum Ausgleich unvermeidlicher This performance is mainly due to the fact that power and maximum energy content of the electric flywheel 43 are dimensioned so that in almost all operating conditions whose full power of 100 kW for the drive is available or can be recuperated from the drive in the electric flywheel 43, while the battery 34 substantially only for the recharging of the electric flywheel 43 to compensate unavoidable
Energieverluste durch Luftwiderstand und Reibung sowie ggf. für den Betrieb von Nebenaggregaten verwendet wird und der Verbrennungsmotor 14 so bemessen ist, dass er bei langen Fahrten bzw. weitgehend entladener Batterie 14 eine für den Ausgleich dieser Verluste bei einer gewünschten Dauerhöchstgeschwindigkeit ausreichende Leistung aufweist, und bei geringeren für den Antrieb des Fahrzeugs angeforderten Leistungen ein Nachladen der Batterie 34 und des Energy losses due to air resistance and friction and possibly for the operation of ancillaries is used and the engine 14 is dimensioned so that it has sufficient for the compensation of these losses at a desired maximum steady-speed performance during long trips or largely discharged battery 14, and at lower powers required for the propulsion of the vehicle recharge the battery 34 and the
Elektroschwungrades 43 ermöglicht. Erst durch die relative Auslegung der Komponenten zueinander wird ein Fahrzeug ermöglicht, welches bei exzellenten dynamischen Fahrleistungen für kürzere, von der nutzbaren Kapazität und dem SOC der Batterie 34 abhängenden Strecken von bis zu ca. 100 km als Schwungrad-Elektrofahrzeug lokal emissionsfrei betreibbar ist und sich gleichzeitig auch für Langstreckenfahrten ohne Einschränkungen eignet. Selbstverständlich kann die nutzbare Kapazität der Batterie 34 bei Bedarf größer oder kleiner gewählt werden, wenn eine größere lokal emissionsfreie Reichweite realisiert werden soll bzw. bzw. eine geringere für ausreichend gehalten wird. Bei einer Verkleinerung der Batterie 34 ist jedoch zu beachten, dass diese so groß ausgelegt werden soll, dass die positiven Effekte einer geringen spezifischen Be- und Entladeleistung C erhalten bleiben und bevorzugt weitestgehend unterhalb von 2 C, bevorzugt unterhalb von 1 ,5 C und besonders bevorzugt im Normalbetrieb (entsprechend NEFZ Fahrzyklus bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor) unterhalb von 1 C liegen. Electric flywheel 43 allows. Only by the relative design of the components to each other a vehicle is possible, which is locally emission-free operable with excellent dynamic performance for shorter, dependent on the usable capacity and the SOC of the battery 34 routes of up to about 100 km as a flywheel electric vehicle and at the same time also suitable for long-distance journeys without restrictions. Of course, the usable capacity of the battery 34 can be selected larger or smaller if required, if a larger locally emission-free range should be realized or a lower is considered sufficient. With a reduction of the battery 34, however, it should be noted that it should be designed so large that the positive effects of a low specific loading and unloading capacity C are maintained and preferably largely below 2 C, preferably below 1, 5 C and especially preferably in normal operation (according to NEDC driving cycle when the internal combustion engine is switched off) are below 1 ° C.
Nachfolgend werden mit Bezug zu Figur 3 gemeinsam mit Fig. 2 wesentliche Betriebszustände und Betriebsweisen des Beispielfahrzeugs und deren wesentliche Vorteile erläutert, die sich aus der vorteilhaften Dimensionierung der Komponenten ergeben. In the following, with reference to FIG. 3, together with FIG. 2, essential operating states and modes of operation of the example vehicle and their essential advantages will be explained, which result from the advantageous dimensioning of the components.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm, aus denen die wesentlichen Schritte für den Kaltstart des Fahrzeugs, den Warmstart und den Normalbetrieb des Fahrzeugs im Schwungradmodus, bei erweiterter Dauerhöchstgeschwindigkeit, im Range- Externder- und im Boost-Modus dargestellt sind, wobei die wesentlichen logischen Schritte aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne ggf. erforderliche oder sinnvolle Zwischenschritte dargestellt sind, die der Fachmann bei Bedarf entsprechend der konkreten Ausgestaltung des Fahrzeugs und dessen Auslegungskriterien ergänzen wird. FIG. 3 is a flowchart showing the essential steps for the cold start of the vehicle, the warm start and the normal operation of the vehicle in the flywheel mode, at the extended maximum speed, in the range external and in the boost mode, the essential logical steps For reasons of clarity are presented without possibly necessary or meaningful intermediate steps that will complement the expert as needed according to the specific design of the vehicle and its design criteria.
Das Flussdiagramm geht in Schritt S1 von einem Kaltstart des stehenden The flowchart goes from a cold start of the standing in step S1
Fahrzeugs mit abgeschaltetem Verbrennungsmotor 14 und einem sehr geringen SOC des Elektroschwungrades 43 aus. Anschließend wird in Schritt S2 ermittelt, ob der Zustand der Batterie 34 ausreichend ist, damit sie eine Leistung P1 abgeben kann, die größer ist als eine Mindestleistung Pminl . Diese ist notwendig, um den Verbrennungsmotor 14 mittels der ersten Elektromaschine 26 durch direkt aus der Batterie 34 entnommene Leistung zu starten. Dazu wird der Betriebszustand der Batterie anhand verschiedener Parameter ermittelt, wie insbesondere, der SOC der Batterie 34, deren Temperatur oder deren SOH. Weiterhin wird bevorzugterweise auch die Alterung der Batterie 34 berücksichtigt. Pminl kann dabei eine festgelegte Leistung sein, die auch unter ungünstigen Bedingungen für einen sicheren Start des Verbrennungsmotors 14 ausreichend ist. Bei Bedarf kann Pminl jedoch auch unter Berücksichtigung von Parametern wie beispielsweise der Außentemperatur, der Motoröltemperatur oder historischen, für den Start des Verbrennungsmotors ermittelten Leistungswerten bestimmt werden. Ist der Batteriezustand nicht ausreichend (P1 < Pminl) , wird zunächst das Vehicle with switched off internal combustion engine 14 and a very low SOC of the electric flywheel 43 from. Subsequently, in step S2, it is determined whether the condition of the battery 34 is sufficient to deliver a power P1 which is greater than a minimum power Pminl. This is necessary in order to start the internal combustion engine 14 by means of the first electric machine 26 by power drawn directly from the battery 34. For this purpose, the operating state of the battery is determined by means of various parameters, in particular, the SOC of the battery 34, its temperature or its SOH. Furthermore, the aging of the battery 34 is also preferably taken into account. Pminl can be a specified power, which is sufficient even under unfavorable conditions for a safe start of the engine 14. If necessary, however, Pminl may also be determined taking into account parameters such as the outside temperature, the engine oil temperature, or historical power values determined for the start of the internal combustion engine. If the battery condition is insufficient (P1 <Pminl), the
Elektroschwungrad 43 in Schritt S3 mit einer geringen Leistung aus der Batterie 34 auf einen zum anschließenden Starten des Verbrennungsmotors 14 ausreichenden SOCminl beschleunigt und anschließend in Schritt S4 der Verbrennungsmotor 14 mit aus dem Elektroschwungrad 43 entnommener Energie durch die erste Electric flywheel 43 accelerates in step S3 with a low power from the battery 34 to a subsequent start of the engine 14 sufficient SOCminl and then in step S4, the internal combustion engine 14 with removed from the flywheel 43 energy through the first
Elektromaschine 26 gestartet. Die aus der Batterie 34 in das Elektroschwungrad 43 übertragene Leistung kann dabei wiederum in Abhängigkeit von den vorgenannten Parametern der Batterie so gewählt werden, dass diese zumindest nicht dauerhaft geschädigt wird. Die Leistung kann bei einer sehr stark gealterten, teildefekten, fast vollständig entladenen oder sehr kalten Batterie 34 sehr gering sein und im Extremfall nur einige 10 Watt betragen. Da diese Leistung im Elektroschwungrad 43 gesammelt wird, steht dennoch nach einigen Sekunden und spätestens nach wenigen Minuten im Elektroschwungrad 43 eine ausreichende Energiemenge zur Verfügung, um den Verbrennungsmotor mit der benötigten hohen Leistung sicher starten zu können. Das Fahrzeug ist damit fahrbereit. Somit steht jetzt die Leistung des Verbrennungsmotors 14 zur Verfügung, die im bevorzugten Electric machine 26 started. The transmitted from the battery 34 in the electric flywheel 43 power can in turn be selected depending on the aforementioned parameters of the battery so that it is at least not permanently damaged. The power can be very low in a very aged, partially defective, almost completely discharged or very cold battery 34 and in extreme cases only a few 10 watts. Since this power is collected in the electric flywheel 43, a sufficient amount of energy is still available after a few seconds and at the latest after a few minutes in the electric flywheel 43 in order to safely start the internal combustion engine with the required high power. The vehicle is ready to go. Thus, the power of the internal combustion engine 14 is now available, which in the preferred
Ausführungsbeispiel 25 kW beträgt. Nicht zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Energie wird in Schritt S5 verwendet, um das Elektroschwungrad 43 weiter zu beschleunigen und/oder die Batterie 34 zu laden und/oder zu beheizen, solange diese ihre optimalen SOCs bzw. ihre Embodiment 25 kW. Energy not required to drive the vehicle is used in step S5 to further accelerate the flywheel 43 and / or to charge and / or heat the battery 34 as long as they have their optimum SOCs
Arbeitstemperatur noch nicht erreicht haben oder bis der Betrieb des Working temperature has not yet reached or until the operation of the
Verbrennungsmotors durch einen Befehl des Fahrers oder einer Einrichtung des Fahrzeugs beendet wird. Internal combustion engine is stopped by a command of the driver or a device of the vehicle.
Ergibt die Abfrage in S2, dass der Batteriezustand ausreichend ist, um die nötige Leistung zu liefern (P1 > Pminl), wird in Schritt S6 zunächst überprüft, ob eine explizite Anforderung für einen Betrieb des Fahrzeugs im verbrennungsmotorischen Modus vorliegt oder ob die Batterie 34 einen SOC, SOH oder eine If the query in S2 indicates that the battery condition is sufficient to deliver the required power (P1> Pminl), it is first checked in step S6 whether there is an explicit request for operation of the vehicle in the engine-powered mode or if the battery 34 has a SOC, SOH or one
Batterietemperatur aufweist, die ein Starten des Fahrzeugs in einem Battery temperature, which is a starting of the vehicle in one
Schwungradmodus nicht erlauben oder nicht wünschenswert erscheinen lassen. Falls dies der Fall ist (Ja in Schritt S6), wird zu Schritt S7 übergegangen und der Verbrennungsmotor 14 mit aus der Batterie 34 entnommener Leistung durch die erste Elektromaschine 26 gestartet und das Fahrzeug befindet sich im vorstehend beschriebenen, fahrbereiten Zustand des Schrittes S5. Do not allow flywheel mode or make it appear desirable. If so (Yes in step S6), it goes to step S7 and the engine 14 is started with the power taken out of the battery 34 by the first electric machine 26, and the vehicle is in the above-described running state of step S5.
Im Normalfall sind der SOC der Batterie 34, deren Alterungs- und Normally, the SOC of the battery 34, its aging and
Gesundheitszustand (State Of Health, SOH) und deren Temperatur jedoch ausreichend, um eine für den Start des Fahrzeugs im Schwungradmodus ausreichende Entladeleistung und Energiemenge bereitzustellen. Sofern in Schritt S6 keine explizite Anforderung für einen Betrieb des Fahrzeugs im State of health (SOH) and its temperature, however, sufficient to provide sufficient for the start of the vehicle in flywheel mode discharge capacity and amount of energy. If in step S6 no explicit requirement for operation of the vehicle in
verbrennungsmotorischen Modus vorliegt, wird die Abfrage des Schrittes S6 im Normalbetrieb des Fahrzeugs daher meist mit„Nein" beantwortet und es erfolgt ein Sprung zu Schritt S8. Ist dies der Fall, wird in Schritt S9 entschieden, ob die aus der Batterie 34 entnehmbare Leistung P mindestens gleich Pmin2 ist (P =; Pmin2), wobei Pminl < Pmin2 gilt und Pmin2 einer möglichen Entladeleistung der Batterie 34 entspricht, die einen unmittelbaren Antrieb des Fahrzeugs durch aus der Batterie entnommener Energie ermöglicht, wie unten in den Schritten S 12 und S 13 beschrieben. Therefore, in the normal mode of operation of the vehicle, the query of step S6 is usually answered with "no" and a jump is made to step S8, If so, it is decided in step S9 whether the power P removable from the battery 34 can be determined is at least equal to Pmin2 (P =; Pmin2), where Pminl <Pmin2 and Pmin2 corresponds to a possible discharge power of the battery 34, which allows direct drive of the vehicle by energy removed from the battery, as in steps S12 and S13 below described.
Ist die aus der Batterie 34 entnehmbare Leistung P geringer als Pmin2, If the power P removable from the battery 34 is less than Pmin2,
beispielsweise 20 kW, wird in Schritt S 10 zunächst das Elektroschwungrad 43 mittels aus der Batterie 34 entnommener Energie auf einen für den Beginn des Fahrbetriebs ausreichenden SOCmin2 aufgeladen. Dies kann bei einer ausreichend geladenen Batterie 34 bei sehr niedriger Batterietemperatur der Fall sein, bei der die Entnahmeleistung der Batterie 34 auf zunächst wenige kW begrenzt werden soll, um deren Alterung gering zu halten. Mit Nutzung der Batterie 34 und ggf. For example, 20 kW, the electric flywheel 43 is first charged in step S 10 by means of the battery 34 removed energy to a sufficient for the start of driving SOCmin2. This may be the case for a sufficiently charged battery 34 at a very low battery temperature, at which the removal power of the battery 34 is initially limited to a few kW in order to keep their aging low. With use of the battery 34 and possibly
zusätzlicher Beheizung erhöht sich deren Leistungsfähigkeit in kurzer Zeit. Eine maximale anfängliche Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs von weniger als z.B. 20 kW soll jedoch aus Gründen der Verkehrssicherheit vermieden werden und würde dem Fahrer zudem ein unangenehmes Fahrgefühl vermitteln. Der SOCmin2 des Elektroschwungrades 43 kann dabei fest vorgegeben sein oder bevorzugt auf Grundlage der aus der Batterie 34 entnehmbaren Leistung und einer Einschätzung der Erhöhung dieser Leistung auf Grundlage weiterer additional heating increases their performance in a short time. However, a maximum initial power for driving the vehicle of less than, for example, 20 kW should be avoided for reasons of traffic safety and would also give the driver an unpleasant driving experience. The SOCmin2 of the electric flywheel 43 may be fixed or preferably based on the power that can be taken from the battery 34 and an estimate of the increase in this power on the basis of others
Batterieparameter, insbesondere SOC, SOH und Batterietemperatur variabel festgelegt werden. Bei sehr kalter Batterie 34 oder einer aus der Batterie aus anderen Gründen für den Fahrzeugantrieb entnehmbaren Leistung von z.B. Battery parameters, in particular SOC, SOH and battery temperature can be set variably. For very cold battery 34 or a power removable from the battery for other reasons, e.g.
maximal nur 5 kW sollte der vor Fahrtantritt erreichte SOC des a maximum of only 5 kW should be the SOC achieved before departure
Elektroschwungrades 43 beispielsweise erheblich höher sein, als bei einer aus der Batterie 34 entnehmbaren Leistung von 10 KW, da die Nachladeleistung der Batterie 34 in das Elektroschwungrad 43 in den ersten Minuten der Fahrt im erstgenannten Fall mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht ausreichend sein wird, um die Energieverluste des Fahrzeugs auszugleichen. Selbstverständlich sind auch aufwändigere Berechnungen des SOCmin2 des Elektroschwungrades 43 unter Einbeziehung z.B. einer in Kauf genommenen Alterung der Batterie 34, der Außentemperatur sowie einer möglichen Heizleistung zur Erwärmung der Batterie 34, eines Batteriemodells, einer Vorhersage über das zu befahrende Streckenprofil und weiterer Einflussfaktoren denkbar und sinnvoll. Electro flywheel 43, for example, be considerably higher than a removable from the battery 34 power of 10 KW, since the Nachladeleistung the battery 34 in the electric flywheel 43 in the first few minutes of driving in the former case is likely to be insufficient to the energy losses of the vehicle. Of course, more complex calculations of the SOCmin2 of the electric flywheel 43 using e.g. an accepted aging of the battery 34, the outside temperature and a possible heating power for heating the battery 34, a battery model, a prediction of the route profile to be traveled and other influencing factors conceivable and useful.
Mit Erreichen des SOCmin2 des Elektroschwungrades 43 am Ende von Schritt S10 wird zu Schritt S1 1 übergegangen, in dem das Fahrzeug im Schwungradmodus fahrbereit ist. In diesem Zustand steht die gesamte durch das Elektroschwungrad abgebbare Leistung von 100 KW, ggf. abzüglich des Leistungsbedarfs von Upon reaching the SOCmin2 of the flywheel 43 at the end of step S10, step S1 is proceeded to, in which the vehicle is ready to run in flywheel mode. In this condition, the total output of the electric flywheel of 100 KW, if necessary minus the power requirement of
Nebenaggregaten, für den Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung. Es sei angemerkt, dass die bis zur Fahrbereitschaft des Fahrzeugs für das Aufladen des Elektroschwungrades 43 benötigte Zeitspanne sich aus Sicht des Fahrers verkürzen lässt, indem der Beginn des Ladens des Elektroschwungrades 43 beispielsweise bereits bei einer Entriegelung der Fahrzeugtüren, ggf. über eine spezielle Taste, oder bei Annäherung an die Fahrertür mit einem Transponder oder durch eine zeitliche Vorwahl eingeleitet wird. Zur Erhöhung der Zufriedenheit der Nutzer ist es sinnvoll, diesen eine Information über die verbleibende Zeit bis zur Fahrbereitschaft, beispielsweise in Form eines Countdowns einer optischen Anzeige, z.B. durch eine Balkenanzeige, zu geben, wodurch diese eine qualifizierte Entscheidung treffen können, ob sie auf die Fahrbereitschaft im Schwungradmodus warten wollen oder die sofortige Fahrbereitschaft durch eine manuelle Anforderung des verbrennungsmotorischen Modus bevorzugen, was zu einem in der Figur nicht dargestellten Wechsel zu Schritt S7 oder S3 führen würde. Ancillaries, available for propulsion of the vehicle. It should be noted that the time required for the vehicle to be ready for charging the electric flywheel 43 can be shortened from the driver's point of view by the beginning of the charging of the electric flywheel 43, for example already at a release of the vehicle doors, possibly via a special button, or is initiated when approaching the driver's door with a transponder or by a time code. To increase the satisfaction of the users, it makes sense to provide them with information about the remaining time until they are ready to drive, for example in the form of a countdown of an optical drive Display, eg by a bar graph, so that they can make a qualified decision whether they want to wait for the readiness to fly in flywheel mode or prefer immediate driving readiness by a manual request of the internal combustion engine mode, resulting in a change not shown in the figure Step S7 or S3 would lead.
Wird in Schritt S9 entschieden, dass die Entnahme einer hohen Entladeleistung von wenigstens Pmin2 (bevorzugt wenigstens z.B. 20 kW) aus der Batterie für den Antrieb des Fahrzeugs möglich ist und ein verbrennungsmotorischer Modus nicht explizit gewählt wurde, wird zu Schritt S 12 übergegangen. In diesem Fall kann auf das Aufladen des Elektroschwungrades 43 auf einen SOC von SOCmin2 und die damit verbundene Wartezeit verzichtet werden. Die Batterie 34 kann hier in Schritt S12 eine für den Antritt der Fahrt ausreichende bzw. akzeptable Leistung für den Antrieb der Radnabenmotoren 45 von in diesem Beispiel ca. 20 kW direkt bereitstellen. Das Fahrzeug ist damit unmittelbar betriebsbereit, wenn auch anfangs nur mit einer geringen maximalen Leistung, die der durch die Batterie 34 If it is decided in step S9 that it is possible to extract a high discharge power of at least Pmin2 (preferably at least, for example, 20 kW) from the battery for driving the vehicle and an engine mode has not been explicitly selected, step S12 is proceeded to. In this case, the charging of the electric flywheel 43 to a SOC of SOCmin2 and the associated waiting time can be dispensed with. The battery 34 can provide a sufficient or acceptable power for the drive of the wheel hub motors 45 of approximately 20 kW in this example in step S12. The vehicle is thus ready for immediate operation, although initially only with a low maximum power, that of the battery 34th
abgebbaren Leistung, abzüglich der Leistung der Nebenaggregate entspricht. deliverable power, less the power of the ancillaries corresponds.
Sobald für den Antrieb des Fahrzeugs eine geringere als die aus der Batterie 34 unter Berücksichtigung von SOC, SOH und Batterietemperatur maximal As soon as possible for driving the vehicle a lower than that from the battery 34, taking into account SOC, SOH and battery temperature maximum
entnehmbare Leistung abgerufen wird, wird in Schritt S13 in Abhängigkeit vom Zustand der Batterie 34, insbesondere deren SOC, SOH und Temperatur, entweder der SOC des Schwungrades erhöht und/oder die Entnahmeleistung aus der Batterie verringert, um deren Alterung zu minimieren. is obtained in step S13, depending on the state of the battery 34, in particular their SOC, SOH and temperature, either the SOC of the flywheel and / or the withdrawal power from the battery is reduced to minimize their aging.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Batterie 34 bei Durchführung des Schrittes S13 und ggf. und in geringerem Maße bei Durchführung des nachfolgend erläuterten Schrittes S14 für kurze Zeiträume mit einem höheren Entladestrom als 1 C belastet werden kann. It should be noted that the battery 34 when performing step S13 and possibly and to a lesser extent when carrying out the step S14 explained below for short periods of time with a higher discharge current than 1 C can be charged.
Ausgehend von einer nominellen Batteriekapazität von 15 kWh des Starting from a nominal battery capacity of 15 kWh of
Beispielfahrzeugs kann bei dafür geeigneten Batteriezuständen, insbesondere Batterietemperatur und SOH beispielsweise kurzzeitig eine maximale Example vehicle can, for suitable battery conditions, in particular Battery temperature and SOH briefly, for example, a maximum
Entladeleistung der Batterie von 1 ,5 C freigegeben werden. Da das Fahrzeug zu Beginn steht, ermöglicht dies auch bei anfangs vollständig entladenem Discharge capacity of the battery of 1, 5 C are released. Since the vehicle is at the beginning, this also allows for completely unloaded at first
Elektroschwungrad 43 eine sofortige Bereitstellung einer Fahrleistung, die aus Sicht eines Fahrers für Ausparkvorgänge oder das Fahren von einem Parkplatz nicht als eingeschränkt wahrgenommen wird und auch für eine Beschleunigung im Electric flywheel 43 an immediate provision of a driving performance, which is not perceived as restricted from the perspective of a driver for Ausparkvorgänge or driving from a parking lot and also for acceleration in the
Stadtverkehr für wenige Sekunden akzeptabel ist. Das Elektroschwungrad 43 würde z.B. bereits nach 15 Sekunden Ausparkvorgang bei einer Batterieleistung von 1 ,5 C entsprechend ca. 22 kW und bei durchschnittlich in dieser Zeit zur Ladung des Elektroschwungrades 43 zur Verfügung stehenden Leistung von 18 kW einenCity traffic is acceptable for a few seconds. The electric flywheel 43 would be e.g. already after 15 seconds Ausparkvorgang at a battery power of 1, 5 C corresponding to about 22 kW and at an average in this time for charging the electric flywheel 43 available power of 18 kW a
Energieinhalt von ca. 0,075 kWh aufweisen, der rechnerisch ausreichen würde, um das Fahrzeug mit einer Leistung von 100 kW alleine aus dem Elektroschwungrad auf eine Geschwindigkeit von ca. 75 km/h zu beschleunigen, wobei zusätzlich aus der Batterie 34 eine Leistung von bis zu 22 kW zur Verfügung steht. Auch unter Berücksichtigung von Umwandlungsverlusten und einer aufgrund geringer Energy content of about 0.075 kWh, which would be mathematically sufficient to accelerate the vehicle with a power of 100 kW alone from the electric flywheel to a speed of about 75 km / h, in addition from the battery 34, an output of up to 22 kW is available. Also taking into account conversion losses and one due to lower
Drehzahlen nicht sinnvoll nutzbaren Schwungradladung unterhalb von z.B. 5 % SOC ist es daher unwahrscheinlich, dass ein Fahrer die in den ersten Sekunden eines Kaltstarts mit stehender Schwungradanordnung 42 aber ausreichend leistungsfähiger Batterie eingeschränkte Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs überhaupt bemerkt. Dieser erhöhte Entladestom der Batterie beim Start des Fahrzeugs wird jedoch nur benötigt, wenn der Schwungrad-SOC anfangs sehr gering ist, und bildet mit einer Zeitdauer von in der Regel weniger als 30 Sekunden einen im Verhältnis zur Gesamtbetriebszeit des Fahrzeugs vernachlässigbaren Sonderfall.  Speeds not meaningfully usable flywheel charge below e.g. 5% SOC, it is therefore unlikely that a driver will even notice the vehicle's limited performance in the first few seconds of a cold start with a stationary flywheel assembly 42 but a sufficiently powerful battery. However, this increased discharging current of the battery at the start of the vehicle is required only when the flywheel SOC is initially very low, and forms a period of usually less than 30 seconds negligible relative to the total operating time of the vehicle special case.
Zusammenfassend wird aus den beschriebenen Schritten S1 bis S13 deutlich, dass das Fahrzeug auch bei anfangs entladenem Zustand des Elektroschwungrades 43 stets unmittelbar gestartet werden kann. Ist die mögliche Leistungsabgabe der Batterie 34 so gering, dass sie nicht einmal den Verbrennungsmotor 14 über die Elektromaschine 26 direkt starten kann, wird zunächst das Elektroschwungrad 43 so weit geladen, dass mit dessen Hilfe ein sicherer Start des Verbrennungsmotors 14 erfolgen kann (Schritte S2 - S5). Genügt sie für das direkte Anlassen des Verbrennungsmotors 14, wird dieser gemäß den Schritten S6, S7 und S5 direkt gestartet, sofern die mögliche Leistungsabgabe nicht für einen Start des Fahrzeugs im schwungradbasierten Antriebsmodus ausreicht oder durch den Fahrer oder eine Einrichtung des Fahrzeugs explizit der verbrennungsmotorische Antriebsmodus angefordert wurde. Genügt die mögliche Leistungsabgabe der Batterie 34, um das Fahrzeug im schwungradbasierten Antriebsmodus in Betrieb zu nehmen und ist durch den Fahrer oder eine Einrichtung des Fahrzeugs keine Inbetriebnahme im verbrennungsmotorischen Betriebsmodus vorgegeben, wird bei dafür ausreichender Leistungsfähigkeit der Batterie 34 gemäß den Schritten S12 bis S13 die In summary, it becomes clear from the described steps S1 to S13 that the vehicle can always be started immediately even when the state of the electric flywheel 43 is initially discharged. If the possible power output of the battery 34 is so low that it can not even directly start the internal combustion engine 14 via the electric machine 26, the electric flywheel 43 is initially charged to such an extent that a reliable start of the internal combustion engine 14 can take place with it. S5). Is it enough for the direct start of the Internal combustion engine 14, this is directly started according to steps S6, S7 and S5, unless the possible power output is sufficient for a start of the vehicle in the flywheel-based drive mode or explicitly by the driver or a device of the vehicle, the internal combustion engine drive mode was requested. If the possible power output of the battery 34 to start the vehicle in the flywheel-based drive mode is sufficient and no commissioning in the engine operating mode is given by the driver or a device of the vehicle, the battery 34 becomes sufficient in accordance with the steps S12 to S13
Antriebsleistung des Fahrzeugs in den ersten Sekunden direkt aus der Batterie 34 entnommen und das Elektroschwungrad 43 mit zur Verfügung stehender, nicht für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten benötigter Leistung beschleunigt. Genügt die Batterieleistung hierfür nicht, wird gemäß der Schritte S10 bis S11 zunächst das Elektroschwungrad 43 auf einen zum sichern Antritt der Fahrt ausreichenden SOC aufgeladen. Drive power of the vehicle taken in the first few seconds directly from the battery 34 and accelerates the electric flywheel 43 with available, not required for the drive of the vehicle and the operation of ancillaries power. If the battery power does not suffice for this purpose, according to steps S10 to S11, the electric flywheel 43 is first charged to an SOC sufficient to secure the start of the journey.
Solange das Elektroschwungrad 43 noch nicht auf seinen gewünschten oder optimalen SOC beschleunigt ist, können die im Normalbetrieb gewünschten As long as the electric flywheel 43 is not yet accelerated to its desired or optimal SOC, the desired in normal operation
Fahrleistungen jedoch noch nicht vollständig bereitgestellt werden. Daher wird zur Herstellung der vollen Betriebsbereitschaft anschließend in Schritt S14 das However, services are not yet fully provided. Therefore, in order to establish the full operational readiness, in step S14, the
Elektroschwungrad 43 auf einen optimalen SOC (SOCopt) beschleunigt, wofür bei laufendem Stromaggregat 15 die momentan nicht für den Antrieb des Fahrzeugs und der Nebenaggregate benötigte Leistung des Stromaggregates 15 und unter Berücksichtigung von deren Leistungsfähigkeit alternativ oder bei Bedarf zusätzlich die Batterie 34 verwendet werden. Bei abgeschaltetem Stromaggregat 15 wird die Energie unter Berücksichtigung von deren SOC, SOH und der Batterietemperatur alleine aus der Batterie 34 entnommen. Sofern dies nicht möglich oder sinnvoll erscheint, da z.B. der SOC der Batterie gering ist, wird der Verbrennungsmotor analog zu Schritt S7 gestartet. In beiden Fällen wird das Elektroschwungrad zusätzlich bei rekuperativem Bremsen des Fahrzeugs beschleunigt. Sollte der Fahrer dies wünschen kann er zur Erhöhung der zur Verfügung stehenden Gesamtleistung, und sofern eine Einrichtung des Fahrzeugs nicht explizit den schwungradbasierten Antriebsmodus vorgibt, jederzeit den Verbrennungsmotor 14 entsprechend Schritt S7 starten. Der verbrennungsmotorische Antriebsmodus kann durch eine Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus auch automatisch gestartet werden, wenn beispielsweise der Bedarf an Energie für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten einen Grenzwert überschreitet oder der SOC der Batterie 34 unter einen Grenzwert fällt. Die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus kann beispielsweise auf einer Auswertung des derzeitigen Ortes des Fahrzeugs und dessen Aufenthalt in einer Zone beruhen, in der der Betrieb im verbrennungsmotorischen Modus nicht gestattet ist, aber auch weitere Einflussgrößen berücksichtigen, die insbesondere die Zustandsdaten der verschiedenen Aggregate des Fahrzeugs aber auch weitere Parameter umfassen können. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor 14 automatisch gestartet werden, wenn aufgrund sehr kalter Außen- und /oder Electric flywheel 43 accelerates to an optimal SOC (SOCopt), for which when the power generator 15 is currently not required for the drive of the vehicle and ancillaries power of the generator 15 and taking into account their capacity alternatively or if necessary, the battery 34 are used. When the generator 15 is switched off, the energy is removed from the battery 34, taking into account its SOC, SOH and the battery temperature alone. If this is not possible or sensible, since, for example, the SOC of the battery is low, the internal combustion engine is started in analogy to step S7. In both cases, the electric flywheel is additionally accelerated during recuperative braking of the vehicle. Should the driver so desire, he can increase the available total power, and if a device of the vehicle does not explicitly specify the flywheel-based drive mode, start the engine 14 at any time according to step S7. The internal combustion engine drive mode can also be automatically started by a device for specifying the drive mode, for example, when the demand for power for driving the vehicle and the operation of ancillary units exceeds a limit or the SOC of the battery 34 falls below a limit. The device for specifying the drive mode can be based, for example, on an evaluation of the current location of the vehicle and its stay in a zone in which the operation in internal combustion engine mode is not permitted, but also take into account other influencing variables, in particular the state data of the various units of the vehicle but may also include other parameters. For example, the internal combustion engine 14 can be started automatically when due to very cold outside and / or
Innenraumtemperaturen davon auszugehen ist, dass unmittelbar bei oder nach Fahrtantritt eine erhebliche Leistung für den Betrieb von Heizungen abgerufen wird, wenn aufgrund von aus einem Navigationssystem bekannten Daten geschlossen werden kann, dass unmittelbar nach Fahrtantritt eine erhebliche Steigung befahren werden soll oder wenn aus Daten des Navigationssystems bekannt ist, dass das Fahrzeug in Kürze mit hoher Wahrscheinlichkeit in eine Zero-Emissions-Zone einfahren wird und der Ladegrad der Batterie 34 dafür als nicht ausreichend bewertet wird. Umgekehrt kann die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus beispielsweise den schwungradbasierten Antriebsmodus vorgeben, sofern aus z.B. Daten eines Navigationsgerätes geschlossen werden kann, dass der Betrieb des Verbrennungsmotors nicht gestattet oder erwünscht ist. Interior temperatures can be assumed that a significant performance for the operation of heaters is retrieved immediately after or after departure, if it can be concluded from known from a navigation system data that immediately after the start of a significant slope is to be driven or if data from the navigation system It is known that the vehicle is likely to enter a zero-emission zone in the near future and that the degree of charge of the battery 34 is rated as insufficient for this. Conversely, the means for specifying the drive mode may for example specify the flywheel-based drive mode, provided that e.g. Data of a navigation device can be concluded that the operation of the internal combustion engine is not permitted or desired.
Da das Elektroschwungrad 43 bei geeigneter Auslegung, insbesondere einer Lagerung in einem weitgehenden Vakuum oder einer druckverminderten Since the electric flywheel 43 with a suitable design, in particular a storage in a substantial vacuum or a pressure-reduced
Wasserstoff- oder Heliumatmosphäre, nur relativ wenig Energie an die Umgebung verliert, kann es nach Vorgabe durch eine nicht gezeigte Steuerungseinrichtung bei üblichen Abstellzeiten des Fahrzeugs von einigen Stunden bis zu wenigen Tagen auf einer zum sofortigen Betrieb des Fahrzeugs im schwungradbasierten Hydrogen or helium atmosphere, only relatively little energy loses to the environment, it may according to specification by a control device, not shown at usual parking times of the vehicle from a few hours to a few days on one for immediate operation of the vehicle in the flywheel-based
Antriebsmodus geeigneten Rotationsgeschwindigkeit gehalten werden. Bei Drive mode can be maintained at a suitable rotational speed. at
Netzladung über den externen Ladeport 38 kann das Elektroschwungrad 43 parallel oder alternativ zu einem Laden der Batterie 34 auf eine gewünschte Drehzahl beschleunigt und/oder in einem gewünschten Drehzahlbereich gehalten werden. Der in den Schritten S1 bis S13 beschriebene Kaltstart stellt daher im Betrieb des Fahrzeugs einen Sonderfall dar, der in der Praxis je nach Auslegung der Steuerung nur selten, beispielsweise nach Rückkehr aus einem Urlaub auftritt. Power charging via the external charging port 38, the electric flywheel 43 can be accelerated parallel or alternatively to a charging of the battery 34 to a desired speed and / or kept in a desired speed range. The cold start described in steps S1 to S13 therefore represents a special case in the operation of the vehicle, which rarely occurs in practice, depending on the design of the control, for example, after returning from a holiday.
Bei einem Warmstart ist der SOC des Elektroschwungrades 43 für einen In a warm start, the SOC of the electric flywheel 43 for a
unmittelbaren Fahrtantritt ausreichend hoch, womit die in S11 beschriebene Immediate start of the journey is sufficiently high, which is the one described in S11
Situation vorliegt. Sofern durch den Fahrer oder die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus explizit der verbrennungsmotorische Fahrmodus vorgegeben wird, kann der Verbrennungsmotor entsprechend der in S4 oder S7 beschriebenenSituation exists. If the combustion engine driving mode is explicitly specified by the driver or the device for specifying the drive mode, the internal combustion engine can be configured in accordance with that described in S4 or S7
Schritte gestartet werden. Anschließend wird der SOC des Elektroschwungrades 43 wie in Schritt S14 beschrieben, auf einen optimalen SOC oder zumindest einen für die vollständige Fahrbereitschaft mit voller Leistung ausreichenden, minimalen SOC beschleunigt. Steps are started. Thereafter, as described in step S14, the SOC of the flywheel 43 is accelerated to an optimum SOC or at least a minimum SOC sufficient for full ride on full power.
Am Ende von Schritt 14 ist das Fahrzeug vollständig fahrbereit. Das heißt insbesondere, dass der SOC des Elektroschwungrades 43 ausreichend hoch ist, um unter üblichen Betriebsbedingungen keine durch den Fahrer wahrnehmbare At the end of step 14, the vehicle is fully ready to drive. In particular, this means that the SOC of the electric flywheel 43 is sufficiently high not to be perceivable by the driver under normal operating conditions
Leistungseinschränkungen des Fahrzeugs zu verursachen. In Schritt S15 wird festgestellt, ob der Verbrennungsmotor 14 bzw. das Stromaggregat 15 in Betrieb ist. Ist dies der Fall, wird die erzeugte und nicht durch Nebenaggregate benötigte elektrische Energie in Schritt S16 vorrangig für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet, um die Umwandlungsverluste möglichst gering zu halten. Überschüssige Leistung wird genutzt, um das Elektroschwungrad 43 und/oder die Batterie 34 zu laden, wobei die Auswahl, welche Komponente 43, 34 mit welchem Teil der zur Verfügung stehenden Leistung geladen werden soll in erster Linie von deren SOCs und deren Abweichung von einem optimalen SOC abhängt und zusätzlich von der bereits mehrfach genannten Vielzahl von Batterieparametern abhängig gemacht werden kann. To cause performance limitations of the vehicle. In step S15, it is determined whether the engine 14 or the power generator 15 is in operation. If this is the case, the generated and not required by ancillaries electrical energy is used in step S16 primarily for the drive of the vehicle in order to minimize the conversion losses. Excess power is used to charge the flywheel 43 and / or the battery 34, wherein the selection of which component 43, 34 to load with what part of the available power is primarily of their SOCs and their deviation from optimum SOC depends and in addition of the already repeatedly mentioned variety of battery parameters can be made dependent.
In Schritt S17 wird bestimmt, ob die Betriebszeit des Stromgenerators eine gewünschte Zeitdauer erreicht hat und gleichzeitig das Elektroschwungrad 43 und die Batterie 34 zumindest einen ausreichenden oder bevorzugt optimalen SOC aufweisen, und es wird überprüft, ob ein Befehl zum Nicht-Betrieb bzw. Abschalten des Verbrennungsmotors 14 durch den Fahrer oder durch die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus vorliegt. Der Betrieb des Verbrennungsmotors 14 über eine bestimmte Mindestzeitspanne ist bevorzugt, um den anteiligen Betrieb bei kaltem Motor und Abgassystem gering zu halten. In step S17, it is determined whether the operating time of the power generator has reached a desired period of time and at the same time the electric flywheel 43 and the battery 34 at least a sufficient or preferably optimal SOC, and it is checked whether a command for non-operation or the Internal combustion engine 14 is present by the driver or by the means for specifying the drive mode. The operation of the internal combustion engine 14 over a certain minimum period of time is preferred in order to keep the proportionate operation with cold engine and exhaust system low.
Werden diese beiden Abfragen mit nein (N) beantwortet, erfolgt ein Rücksprung zu Schritt S16, andernfalls wird der Verbrennungsmotor 14 in Schritt 18 abgeschaltet und es erfolgt ein Rücksprung zu Schritt S14.  If these two queries are answered with no (N), there is a return to step S16, otherwise the internal combustion engine 14 is switched off in step 18 and the system returns to step S14.
Bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 14 (Nein in Schritt S15) wird zunächst in Schritt S19 geprüft, ob der SOC der Batterie 34 eine Nachladung durch den Verbrennungsmotor 14 des Stromaggregats 15 erforderlich oder wünschenswert macht und gleichzeitig der Betrieb des Verbrennungsmotors 14 gestattet ist. With the engine 14 turned off (No at step S15), it is first checked at step S19 if the SOC of the battery 34 makes recharging by the engine 14 of the generator 15 necessary or desirable and at the same time the operation of the engine 14 is permitted.
Ist dies der Fall (Ja in Schritt S19), wird in Schritt S20 analog zu dem im Schritt S7 beschriebenen Vorgehen der Verbrennungsmotor 14 gestartet und anschließend zu Schritt S16 gesprungen. If this is the case (Yes in step S19), the internal combustion engine 14 is started in step S20 analogously to the procedure described in step S7 and then jumped to step S16.
Ob ein Laden der Batterie 34 und ggf. des Elektroschwungrades 43 erforderlich oder wünschenswert ist, kann neben dem SOC und SOH der Batterie 34 auch von der momentanen oder erwarteten zukünftigen Leistung der Radnabenmotoren 45 abhängig gemacht werden. Ist beispielsweise absehbar, dass das Fahrzeug in Kürze ein langes und erhebliches Gefälle befahren wird, kann der Start des Verbrennungsmotors 14 bis zu einem niedrigeren SOC der Batterie 34 verschoben werden, da in Kürze mit einer rekuperativen Aufladung der Batterie 34 zu rechnen ist. Ist andererseits das Befahren einer langen und starken Steigung zu erwarten, wird ein Anhängerbetrieb erkannt, wird das baldige Befahren einer Zero-Emissions- Zone erwartet oder lässt der Fahrstil des Fahrers auf einen erhöhten Whether charging the battery 34 and possibly the flywheel 43 is required or desirable, besides the SOC and SOH of the battery 34, may also be made dependent on the current or expected future performance of the wheel hub motors 45. If, for example, it is foreseeable that the vehicle will soon be driven on a long and considerable gradient, the start of the internal combustion engine 14 can be shifted to a lower SOC of the battery 34, since a rechargeable charging of the battery 34 is to be expected shortly. If, on the other hand, driving on a long and steep slope is to be expected, a trailer operation will be detected, the speeding up of a zero emission Zone expects or leaves the driving style of the driver elevated
durchschnittlichen Energiebedarf schließen, kann der Grenzwert für die Auslösung der Nachladung der Batterie 34 durch das Stromaggregat 15 entsprechend zu einem höheren SOC der Batterie 34 verschoben werden. Selbstverständlich können auch eine Vielzahl weiterer Faktoren, insbesondere eine Prognose über eine bevorstehende Netzladung und die bis dahin benötigte Energie und weitere average power requirement, the threshold for triggering the recharging of the battery 34 by the generator 15 may be shifted in accordance with a higher SOC of the battery 34. Of course, a variety of other factors, in particular a forecast of an imminent grid charge and the energy needed until then and more
Zustandsgrößen des Fahrzeugs berücksichtigt werden. State variables of the vehicle are taken into account.
In Schritt 21 wird überprüft, ob die Leistungsanforderung des Fahrzeugs unter Berücksichtigung der Leistung der Nebenaggregate ohne Verbrennungsmotor 14 erfüllt werden kann, was beim Beispielfahrzeug üblicher Weise bei In step 21, it is checked whether the power requirement of the vehicle can be satisfied in consideration of the performance of the ancillary units without combustion engine 14, which in the example vehicle usually contributes
Leistungsanforderungen für den Antrieb des Fahrzeug von weniger als 115 - 100 kW der Fall ist. Ist dies nicht der Fall, und ist der Betrieb des Verbrennungsmotors 14 gestattet, wird ebenfalls zu Schritt 20 gesprungen und der Verbrennungsmotor 14 gestartet. Performance requirements for the drive of the vehicle of less than 115 - 100 kW is the case. If this is not the case, and the operation of the internal combustion engine 14 is permitted, it also jumps to step 20 and the internal combustion engine 14 is started.
Selbstverständlich ist es möglich, den Schritt S21 zur Erhöhung der Of course, it is possible to use the step S21 to increase the
Reaktionsgeschwindigkeit auch unabhängig vom Durchlaufen der Schritte S 15 und S19 bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 14 mit hoher Frequenz durchzuführen. Ebenso können die übrigen genannten Schritte sinnvoll variiert oder in der Reaction speed also independent of passing through the steps S 15 and S19 with the internal combustion engine 14 to be performed at a high frequency. Likewise, the other steps mentioned can be meaningfully varied or in the
Reihenfolge vertauscht werden, solange die beschriebenen Wirkungen der Order be reversed, as long as the described effects of
Steuerung/Regelung auf die Fahrzeugkomponenten identisch oder vergleichbar sind. In sofern handelt es sich bei dem vorgestellten Ablauf um eine konkrete Ausgestaltung, die den Schutzbereich nicht einschränken soll. Control / regulation on the vehicle components are identical or comparable. In this case, the process presented is a specific design that should not restrict the scope of protection.
Zusammengefasst wird durch die Schritte S14 bis S21 der Verbrennungsmotor 14 gestartet, wenn dies nicht durch den Fahrer oder die Einrichtung zur Vorgabe des Antriebsmodus verhindert wird und entweder der SOC der Batterie 34 angehoben werden soll oder die ohne Verbrennungsmotor 14 zur Verfügung stehende Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb der Nebenaggregate nicht ausreichend ist. Dabei ist sichergestellt, dass die Betriebszeit des Verbrennungsmotors 14 ausreicht, um diesen und das Abgassystem weit überwiegend in einem geeigneten Temperaturbereich zu betreiben. In summary, through the steps S14 to S21, the engine 14 is started unless it is prevented by the driver or the drive mode setting means and either the SOC of the battery 34 should be raised or the power without the engine 14 for the drive of the vehicle and the operation of the ancillaries is not sufficient. It is ensured that the operating time of the Internal combustion engine 14 is sufficient to operate this and the exhaust system largely predominantly in a suitable temperature range.
Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei der Nachladung des It should be noted that when recharging the
Elektroschwungrades 43 durch die Batterie 34 sowie die Ladung der Batterie 34 und des Elektroschwungrades 43 um eine analytische Betrachtung handelt. In Electric flywheel 43 through the battery 34 and the charge of the battery 34 and the electric flywheel 43 is an analytical consideration. In
Betriebsphasen, in denen das Fahrzeug mit Hilfe des Elektroschwungrades 43 beschleunigt wird, verringert die Nachladeleistung der Batterie 34 beispielsweise die Entladeleistung des Elektroschwungrades 43, was hier ebenfalls als Nachladung gelten soll. Die in der Praxis vorteilhaftesten Energiepfade hängen neben der konkreten Auslegung des Antriebssystems beispielsweise von den Ist- und Soll- Ladegraden des Elektroschwungrades 43 und der Batterie 34, den Wirkungsgraden der einzelnen Komponenten und den für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten erforderlichen Leistungen ab, wobei die Soll- Ladegrade wie vorstehend beschrieben wiederum von einer Vielzahl weiterer Parameter abhängig gemacht werden können. Operating phases in which the vehicle is accelerated by means of the electric flywheel 43 reduces the recharging capacity of the battery 34, for example, the discharge power of the electric flywheel 43, which should also be considered here as a recharge. In practice, the most advantageous energy paths depend not only on the specific design of the drive system, for example, on the actual and target load levels of the flywheel 43 and the battery 34, the efficiencies of the individual components and the services required for driving the vehicle and the operation of auxiliary equipment In which the desired charging levels can again be made dependent on a large number of further parameters, as described above.
Nicht in der Figur 3 enthalten sind Notbetriebsmodi, auf die im Folgenden kurz eingegangen werden soll. Not included in FIG. 3 are emergency operating modes which will be discussed briefly below.
Bei einem Defekt im Bereich des Stromaggregates 15 bzw. des In the case of a defect in the area of the power unit 15 or of the
verbrennungsmotorischen Antriebsstranges 10 bleibt das Fahrzeug voll fahrtauglich, solange die Batterie 34 einen ausreichenden SOC und eine ausreichende internal combustion engine drive train 10, the vehicle remains fully roadworthy, as long as the battery 34 SOC sufficient and sufficient
Leistungsfähigkeit aufweist, um das Elektroschwungrad 43 in einem ausreichenden SOC-Bereich zu halten. In diesem Fall kann die Reichweite des Fahrzeugs bei Bedarf durch Freigabe eines zusätzlichen SOC-Bereichs der Batterie 34 erheblich erhöht werden, insbesondere wenn die Entladeleistung der Batterie 34 in das Elektroschwungrad 43 auf einen geringen Wert von z.B. 0,5 C, oder 0,3 C begrenzt wird. Auch bei einem Defekt im Bereich des Elektroschwungrades 43 bzw. des schwungungradbasierten Antriebsstranges bleibt das Fahrzeug mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit voll fahrtauglich. Auch im Fall einer nahezu entladenen oder defekten Batterie 34 kann das Fahrzeug gestartet werden, sofern die Batterie 34 wenigstens eine geringe Leistung bereitstellen kann. Da bevorzugt auch die Radnabenmotoren 45 mehrfach vorhanden sind und unabhängig von einander betrieben werden können, weist das Fahrzeug eine ausgesprochen hohe Have performance to keep the electric flywheel 43 in a sufficient SOC range. In this case, the range of the vehicle can be significantly increased if necessary by releasing an additional SOC range of the battery 34, in particular if the discharge power of the battery 34 in the electric flywheel 43 to a low value of, for example, 0.5 C, or 0.3 C is limited. Even with a defect in the area of the electric flywheel 43 or the flywheel-based drive train, the vehicle remains fully operational with limited efficiency. Even in the case of a nearly discharged or defective battery 34, the vehicle can be started, provided that the battery 34 can provide at least a low power. Since preferably also the wheel hub motors 45 are multiple and can be operated independently of each other, the vehicle has a very high
Ausfallsicherheit gegen Liegenbleiben auf. Fail-safe against staying on.
Nachfolgend werden einige durch die erfindungsgemäße Dimensionierung der Komponenten und/oder die vorstehend beschriebenen Betriebsabläufe erzielbare Vorteile beschrieben. Erstens können die Be- und Entladeströme der Batterie 34 zumindest nahezu vollständig in einem Bereich unterhalb von 1 C gehalten werden, was die In the following, some advantages that can be achieved by the dimensioning of the components according to the invention and / or the operating sequences described above will be described. First, the charging and discharging currents of the battery 34 can be kept at least almost completely in a range below 1 C, which the
Temperierung der Batterie 34 erleichtert und den dafür notwendigen Aufwand verringert. Der zulässige Be- und Entladestrom kann dabei ohne gravierende Auswirkungen auf die Fahrleistungen in weitem Umfang von den Batteriedaten abhängig gemacht werden und die Batterie 34 damit insbesondere in Hinblick auf deren Alterung sehr schonend behandelt werden. Temperature control of the battery 34 facilitates and reduces the necessary effort. The permissible charging and discharging current can be made dependent on the battery data to a large extent without serious effects on the driving performance and the battery 34 thus be treated very gently, in particular with regard to their aging.
Zweites kann im schwungradbasierten Modus in Abhängigkeit von der erlaubten Entladungsleistung der Batterie 34 und dem Leistungsbedarf von Second, in flywheel-based mode, depending on the allowable discharge power of the battery 34 and the power requirement of
Nebenverbrauchern eine Antriebsleistung von 85 bis ca. 115 kW zur Verfügung gestellt werden, bei einem erlaubten Entladestrom der Batterie 34 von mehr als 1 C auch mehr. Nebenverbrauchern a drive power of 85 to about 115 kW are provided, with an allowable discharge current of the battery 34 of more than 1 C more.
Drittens kann auf Wunsch durch Starten des Verbrennungsmotors 14 die maximale Antriebsleistung um weitere ca. 25 kW erhöht werden, wodurch eine maximale Antriebsleistung von bis zu 140 kW bereitgestellt werden kann. Third, if desired, by starting the internal combustion engine 14, the maximum drive power can be increased by a further approx. 25 kW, whereby a maximum drive power of up to 140 kW can be provided.
Viertens ist bei einem dafür ausreichender Batterie-SOC bis zu dessen Abfall auf ein vorbestimmtes Minimum eine erhöhte Dauerhöchstgeschwindigkeit möglich, indem die Leistung des Stromaggregats 5 um maximal die mögliche Fourth, at a sufficient battery SOC until its drop to a predetermined minimum, an increased maximum continuous speed is possible by the power of the generator 5 by a maximum of the possible
Entladungsleistung der Batterie 34 für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten erhöht wird. Bei anfangs voll geladener Batterie 34 und einem angenommenen maximalen Entladungsstrom von 1 C entsprechend 15 kW erhöht sich die Gesamtleistung damit für eine Fahrzeit von ca. 30 Minuten von ca. 25 kW auf ca. 40 kW, was einer erweiterten Dauerhöchstgeschwindigkeit von überschlägig ca. 170 km/h entspricht. Dabei ermöglicht das Elektroschwungrad 43 weiterhin das kurzfristige Bereitstellen einer erheblich höheren Antriebsleistung. Discharge power of the battery 34 for driving the vehicle and the operation of ancillaries is increased. At the beginning of fully charged battery 34 and assuming a maximum discharge current of 1 C corresponding to 15 kW, the total output thus increases from approx. 25 kW to approx. 40 kW for a travel time of approx. 30 minutes, which corresponds to an extended maximum maximum speed of approx. 170 km / h. In this case, the electric flywheel 43 further allows the short-term provision of a significantly higher drive power.
In Bezug auf die Ladegrade der Batterie 34 und des Elektroschwungrades 43 im Fahrbetrieb werden folgende Auslegungen bevorzugt, wobei es sich hier um ungefähre Angaben handelt, die in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern abgewandelt werden können: With respect to the charging levels of the battery 34 and the flywheel 43 while driving, the following interpretations are preferred, which are approximate, which may be varied depending on a variety of parameters:
Bei einem SOC der Batterie 34 unterhalb von ca. 20 % wird eine Nachladung der Batterie 34 durch das Stromaggregat 15 ausgelöst, sofern dessen Betrieb gestattet wird und sofern nicht in Kürze mit einer Ladung der Batterie 34 durch eine With a SOC of the battery 34 below about 20% recharging of the battery 34 is triggered by the generator 15, if its operation is permitted and unless shortly with a charge of the battery 34 by a
Netzladung und/oder eine lange Gefällestrecke gerechnet wird. Selbstverständlich kann eine Ladung der Batterie 34 auch manuell oder automatisch bei einem höheren SOC ausgelöst werden, um beispielsweise das Fahrzeug auf eine Fahrt mit erhöhtem durchschnittlichen Leistungsbedarf wie einer Fahrt oberhalb der Net charge and / or a long downhill stretch is expected. Of course, a charge of the battery 34 can also be triggered manually or automatically at a higher SOC, for example, the vehicle on a journey with increased average power requirements such as a ride above the
Dauerhöchstgeschwindigkeit oder das Befahren einer längeren Steigung Maximum speed or driving on a longer incline
vorzubereiten, eine große Reichweite im Schwungradmodus zu ermöglichen oder wenn eine hohe Zuladung oder eine Verschlechterung des Cw-Wertes, prepare to allow a long range in flywheel mode or if a high payload or a deterioration in the Cw value,
beispielsweise durch einen Dachgepäckträger oder einen Anhänger vorliegt. Weiter kann, wie bereits erwähnt, bei Bedarf auch ein zusätzlicher SOC-Bereich der Batterie 34 von z.B. bis zu 15 % der nominellen Batteriekapazität entsprechend 30 % SOC freigegeben werden, um einen Leistungseinbruch des Fahrzeugs zu vermeiden. Wird der Stromgenerator.15 aus anderen Gründen, beispielsweise durch eine manuelle Anforderung des Fahrers oder zur Bereitstellung einer abgerufenen, zusätzlichen Antriebsleistung gestartet, erfolgt bevorzugt auch bei einem höheren SOC der Batterie 34 eine Ladung derselben, um eine vorteilhaft lange Dauer des Betriebes des Verbrennungsmotors 14 und einen entsprechend kleinen Anteil der Betriebszeit bei kaltem Verbrennungsmotor 14 bzw. kalter Abgasanlage zu bewirken. Wird das Stromaggregat 15 gestartet, wird die Batterie 34 bevorzugt auf wenigstens 90 %, bevorzugt auf nahe 100 % SOC aufgeladen, sofern der Betrieb des for example, by a roof rack or a trailer. Further, as already mentioned, if necessary, an additional SOC range of the battery 34 can be released from, for example, up to 15% of the nominal battery capacity corresponding to 30% SOC in order to avoid a power dip of the vehicle. If the Stromgenerator.15 for other reasons, for example, by a manual request of the driver or to provide a retrieved, additional drive power started, preferably takes place at a higher SOC of the battery 34 a charge thereof, to an advantageous long duration of operation of the internal combustion engine fourteenth and cause a correspondingly small proportion of the operating time for cold engine 14 or cold exhaust system. If the generator 15 is started, the battery 34 is preferably charged to at least 90%, preferably to near 100% SOC, provided that the operation of the
Stromgenerators 15 weiter gestattet ist und nicht mit einer erheblichen Power generator 15 is allowed further and not with a considerable
rekuperativen Ladung oder Netzladung gerechnet wird, die einen geringeren SOC der Batterie 34 am Ende der Ladephase sinnvoll erscheinen lässt. Bei einer normalen Nachladung der Batterie 34 mit Hilfe des Stromaggregates 15 wird die Batterie bei der angenommenen Leistung des Stromaggregats 15 von 25 kW und einem angenommenen durchschnittlichen Leistungsbedarf für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb von Nebenaggregaten von zusammen ca. 10 kW mit ca. 15 kW geladen, was einer vorteilhaft langen Betriebszeit des Stromgenerators von ca. 24 Minuten und einem Ladestrom der Batterie von 1 C entspricht. Sollte die für den Antrieb des Fahrzeugs und der Nebenaggregate benötigte Leistung unter 10 kW fallen, kann bei aufnahmefähigem Elektroschwungrad 43 ein Teil der recuperative charge or network charge is calculated, which makes sense a lower SOC of the battery 34 at the end of the charging phase. In a normal recharge of the battery 34 by means of the generator 15, the battery at the assumed power of the generator 15 of 25 kW and an assumed average power requirement for the drive of the vehicle and the operation of ancillaries of about 10 kW with about 15 kW, which corresponds to an advantageous long operating time of the power generator of about 24 minutes and a charging current of the battery of 1 C. If the power required to drive the vehicle and the ancillaries fall below 10 kW, with absorbable flywheel 43, part of the
elektrischen Ladeleistung in diesem gespeichert werden und/oder die Leistung des Verbrennungsmotors 14 bzw. des Stromaggregates 15 bei Bedarf wie bereits erwähnt vorübergehend um bis zu ca. 20 %, entsprechend 5 kW abgesenkt werden, um den Ladestrom der Batterie 34 nach Möglichkeit auf 1 C zu begrenzen, und/oder vorübergehend ein erhöhter Ladestrom von bevorzugt maximal bis zu 1 ,5 C gestattet werden. electrical charging power stored in this and / or the power of the engine 15 and the power unit 15, if necessary, as already mentioned temporarily by up to about 20%, corresponding to 5 kW are lowered to the charging current of the battery 34 if possible to 1 C. to limit, and / or temporarily increased charge current of preferably maximum up to 1, 5 C are allowed.
Der Soll-SOC des Elektroschwungrades 43 soll im normalen Fahrbetrieb stets mindestens ausreichend sein, um das Fahrzeug aus dem Stillstand auf die The target SOC of the electric flywheel 43 should always be at least sufficient to drive the vehicle from standstill during normal driving
Dauerhöchstgeschwindigkeit, zumindest aber auf 100 km/h zu beschleunigen, was im Ausführungsbeispiel einer Energiemenge von ca. 0, 12 bis 0,2 kWh und damit einem Ladegrad von ca. 16 % bis 27 % SOC entspricht. Permanent maximum speed, but at least to accelerate to 100 km / h, which in the embodiment corresponds to an amount of energy of about 0, 12 to 0.2 kWh and thus a charge of about 16% to 27% SOC.
Es ist vorteilhaft, wenn der minimale Soll-SOC des Elektroschwungrades 43 zusätzlich stets so gewählt wird, dass das Fahrzeug ausgehend von dessen momentaner Geschwindigkeit mit Hilfe des Elektroschwungrades 43 um eine fest vorgebbare oder situationsabhängige Differenzgeschwindigkeit von beispielsweise 40 km/h, jedoch maximal auf die absolute Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs beschleunigt werden kann. Dies ermöglicht in allen Betriebszuständen ein schnelles Beschleunigen und vermittelt dem Fahrer den Eindruck einer stets möglichen maximalen Fahrleistung. Bei einer technisch möglichen Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeugs von 200 km/h wäre bei einer Fahrgeschwindigkeit von 160 km/h damit eine Energiemenge von mindestens ca. 0,185 kWh, entsprechend 25 % SOC der Schwungradanordnung 42 vorzuhalten. Bevorzugt soll jedoch der SOC des Elektroschwungrades 43 auch für eine Aufrechterhaltung der erreichten It is advantageous if the minimum desired SOC of the electric flywheel 43 is additionally always chosen so that the vehicle, starting from its instantaneous speed with the aid of the electric flywheel 43 by a fixed predetermined or situation-dependent differential speed of, for example, 40 km / h, but maximum on the absolute maximum speed of the vehicle can be accelerated. This allows a fast acceleration in all operating conditions and gives the driver the impression of always possible maximum driving performance. At a technically possible maximum speed of the vehicle of 200 km / h, a power of at least 0.185 kWh, corresponding to 25% SOC of the flywheel assembly 42 would have to be kept at a driving speed of 160 km / h. Preferably, however, the SOC of the electric flywheel 43 is also intended to maintain the achieved
Geschwindigkeit über eine fest oder dynamisch vorgegebenen Distanz oder Zeitspanne ausreichen, was weiter unten mit Bezugnahme auf das Anzeigekonzept genauer ausgeführt wird. Im hier auslegungsrelevanten Fall einer Speed over a fixed or dynamically predetermined distance or period of time, which will be explained in more detail below with reference to the display concept. In the design relevant case of a
Fahrgeschwindigkeit von 160 km/h soll der minimale Soll-SOC des Driving speed of 160 km / h, the minimum target SOC of
Elektroschwungrades 43 daher überschlägig 40 % SOC betragen. Electric flywheel 43 therefore approximately 40% SOC amount.
Der maximale Soll-SOC des Elektroschwungrades 43 soll stets so gering sein, dass die gesamte kinetische Energie des Fahrzeugs in das Schwungrad 42 rekuperierbar ist. Im Auslegungsbeispiel beträgt die kinetische Energie des Fahrzeugs bei einer Fahrgeschwindigkeit von 130 km/h bzw. 180 km/h überschlägig 0,20 kWh bzw. 0,38 kWh, was einen maximalen Soll-SOC des Schwungrades 42 von ca. 73 % bzw. 49 % SOC entspricht. Für den hier auslegungsrelevanten Fall einer The maximum target SOC of the flywheel 43 should always be so low that the total kinetic energy of the vehicle in the flywheel 42 is recuperatable. In the design example, the kinetic energy of the vehicle at a driving speed of 130 km / h or 180 km / h roughly 0.20 kWh or 0.38 kWh, which is a maximum target SOC of the flywheel 42 of about 73% or 49% SOC equals. For the design relevant case of a
Fahrgeschwindigkeit von 160 km/h bei einer möglichen Höchstgeschwindigkeit von 200 km/h wäre damit ein freier SOC in Höhe von ca. 44 %, entsprechend einer Energiemenge von ca. 0,33 kWh vorzuhalten, womit der Soll-SOC-Bereich der Schwungradanordnung 42 hier zwischen 40 % und 46% liegen würde. Bei niedrigeren und höheren Fahrgeschwindigkeiten erweitert sich der Soll-SOC- Bereich. Es wird ersichtlich, dass die Dimensionierung der Kapazität des Driving speed of 160 km / h at a maximum possible speed of 200 km / h would thus be a free SOC in the amount of about 44%, corresponding to an amount of energy of about 0.33 kWh, thus the target SOC range of the flywheel assembly 42 between 40% and 46%. At lower and higher travel speeds, the target SOC range expands. It can be seen that the sizing of the capacity of the
Elektroschwungrades in Bezug auf das Beispielfahrzeug und eine Auslegung auf eine technisch mögliche Maximalgeschwindigkeit von 200 km/h ein Optimum darstellt. Da eine zügige und durchgängige Rekuperation aus hohen Geschwindigkeiten bis zum Stillstand bzw. auf sehr niedrige Geschwindigkeiten jedoch in der Praxis kaum vorkommt, kann der für Rekuperationsleistung frei zu haltende SOC-Anteil des Elektroschwungrades 43 im oberen Geschwindigkeitsbereich, z.B. oberhalb der Dauerhöchstgeschwindigkeit bzw. oberhalb von ca. 120 bis 160 km/h auch kleiner als die maximal rekuperierbare kinetische Energie des Fahrzeugs gewählt werden, wodurch die Kapazität des Elektroschwungrades ggf. kleiner gewählt werden oder bei gleicher Schwungradkapazität bei hohen Geschwindigkeiten vorteilhaft ein höherer Soll-Ladegrad des Elektroschwungrades 43 vorgesehen werden kann. Dies ermöglicht eine Erhöhung der bei hohen Fahrgeschwindigkeiten im Electric flywheel with respect to the example vehicle and a design to a technically possible maximum speed of 200 km / h is an optimum. Since a rapid and consistent recuperation from high speeds to a stop or at very low speeds, however, hardly occurs in practice, can be kept free for recuperation performance SOC share of Electro flywheel 43 in the upper speed range, eg above the maximum speed or above about 120 to 160 km / h and less than the maximum recuperative kinetic energy of the vehicle can be selected, whereby the capacity of the electric flywheel may be selected smaller or at the same flywheel capacity at high speeds advantageously a higher target load level of the electric flywheel 43 can be provided. This allows an increase in the case of high speeds in the
Elektroschwungrad 43 vorhaltbaren Energiereserven und entsprechend bessere Fahrleistungen im Grenzbereich und eine trägere Regelung der Nachladeleistung des Elektroschwungrades 43. Electric flywheel 43 vorhaltbaren energy reserves and correspondingly better performance in the border area and a lazy control of Nachladeleistung the electric flywheel 43rd
Der anzustrebende optimale SOC kann bevorzugt im Bereich von 60 % bis 100 % der Spannweite zwischen dem minimalen und maximalen Soll-SOC des The desired optimum SOC may preferably be in the range of 60% to 100% of the span between the minimum and maximum target SOC of the
Elektroschwungrades 43 liegen. Die für die Nachladung des Elektroschwungrades 43 aus der Batterie 34 entnommene Leistung kann bevorzugt in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem optimalen und tatsächlichen SOC des Electric flywheel 43 are. The power taken from the battery 34 for the recharging of the flywheel 43 may preferably be determined as a function of the difference between the optimum and the actual SOC of the battery
Elektroschwungrades 43 und/oder von der Geschwindigkeit gewählt werden, mit der sich der SOC vom optimalen SOC entfernt. Dabei soll die Gesamtbelastung der Batterie 34 im Wesentlichen auf einen Entladungsstrom von 1 C, hier entsprechend 15 kW begrenzt sein, der in Ausnahmefällen bei Bedarf jedoch auch überschritten werden kann, sofern der Zustand der Batterie dieses erlaubt. Bei geringerem Nachladebedarf des Elektroschwungrades 43 kann die Ladeleistung vorteilhaft abgesenkt werden, wodurch die Batterie 34 über weite Betriebsphasen lediglich mit ca. 0,3 bis 0,7 C belastet wird. Electro-flywheel 43 and / or be selected by the speed at which the SOC from the optimal SOC. Here, the total load of the battery 34 is essentially limited to a discharge current of 1 C, here corresponding to 15 kW, which can be exceeded in exceptional cases, if necessary, however, if the state of the battery allows this. With less reloading of the flywheel 43, the charging power can be advantageously lowered, whereby the battery 34 is charged over long operating periods only about 0.3 to 0.7 C.
Die vorgestellte Dimensionierung der Antriebskomponenten ermöglicht weiter eine vorteilhafte Auslegung der elektrischen Komponenten zur bedarfsgerechten The presented dimensioning of the drive components further enables an advantageous design of the electrical components to meet demand
Umwandlung elektrischer Energie und damit einen hohen Wirkungsgrad dieser Komponenten. Bei einer Auslegung der Ladeelektronik der Batterie auf maximal 1 ,5 C und der Leistungselektronik des Elektroschwungrades auf 100 kW können diese Komponenten überwiegend in einem Leistungsbereich zwischen 15 und 80 % und damit in einem Bereich guten Wirkungsgrades betrieben werden. Zur weiteren Verringerung von Umwandlungsverlusten ist es bevorzugt auch möglich, diese Leistungen auf mehrere, parallel betreibbare Komponenten aufzuteilen, wobei bei einer Aufteilung auf 2 bzw. 3 Teilkomponenten eine Aufteilung etwa im Verhältnis 30:70 bzw. 15:30:55 bevorzugt wird. Conversion of electrical energy and thus high efficiency of these components. With a design of the charging electronics of the battery to a maximum of 1, 5 C and the power electronics of the electric flywheel to 100 kW, these components can be operated predominantly in a power range between 15 and 80% and thus in a range of good efficiency. To further Reduction of conversion losses, it is preferably also possible to divide these services into several components that can be operated in parallel, with a division into 2 or 3 sub-components, a division approximately in the ratio 30:70 or 15:30:55 is preferred.
Durch die Aufteilung der Leistung der Radnabenmotoren 45 von maximal 140 kW im Verhältnis von ca. 70:30 zwischen Vorder- und Hinterachse wird nicht nur ein weitgehend vollständiges rekuperatives Bremsen auch bei starken Verzögerungen aus hohen Geschwindigkeiten ermöglicht, sondern es können bei geringen Antriebs- und Bremsleistungen auch bevorzugt die Radnabenmotoren 45 der Hinterachse angetrieben bzw. generatorisch betrieben und so der Wirkungsgrad erhöht werden. Ist eine weitere Optimierung der Wirkungsgrade erwünscht, ist es weiter möglich, die Leistung der hinteren Radnabenmotoren 45 von hier jeweils 20 kW auf jeweils zwei parallel wirkende Radnabenmotoren mit beispielsweise 5 kW und 15 kW aufzuteilen, womit auch sehr geringe Antriebsleistungen, wie sie bei einem bloßen Aufrechterhalten der Fahrgeschwindigkeit im Stadt- und Landstraßenverkehr häufig vorkommen, mit optimalem Wirkungsgrad erzeugt werden können. By dividing the performance of the wheel hub motors 45 of maximum 140 kW in the ratio of about 70:30 between the front and rear not only a largely complete recuperative braking is possible even at high delays from high speeds, but it can be at low drive and Brake power also preferred the wheel hub motors 45 driven by the rear axle or operated as a generator and so the efficiency can be increased. Is a further optimization of the efficiencies desirable, it is also possible to divide the power of the rear hub motors 45 from here 20 kW each to two parallel-acting hub motors with, for example, 5 kW and 15 kW, which also very low drive power, as in a mere Maintaining the speed in urban and rural road traffic often occur, can be generated with optimal efficiency.
Weiter erlaubt die bevorzugte Begrenzung des Be- und Entladestroms der Batterie 34 auf 1 ,5 C eine Auslegung der Ladeelektronik auf eine Dauerleistung von ca. 22 kW, die bei einer Netzladung der Batterie 34 von einer mit 32 Ampere abgesicherten Drehstromsteckdose im 3 * 230 V Netz abgegeben werden kann, was eine Next, the preferred limitation of the charging and discharging of the battery 34 to 1, 5 C allows a design of the charging electronics to a continuous power of about 22 kW, which at a mains charge of the battery 34 from a protected with 32 amp three-phase socket in 3 * 230 V. Net can be delivered, what a
Schnellladung einer vollständig entladenen Batterie in gut 20 Minuten ermöglicht. An einer üblichen, mit 16 Ampere abgesicherten„Haushalts-Drehstromsteckdose" würde die Ladezeit bei maximal 11 kW in der doppelten Zeit und mit einem vorteilhaft kleinen Ladestrom von ca. 0,73 C erfolgen. An einer üblichen, mit 16 Ampere abgesicherten 230 Volt-Haushaltssteckdose ist eine Ladeleistung von 3,6 kW möglich, was einer noch akzeptablen Ladezeit von etwas über 2 Stunden bei einem Ladestrom von unter 0,25 C entspricht. Fast charge of a fully discharged battery in just over 20 minutes. On a standard 16 amp "household three-phase power outlet", the charging time would be at a maximum of 11 kW twice the time and with a favorably low charging current of about 0.73 C. On a standard, 16 ampere-fused 230 volt Household socket is a charging power of 3.6 kW possible, which corresponds to an acceptable charging time of just over 2 hours at a charging current of less than 0.25 C.
Im Gegensatz zu üblichen Hybridfahrzeugen betragen die typischen Be- und Entladeströme der Batterie 34 im normalen Fahrbetrieb des Fahrzeugs bevorzugt 5 kW bis 10 kW und bevorzugt höchstens 20 kW entsprechend 1/3 bis maximal 4/3 C, wodurch der Laderegler stets in einem Bereich guter Energieeffizienz arbeiten kann. Sollte durch eine extreme Leistungsanforderung kurzfristig eine höhere In contrast to conventional hybrid vehicles, the typical charging and discharging currents of the battery 34 are preferably 5 in the normal driving mode of the vehicle kW to 10 kW and preferably at most 20 kW corresponding to 1/3 to a maximum of 4/3 C, whereby the charge controller can always work in a range of good energy efficiency. Should by an extreme performance requirement in the short term, a higher
Entladeleistung von z. B. 30 kW gewünscht sein, kann diese Spitzenleistung üblicher Weise für einige Sekunden durch eine auf 22 kW ausgelegte Discharge capacity of z. B. 30 kW may be desired, this peak power usually way for a few seconds by a designed for 22 kW
Ladeelektronik übernommen werden. Charging electronics are taken.
Eine durch die vorteilhafte Dimensionierung der Batterie 34, ermöglichte One by the advantageous dimensioning of the battery 34, enabled
Begrenzung der Be- und Entladeleistung auf - mit Ausnahme kurzzeitiger Limitation of loading and unloading capacity - with the exception of short-term
Leistungsspitzen - 22 kW ermöglicht weiter eine Auslegung der Batteriespannung auf bzw. knapp unterhalb von 100 bzw. 120 Volt. Dies ermöglicht eine Power peaks - 22 kW further enable a design of the battery voltage at or just below 100 or 120 volts. This allows a
berührspannungssichere Auslegung der Batterie 34, wodurch diese bei touch voltage safe design of the battery 34, whereby this at
abgestelltem Fahrzeug nicht vollständig vom Bordnetz getrennt werden muss, was wiederum die Nutzung der Batterie 34 auch für die Versorgung der Niedervolt- Verbraucher des 12 Volt-Bordnetzes ermöglicht, wodurch eine separate Niedervolt- Bordnetzbatterie vorteilhaft entfallen kann. Weiter wird es ohne besondere parked vehicle must not be completely disconnected from the electrical system, which in turn allows the use of the battery 34 for the supply of low-voltage consumers of the 12-volt electrical system, whereby a separate low-voltage electrical system battery can be advantageously eliminated. It will continue without special
Sicherheitseinrichtungen möglich, die Batterie 34 auch bei abgestelltem Fahrzeug zur Aufrechterhaltung eines für diesen Zustand für optimal erachteten SOCs des Elektroschwungrads 43 zu nutzen bzw. bei hohem SOC des Elektroschwungrades 43 nach Abstellen des Fahrzeuges einen Teil der Energie des Schwungrades 43 in die Batterie 34 zu laden und die Verluste des Elektroschwungrades 43 bei abgestelltem Fahrzeug damit zu minimieren. Zugleich sinkt der notwendige Aufwand für die Sicherstellung der elektrischen Sicherheit gegen Personenschäden erheblich. Safety devices possible to use the battery 34 even when the vehicle is turned off to maintain an optimal for this state SOCs of the electric flywheel 43 or at high SOC of the flywheel 43 after stopping the vehicle to load part of the energy of the flywheel 43 in the battery 34 and to minimize the losses of the electric flywheel 43 with the vehicle off. At the same time the necessary effort to ensure the electrical safety against personal injury decreases considerably.
Weiter können bei Bedarf auch die elektrischen Leitungen 64, 66, 68, 72 und 84 auf eine berührsichere Gleichspannung ausgelegt werden, da hier mit Ausnahme der elektrischen Leitungen 66 zu den Radnabenmotoren 45 der Vorderachse ebenfalls Leistungen von maximal 25 kW zu übertragen sind. Die Radnabenmotoren 45 der Vorderachse weisen zwar mit bis zu 50 kW eine höhere maximale Leistung auf, jedoch sind hier bei einer Anordnung des Elektroschwungrades 43 im Bereich der Vorderachse die notwendigen Leitungslängen sehr gering. Es ist damit möglich, nicht-berührsichere Spannungen im Antriebs-Stromnetz des Fahrzeugs bei Bedarf weitgehend oder vollständig auf die den einzelnen Elektromaschinen 26, 40, 44 zugeordnete Ansteuerungseinrichtungen und die Ladeelektronik der Batterie 34 zu begrenzen, sofern diese Einrichtungen in unmittelbarer Nähe zu den betreffenden Elektromaschinen 26, 40, 44 bzw. der Batterie 34 angeordnet werden. Auch dies ermöglicht eine wesentliche Verringerung des notwendigen Aufwandes zur Further, if required, the electrical lines 64, 66, 68, 72 and 84 can be designed for a contact-safe DC voltage, since here, with the exception of the electrical lines 66 to the wheel hub motors 45 of the front axle also achievements of a maximum of 25 kW to be transferred. Although the wheel hub motors 45 of the front axle have a higher maximum power of up to 50 kW, the necessary cable lengths are very small in the case of an arrangement of the electric flywheel 43 in the region of the front axle. It is thus possible Non-contact safe voltages in the drive power system of the vehicle when needed largely or completely limited to the individual electric machines 26, 40, 44 associated with control devices and the charging electronics of the battery 34, provided that these facilities in close proximity to the relevant electric machines 26, 40, 44 and the battery 34 are arranged. This also allows a substantial reduction of the necessary effort for
Verhütung von Personenschäden.  Preventing personal injury.
Die Temperierung der Batterie 34 stellt bei Hybridfahrzeugen häufig ein Problem dar, da Lithium-Ionenzellen in einem recht engen optimalen Temperaturfenster von zumeist ca. 15-25 °C mit optimaler Effizienz und minimaler Alterung betrieben werden können. Temperaturen oberhalb von ca. 60 ° C und unterhalb von ca. 0 ° C sollen im Betrieb unbedingt vermieden werden, da sie zu einer raschen Alterung und/oder zu geringen bereitstellbaren Leistungen führen. Im Betrieb ist eine The temperature of the battery 34 is often a problem in hybrid vehicles, since lithium ion cells can be operated in a fairly narrow optimal temperature window of mostly about 15-25 ° C with optimum efficiency and minimal aging. Temperatures above approx. 60 ° C and below approx. 0 ° C should be avoided during operation, as they lead to rapid aging and / or too low deliverable performances. In operation is a
> Erwärmung der Batterie 34 durch den Innenwiderstand und die daran entstehende Verlustleistung nicht zu vermeiden. Die Verlustleistung hängt allerdings stark vom fließenden Strom ab. Aufgrund der relativ geringen und gleichmäßigen Be- und Entladeströme gestaltet sich die Temperierung der Batterie 34 daher bei einer erfindungsgemäßen Auslegung des Antriebs vergleichsweise wenig kritisch, was eine erhebliche Reduzierung des dafür notwendigen Aufwandes ermöglicht. Daher kann hier auf Peltierelemente zurückgegriffen werden, die wahlweise zur Kühlung und zur Beheizung der Batterie verwendet werden können. Auch wird hierdurch die Nutzung von Wärmespeichern und insbesondere Latentwärmespeichern für die Batterie 34 erleichtert. Es sei angemerkt, dass auch für die Temperierung des Verbrennungsmotors 14 ein Latentwärmespeicher vorteilhaft ist, da in > Heating of the battery 34 by the internal resistance and the resulting power loss can not be avoided. The power loss, however, depends strongly on the flowing current. Due to the relatively low and uniform charging and discharging currents, the temperature of the battery 34 is therefore designed relatively little critical in an inventive design of the drive, which allows a significant reduction of the necessary effort. Therefore, it can be used here on Peltier elements that can be used either for cooling and heating of the battery. This also facilitates the use of heat accumulators and, in particular, latent heat accumulators for the battery 34. It should be noted that even for the temperature of the internal combustion engine 14, a latent heat storage is advantageous because in
Betriebsphasen anfallende Abwärme einerseits genutzt werden kann, um den Verbrennungsmotor 14 für die nächste Betriebsphase zumindest annähernd in einem erwünschten Temperaturbereich zu halten. Zudem erlauben  Operating phases accumulating waste heat on the one hand can be used to keep the engine 14 for the next phase of operation, at least approximately in a desired temperature range. In addition, allow
Latentwärmespeicher eine träge Regelung der Temperierung und die Unterstützung einer Innenraumbeheizung durch gespeicherte Abwärme und ermöglichen damit einen geringeren Energiebedarf für die Temperierung des Innenraums des  Latent heat storage an inert control of the temperature and the support of an interior heating by stored waste heat and thus allow a lower energy consumption for the temperature of the interior of the
Fahrzeugs. Selbstverständlich kann Wärmeenergie eines Latentwärmespeichers bei Bedarf auch zur Temperierung des anderen Latentwärmespeichers verwendet werden. Vehicle. Of course, heat energy of a latent heat storage at Need also be used for temperature control of the other latent heat storage.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Dimensionierung und Verteilung der Leistung der Radnabenmotoren 45. Damit können die Vorderräder unabhängig von einander mit jeweils 50 kW und die Hinterräder unabhängig von einander mit jeweils 20 kW beschleunigt oder abgebremst werden. Die mögliche Verzögerung eines Another advantage arises from the dimensioning and distribution of the power of the wheel hub motors 45. Thus, the front wheels can be independently accelerated or decelerated independently of each other with 50 kW and the rear wheels each with 20 kW. The possible delay of a
radgetriebenen Kraftfahrzeugs ist aufgrund des Haftreibungskoeffizienten zwischen Gummi und trockenem Asphalt physikalisch auf ca. 0,8 G begrenzt. Bei einer starken Bremsung mit 0,6 g und einem Fahrzeuggesamtgewicht von 1200 kg kann demnach bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/h vollständig rekuperativ gebremst werden. Sind die Radnabenmotoren 45 auf eine Dauerlast von 50 bzw. 20 kW und auf eine kurzzeitig mögliche Spitzenleistung von jeweils 150 % ausgelegt, kann das Fahrzeug bei einem Gesamtgewicht von 1200 kg alleine durch die Radnabenmotoren 45 aus einer Geschwindigkeit von ca. 107 km/h mit 0,6 G und aus einer Geschwindigkeit von 80 km/h mit 0,8 G verzögert werden, sofern die erzeugte elektrische Energie von ca. 210 kW in der Spitze abgeführt werden kann. Dies ist beispielsweise durch eine Beaufschlagung der hinteren Radnabenmotoren 45 durch ein der Drehrichtung entgegengesetztes Drehmoment bei gleichzeitiger maximaler Ladung des Schwungrades und der Batterie möglich. wheel-driven motor vehicle is physically limited to about 0.8 G due to the static friction coefficient between rubber and dry asphalt. With a heavy braking with 0.6 g and a total vehicle weight of 1200 kg can be braked completely recuperative up to a speed of about 70 km / h. If the wheel hub motors 45 are designed for a continuous load of 50 or 20 kW and a short-term peak power of 150%, the vehicle with a total weight of 1200 kg alone by the wheel hub 45 from a speed of about 107 km / h with 0.6 G and from a speed of 80 km / h with 0.8 G delayed, provided that the generated electrical energy of about 210 kW can be dissipated in the top. This is possible, for example, by acting on the rear wheel hub motors 45 by a torque which opposes the direction of rotation while at the same time maximizing the loading of the flywheel and the battery.
Bei einer maximalen Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs von 160 bzw. 180 bzw. 200 km/h übersteigt die maximale Bremsleistung jedoch die Leistung der However, with a maximum maximum vehicle speed of 160, 180 or 200 km / h, the maximum braking power exceeds the performance of the vehicle
Radnabenmotoren 45 weshalb auf eine weitere Bremse nicht verzichtet werden kann. Die gute Steuerungsfähigkeit der durch die Radnabenmotoren 45 Hub motors 45 why can not be dispensed with a further brake. The good controllability of the wheel hub motors 45
aufgebrachten Drehmomente erlaubt es jedoch, die Funktionen eines applied torques, however, allows the functions of a
Antiblockiersystems, eines elektronischen Stabilitätsprogramms, einer Antilock braking system, an electronic stability program, a
Schlupfregelung und weiterer fahrdynamisch wirksamer Assistenzsysteme in die Steuerung des Antriebsstranges zu integrieren und die weitere Bremse relativ leistungsschwach, einfach und für geringe Gesamtbremsleistungen über derenTo integrate slip control and other driving dynamic effective assistance systems in the control of the drive train and the other brake relatively low power, easy and low overall braking performance on their
Lebensdauer und damit leicht, klein und kostengünstig auszubilden. Gegebenenfalls kann auf eine zusätzliche Bremse für die Hinterräder vollständig verzichtet werden. Die weitere Bremse ist bevorzugt eine übliche Reibungsbremse, insbesondere eine klein dimensionierte Scheibenbremse, die auch zur Abbremsung des Fahrzeugs aus sehr niedrigen Geschwindigkeiten bis zum Stillstand und als Feststellbremse genutzt werden kann. Longevity and thus easy, small and inexpensive to train. Optionally, can be completely dispensed with an additional brake for the rear wheels. The further brake is preferably a conventional friction brake, in particular a small-sized disc brake, which can also be used to decelerate the vehicle from very low speeds to a stop and as a parking brake.
Das vorgestellte Antriebskonzept zeichnet sich durch eine sehr hohe Designfreiheit aus, da die wesentlichen Komponenten Stromaggregat 15, Elektroschwungrad 43 und Batterie 34 nahezu beliebig im Fahrzeug platziert werden können. The proposed drive concept is characterized by a very high design freedom, since the essential components generator 15, electric flywheel 43 and battery 34 can be placed almost anywhere in the vehicle.
Gemäß einer Weiterbildung des Antriebskonzeptes kann vorgesehen sein, dass das Stromaggregat 15 ggf. mit oder ohne den Tank 20 und nicht gezeigte Komponenten, insbesondere die Steuerung des Stromaggregats 15 und dessen Abgasanlage, als Modul ausgebildet wird, das bevorzugt als Ganzes aus dem Fahrzeug entnehmbar ist. Auf diese Weise kann das Gewicht des Fahrzeugs auf Wunsch um das Gewicht der genannten Komponenten verringert werden, sofern die Batteriekapazität für die geplanten Fahrten für ausreichend angesehen wird. According to a development of the drive concept, it can be provided that the power unit 15 is optionally formed with or without the tank 20 and components not shown, in particular the control of the generator 15 and the exhaust system, as a module, which is preferably removed as a whole from the vehicle , In this way, if desired, the weight of the vehicle can be reduced by the weight of said components, as long as the battery capacity for the planned journeys is considered sufficient.
Der durch die Entnahme des Stromaggregat-Moduls frei werdende Platz kann beispielsweise durch Vorsehen eines entsprechenden Einsatzes als weiterer Gepäckraum zur Verfügung gestellt werden oder es kann bei Bedarf eine weitere Batterie zur Erhöhung der lokal emissionslosen Reichweite eingebaut werden. The freed by the removal of the generator module space can be made available, for example, by providing a corresponding insert as a further luggage space or it can be installed if required, another battery to increase the local emission-free range.
Ein ausgebautes Stromaggregat-Modul kann, ggf. durch Einbau in ein Stand-alone- Modul, das nicht aus dem Fahrzeug entnommene Komponenten wie eine A built-in generator module can, if necessary by installation in a stand-alone module, the not removed from the vehicle components such as a
Steuerungseinrichtung, einen Kraftstofftank und/oder eine Abgasanlage umfasst, als mobiles Stromaggregat betrieben werden. Sofern dieses mobile Stromaggregat durch einen Netzbetreiber gesteuert werden kann, kann es beispielsweise dafür genutzt werden, um Leistungsspitzen abzudecken bzw. Regelenergie zur Verfügung zu stellen. Gerade bei Fahrzeugen, die zumindest während der Woche weit überwiegend für die Fahrt zur Arbeit und andere relativ kurze Strecken eingesetzt werden, kann das Stromaggregat 15 so einer sinnvollen Zweitnutzung zugeführt werden. Selbstverständlich ist es hierfür sinnvoll, das Stromaggregat-Modul und ggf. ein an dessen Stelle einbaubares Batteriemodul so auszugestalten, dass es vom Nutzer ohne besondere Kenntnisse in kurzer Zeit ein- und ausgebaut und ggf. in ein Stand-Alone-Modul eingebaut werden kann, wofür es bevorzugt als gekapselte Einheit mit Schnellverbindungen für Frischluft, Abgas, Kraftstoff, elektrische Energie und Steuerungssignale ausgebildet wird. Control device, a fuel tank and / or an exhaust system includes operated as a mobile power generator. If this mobile generator set can be controlled by a network operator, it can be used, for example, to cover power peaks or to provide control energy. Especially for vehicles that are mainly used at least during the week for driving to work and other relatively short distances, the generator 15 can be supplied as a meaningful secondary use. Of course, it makes sense to use the generator module and, if necessary, to design a battery module which can be installed in its place in such a way that it can be installed and removed by the user without special knowledge in a short time and optionally installed in a stand-alone module, for which it is preferred as an encapsulated unit with quick connections for fresh air, exhaust gas, Fuel, electrical energy and control signals is formed.
Wird das Fahrzeug mittels des externen Ladeports 38 an ein externes Stromnetz angeschlossen und kann der Netzbetreiber bei Bedarf, insbesondere zum Ausgleich kurzfristiger Leistungsspitzen eine Einspeisung elektrischer Leistung aus dem Fahrzeug in das Stromnetz anfordern, können bis zu ca. 22 KW durch das If the vehicle is connected to an external power supply by means of the external charging port 38 and the grid operator can request an infeed of electrical power from the vehicle into the power grid, in particular to compensate for short-term power peaks, up to approx
Stromaggregat 15 und/oder die Batterie 34 bereitgestellt werden, ist die Generator 15 and / or the battery 34 are provided, is the
Laderegelung entsprechend ausgelegt, ist zudem unter Einbeziehung der Batterie 34, des Elektroschwungrades 43 und/oder des Stromaggregates 15 die kurzfristige Bereitstellung von höheren Leistungen möglich. Charge control designed accordingly, the short-term provision of higher power is also possible with the involvement of the battery 34, the electric flywheel 43 and / or the power unit 15.
Es hat sich gezeigt, dass das beschriebene Antriebskonzept in vorteilhafter weise ergänzt werden kann durch ein Anzeigekonzept, das im Folgenden näher beschrieben wird. Das vorgestellte Antriebskonzept vermittelt einem Fahrer den Eindruck, dass das Fahrzeug zu jeder Zeit über eine Antriebsleistung von wenigstens ca. 115 KW, bei Betrieb des Stromaggregats 15 sogar über 140 kW Leistung verfügt. It has been shown that the described drive concept can be advantageously supplemented by a display concept which will be described in more detail below. The proposed drive concept gives a driver the impression that the vehicle at any time via a drive power of at least about 115 KW, when operating the generator 15 even over 140 kW power has.
Es sind jedoch Situationen denkbar, in denen das Elektroschwungrad 43, das mit ca. 100 kW den größten Teil der Maximalleistung bereitstellt, während der Fahrt so weit entladen wird, dass es keine Antriebsleistung mehr abgeben kann, wodurch die maximal bereitstellbare Antriebsleistung für den Fahrer unvorhergesehen und stark auf maximal ca. 35 kW - 45 kW abnehmen kann. Da das Elektroschwungrad 43 bis zur nahezu vollständigen Entladung im Wesentlichen die volle Leistung abgeben kann, kann ein für den Fahrer überraschender Leistungseinbruch zu gefährlichen Situationen, beispielsweise während eines Überholvorgangs führen. Zur Abmilderung des Einbruchs der Antriebsleistung ist es sinnvoll, den However, situations are conceivable in which the flywheel 43, which provides about 100 kW most of the maximum power is discharged during the ride so far that it can no longer deliver drive power, causing the maximum providable drive power for the driver unanticipated and strong to a maximum of about 35 kW - 45 kW can decrease. Since the electric flywheel 43 can give up substantially full power until almost complete discharge, a sudden performance collapse that is surprising for the driver can lead to dangerous situations, for example during an overtaking process. To mitigate the collapse of the drive power, it makes sense to
Leistungsübergang bei weitgehender Entladung des Elektroschwungrades 43 durch eine zunehmende Begrenzung der durch das Elektroschwungrad 43 abgebbaren Leistung weniger abrupt zu gestalten, wobei eine Anforderung maximaler Leistung, beispielsweise durch einen Kickdown des Fahrpedals, ggf. hiervon ausgenommen werden kann. Weiter ist es sinnvoll, die kurzzeitig mögliche Entladungsleistung der Batterie 34 nach Möglichkeit auf z. B. 30 kW, entsprechend 2 C anzuheben, sofern die aktuellen Batterieparameter und die Auslegung der Batterieelektronik dies gestatten. Diese Anhebung der Entladungsleistung der Batterie 34 kann bevorzugt bereits bei einem SOC des Elektroschwungrades 43 von z.B. 20 % einsetzen, um einen Leistungseinbruch hinauszuzögern und nach Möglichkeit ganz zu vermeiden. Achieving power transfer with substantial discharge of the electric flywheel 43 by an increasing limitation of the deliverable by the electric flywheel 43 power less abrupt, with a request for maximum power, for example, by a kickdown of the accelerator pedal, if necessary, can be excluded. It is also useful, the short-term possible discharge power of the battery 34 as far as possible to z. B. 30 kW, corresponding to 2 C increase, if the current battery parameters and the design of the battery electronics allow this. This increase in the discharge power of the battery 34 may preferably already be achieved with an SOC of the flywheel 43 of e.g. Use 20% to delay a performance slump and avoid it if possible.
Fährt das Fahrzeug jedoch über eine längere Strecke mit einer Geschwindigkeit, die deutlich über der Dauerhöchstgeschwindigkeit liegt oder wird aus anderen Gründen, beispielsweise bei einer Passfahrt mit langen Steigungen oder im Zugbetrieb mit einem Anhänger über einen längeren Zeitraum eine Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs und den Betrieb der Nebenaggregate abgerufen, die über der Leistung des Stromaggregates 15 von hier 25 kW zuzüglich der hier mit maximal 15 kW angenommenen, normalen Entladeleistung der Batterie 34 liegt, wird das But drives the vehicle over a longer distance at a speed that is well above the maximum speed or is for other reasons, for example, in a long-haul driving or pulling a trailer for a long period of power for the drive of the vehicle and the Operation of the ancillary units retrieved, which is above the power of the generator 15 from here 25 kW plus the here assumed maximum 15 kW, normal discharge capacity of the battery 34, the
Elektroschwungrad 43 kontinuierlich entladen. Wird der Fahrer hierüber nicht durch eine leicht verständliche und unmittelbar wahrnehmbare Information unterrichtet, kann es insbesondere bei Überholvorgängen zu gefährlichen Situationen kommen, die unbedingt vermieden werden sollen. Es besteht daher ein Bedarf nach einer einfachen und klaren Anzeige des Ladegrades des Elektroschwungrades 43 in Form einer Anzeige der momentan und in naher Zukunft voraussichtlich abrufbaren Fahrleistungen. Electric flywheel 43 continuously discharged. If the driver is not informed about this by easily understandable and directly perceptible information, dangerous situations may arise in particular during overtaking, which must be avoided at all costs. There is therefore a need for a simple and clear indication of the degree of charge of the flywheel 43 in the form of a display of current and expected near-term performance in the near future.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Vorschlägen für die Anzeige eines verfügbaren Energiegehaltes in Elektro- und Hybridfahrzeugen bekannt, die sich jedoch auf den Energiegehalt einer Traktionsbatterie beziehen, der entweder als prozentualer Wert des maximalen absoluten oder nutzbaren SOCs, als absoluter Wert einer aus der Batterie abrufbaren elektrischen Energiemenge oder als mit dieser Energiemenge voraussichtlich zurücklegbare Fahrstrecke angezeigt werden. Ziel dieser Anzeigen ist eine Information über den Energiegehalt der Batterie und damit eine verbesserte Planbarkeit von Netzladungen und ein Schutz vor sogenannten Liegenbleibern durch entladene Traktionsbatterien. A variety of proposals for displaying an available energy content in electric and hybrid vehicles are known from the prior art, but relate to the energy content of a traction battery, either as a percentage of the maximum absolute or usable SOCs, as an absolute value of a the battery retrievable amount of electrical energy or as with this amount of energy is expected to be displayed zurücklegbare route. The aim of these displays is information about the energy content of the battery and thus improved planning of grid charges and protection against so-called lingering by discharged traction batteries.
Das hier vorgestellte Anzeigekonzept zielt dagegen auf eine Information des Fahrers, die es ihm erlaubt, die kurzfristig für den Fahrzeugantrieb abrufbare Leistung bzw. Arbeit auf möglichst leicht verständliche und intuitive Weise abzuschätzen, um einen plötzlichen und unvorhergesehenen, vorübergehenden Einbruch der verfügbaren Antriebsleistung vermeiden zu können. The display concept presented here, on the other hand, aims at informing the driver that allows him to assess the performance or work that can be called up for the vehicle drive in the shortest possible and intuitive manner in order to avoid a sudden and unforeseen, temporary collapse of the available drive power ,
Ohne eine derartige Anzeige könnte es zu Situationen kommen, in denen ein Fahrer im Vertrauen auf die üblicher Weise zur Verfügung stehende maximale Without such an indication, situations could occur in which a driver may rely on the maximum available in the usual way
Antriebsleistung des Fahrzeugs von z.B. 140 KW beispielsweise zu einem Driving power of the vehicle of e.g. 140 KW for example to one
Überholmanöver ansetzt, das jedoch nur gefahrlos ausgeführt werden kann, wenn die Antriebsleistung nicht für den Fahrer unvorhergesehen auf die Leistung des Stromaggregates 15 und der aus der Batterie 34 entnehmbaren, für den Antrieb verfügbaren Leistung von in diesem Beispiel zusammen ca. 40 kW - 45 KW einbricht. Overtaking maneuver attaches, which, however, can only be performed safely when the drive power not for the driver unforeseen on the performance of the generator 15 and the battery 34 removable, available for the drive power of about 40 kW - 45 KW in this example together breaks.
Ein bevorzugtes Anzeigekonzept wird im Folgenden anhand von Fig. 4 erläutert. A preferred display concept is explained below with reference to FIG. 4.
In Fig. 4 ist eine Geschwindigkeitsanzeigeeinheit 100 dargestellt, die im Folgenden auch kurz als Tachometer bezeichnet wird. Darin ist neben einer Tachonadel 110 auch ein zusätzliches Höchstgeschwindigkeits-Anzeigeelement 130 vorgesehen, auf dem die zu einem gegebenen Zeitpunkt durch das Fahrzeug erreichbare und für eine für eine festgelegte Mindestdistanz aufrecht erhaltbare Höchstgeschwindigkeit dargestellt werden kann. Das Höchstgeschwindigkeits-Anzeigeelement 130 kann aus einem zusätzlichen Zeiger eines als Rundinstrument oder Balkeninstrument ausgebildeten Tachometers 100 oder einer vergleichbaren Anzeige in Form eines segmentweise oder stufenlos optisch veränderbaren Streifens oder Kreis- bzw. Kreisringsegments bestehen. Das Anzeigeelement 130 stellt im Normalbetrieb einen deutlich sichtbaren Bereich 150 dar, der eine untere Grenze 120 (hier ca. 125 km/h) und eine obere Grenze 140 (hier ca. 175 km/h) hat. Die untere Grenze 120 entspricht der derzeitigen FIG. 4 shows a speed display unit 100, which will also be referred to below as a speedometer in the following. Therein, in addition to a tachometer needle 110, an additional maximum speed indicator element 130 is provided, on which the vehicle can be reached at a given time and can be maintained for a maximum distance that can be maintained for a defined minimum distance. The high-speed display element 130 may consist of an additional pointer of a tachometer 100 designed as a round instrument or bar instrument or a comparable display in the form of a segment-wise or continuously optically changeable strip or circular segment. The display element 130 is in normal operation a clearly visible area 150, which has a lower limit 120 (here about 125 km / h) and an upper limit 140 (here about 175 km / h). The lower limit 120 corresponds to the current one
Geschwindigkeit des Fahrzeugs, entsprechend der Tachometeranzeige, und die obere Grenze 140 wird ermittelt durch die kurzfristig erreichbare und für eine vorgegebene Fahrstrecke aufrechterhaltbare Höchstgeschwindigkeit, im folgenden auch kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 genannt. Diese vorgegebene Fahrstrecke kann im einfachsten Fall fest vorgegeben sein und beispielsweise 500 m betragen. Bevorzugt kann sie jedoch auch als Funktion der derzeitigen Geschwindigkeit und/oder der erreichbaren Maximalgeschwindigkeit variabel sein. An Stelle der festgelegten Fahrstrecke kann äquivalent eine Speed of the vehicle, according to the tachometer display, and the upper limit 140 is determined by the short-term achievable and maintainable for a given distance maximum speed, hereinafter referred to as short-term maximum speed 140. This predetermined route can be fixed in the simplest case and be for example 500 m. Preferably, however, it may also be variable as a function of the current speed and / or the achievable maximum speed. In place of the specified route can equivalent to a
Zeitspanne vorgegeben werden, über die die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit aufrecht erhalten werden kann. Period of time over which the short-term maximum speed can be maintained.
Hierfür wird zumindest die ermittelte oder angenommene Masse des Fahrzeugs, die derzeitige Fahrgeschwindigkeit und der derzeitige nutzbare Energiegehalt des Elektroschwungrades 43 ermittelt. Mit Hilfe von Angaben zu den unter normalen Bedingungen bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten zur Beschleunigung auf eine höhere Geschwindigkeit benötigten Energiemenge und der zur For this purpose, at least the determined or assumed mass of the vehicle, the current driving speed and the current usable energy content of the electric flywheel 43 is determined. With the help of information on the amount of energy required under normal conditions at different speeds to accelerate to a higher speed and the
Aufrechterhaltung dieser höheren Fahrgeschwindigkeit über die vorgegebene Fahrstrecke bei konstanter Fahrgeschwindigkeit benötigten Energiemenge, kann die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 ermittelt und angezeigt werden. Maintaining this higher speed over the given distance at a constant speed required amount of energy, the short-term maximum speed 140 can be determined and displayed.
Die genaue Art der Ermittlung kann durch den Fachmann bei Vorliegen der genannten Eingangsdaten leicht auf unterschiedliche Arten festgelegt werden, wobei im einfachsten Fall auf ein zuvor erstelltes mehrdimensionales Kennfeld zurückgegriffen werden kann. Alternativ ist auch eine arithmetische Berechnung, ggf. mit das gewünschten Verhältnis zwischen Aufwand und Genauigkeit berücksichtigenden Vereinfachungen, möglich. Ausgehend von der vorstehend vorgestellten Grundvariante sind eine Vielzahl von Abwandlungen und Weiterbildungen zur Verbesserung der Genauigkeit möglich, deren wichtigste im Folgenden dargestellt werden sollen: Abwandlungen bzw. Erweiterungen zur Erhöhung der Genauigkeit: The exact nature of the determination can be easily determined by the skilled person in the presence of said input data in different ways, in the simplest case, a previously created multi-dimensional map can be used. Alternatively, it is also possible to perform an arithmetic calculation, possibly with the desired relationship between expenditure and accuracy taking into account simplifications. Starting from the basic variant presented above, a large number of modifications and developments are possible for improving the accuracy, the most important of which are to be represented below: Modifications or extensions to increase the accuracy:
Berücksichtigung der möglichen Leistungsabgabe der Batterie 34, wobei vorteilhaft beispielsweise der SOC, SOH und Temperatur der Batterie 34 und ggf. der Bedarf an nicht für den Antrieb verwendeter elektrischer Leistung für z.B. Innenraumklimatisierung, Heizungen und weitere Verbraucher  Considering the possible power output of the battery 34, advantageously taking for example the SOC, SOH and temperature of the battery 34 and possibly the need for not used for the drive electrical power for e.g. Interior climate control, heaters and other consumers
berücksichtigt werden können.  can be considered.
Genauere Ermittlung der tatsächlichen Masse des Fahrzeugs, beispielsweise durch Beladungssensoren, aus fahrdynamischen Daten, etc.  More precise determination of the actual mass of the vehicle, for example by load sensors, from vehicle dynamics data, etc.
Genauere Ermittlung der für die Beschleunigung auf die kurzfristige  More precise determination of the acceleration for the short-term
Höchstgeschwindigkeit 140 benötigten Energie und der zur Aufrechterhaltung dieser Geschwindigkeit über die vorgegebenen Strecke notwendigen Energie durch Berücksichtigung von ermittelten, übermittelten, abgeschätzten oder angenommenen Werten für den Luftwiderstand, wobei beispielsweise das Vorhandensein von Dachkoffern, Dachgepäckträgern oder Anhängern berücksichtigt werden kann, durch Berücksichtigung der Windrichtung und- Geschwindigkeit, der Berücksichtigung von relevanten Eigenschaften der derzeitigen und/oder voraus liegenden Fahrstrecke und insbesondere deren Steigung, die beispielsweise aus einem Navigationssystem bekannt sein können.  Maximum speed 140 energy required and the energy required to maintain that speed over the given distance by taking into account detected, transmitted, estimated or assumed values for air resistance, taking into account, for example, the presence of roof boxes, roof racks or trailers, taking into account the wind direction and - Speed, the consideration of relevant characteristics of the current and / or preceding route and in particular their slope, which may be known for example from a navigation system.
Variable Vorgabe der festgelegten Fahrstrecke, über die die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 aufrecht erhalten werden kann.  Variable specification of the specified route over which the short-term maximum speed 140 can be maintained.
Variable Vorgabe eines Sicherheitspuffers, beispielsweise über eine feste oder variable, rechnerische Verringerung der zu Grunde gelegten, im Schwungrad 42 verfügbaren Energiemenge, durch eine Verringerung der ermittelten kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 um einen festen oder variablen, absoluten oder prozentualen Wert, und/oder durch entsprechende Sicherheits- Variable default of a safety buffer, for example via a fixed or variable, mathematical reduction of the underlying amount of energy available in the flywheel 42, by reducing the determined short-term maximum speed 140 by a fixed or variable, absolute or percentage value, and / or by appropriate security -
Faktoren bei der Ermittlung der in die Ermittlung eingehenden Parameter. Berücksichtigung der Möglichkeit, zurzeit nicht für den Fahrzeugantrieb genutzte Energie zur Verfügung zu stellen, indem beispielsweise nicht zwingend erforderliche, leistungsstarke Verbraucher, insbesondere Heiz- und Klimatisierungseinrichtungen vorübergehend abgeschaltet werden. Factors in determining the parameters used in the determination. Taking into account the possibility of not providing energy currently used for vehicle propulsion, for example by temporarily switching off non-essential, high-performance consumers, in particular heating and air-conditioning equipment.
Abwandlungen und Erweiterungen zur Verbesserung der Darstellung der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140: Modifications and enhancements to improve the presentation of the short-term maximum speed 140:
- Grundsätzlich ist es sinnvoll, die mögliche maximale Anzeige der  - Basically, it makes sense the maximum possible display of
kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 auf die durch das Fahrzeug durch konstruktive Festlegung absolut erreichbare Höchstgeschwindigkeit zu begrenzen.  short-term maximum speed 140 to limit by the vehicle by constructive determination absolutely achievable maximum speed.
- Weiter ist es sinnvoll, die Wahrnehmbarkeit bzw. Auffälligkeit der Anzeige der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 veränderbar zu gestalten, indem beispielsweise bei einer Differenz zwischen der derzeitigen  Furthermore, it makes sense to make the perceptibility or conspicuousness of the display of the short-term maximum speed 140 changeable by, for example, taking a difference between the current one
Fahrgeschwindigkeit und der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit unterhalb eines ersten Grenzwertes die Helligkeit, die Farbe oder der Kontrast der Anzeige erhöht wird und/oder der Fahrer durch optische, akustische und/oder haptische Signale darauf aufmerksam gemacht wird, dass er sich einem Grenzbereich nähert, in dem ein plötzliches Absinken der  Driving speed and the short-term maximum speed below a first limit, the brightness, the color or the contrast of the display is increased and / or the driver is made aware by optical, acoustic and / or haptic signals that he approaches a border area in which sudden drop in the
Antriebsleistung eintreten könnte. Selbstverständlich können auch mehrere Drive power could occur. Of course, several can
Grenzwerte mit abgestuften Graden der Wahrnehmbarkeit oder der Dringlichkeit von Warnsignalen definiert werden und diese Grenzwerte fest vorgegeben oder in Abhängigkeit weiterer Größen variabel vorgegeben werden. Limits with graded degrees of perceptibility or urgency of warning signals are defined and these limits are fixed or specified variable depending on other variables.
- Die Anzeige der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 könnte bei  - The display of short-term speed 140 could be at
Überschreitung eines festen oder variablen Grenzwertes der Differenz zwischen derzeitiger Fahrgeschwindigkeit und der kurzfristigen  Exceeding a fixed or variable limit of the difference between the current driving speed and the short-term
Höchstgeschwindigkeit 140 abgeschaltet werden, da sie für den Fahrer in diesem Fall nur einen geringen Informationswert für sein Fahrverhalten besitzt. Beispielsweise könnte die Anzeige der kurzfristig erreichbaren Maximum speed 140 are turned off because it has only a small information value for the driver in this case for the driver in this case. For example, the ad could be the short term
Höchstgeschwindigkeit 140 erst dann aktiviert werden, wenn diese weniger als 50 km/h über der derzeitigen Fahrgeschwindigkeit liegt. Sobald die Differenz zwischen derzeitiger Fahrgeschwindigkeit 120 und kurzfristig erreichbarer Höchstgeschwindigkeit 140 weniger als 40 km/h beträgt, könnte die Anzeige von z. B. grün auf z.B. gelb, bei Unterschreitung einer Differenz von 30 km/h auf rot wechseln und bei Unterschreitung einer Differenz von 20 km/h zusätzlich blinken und/oder eine akustische Warnung ausgegeben werden. Eine Hysteresefunktion ist zur Vermeidung einer schnellen und wiederholten Umschaltung der Anzeige sinnvoll.  Maximum speed 140 are activated only if it is less than 50 km / h above the current driving speed. As soon as the difference between the current driving speed 120 and short-term attainable maximum speed 140 is less than 40 km / h, the display of z. Green, e.g. yellow, change to red if the difference falls below 30 km / h and, if the difference falls below 20 km / h, flash additionally and / or an acoustic warning is issued. A hysteresis function is useful to avoid a quick and repeated switching of the display.
Schließlich ist selbstverständlich eine Personalisierung der Anzeige möglich, bei der die Art der Anzeige, die Höhen der Grenzwerte und ggf. weitere Parameter entweder durch einen Servicetechniker, durch den Fahrer, über eine Auswertung des Fahrverhaltens des Fahrers oder durch Wahl zwischen bestimmten Finally, of course, a personalization of the display is possible in which the type of display, the heights of the limits and possibly other parameters either by a service technician, by the driver, an evaluation of the driving behavior of the driver or by choosing between certain
Voreinstellungen, beispielsweise "ökonomisch" oder„sportlich" gewählt bzw.  Presets, for example "economically" or "sporty" chosen or
veränderbar eingestellt bzw. vorgegeben werden können. can be set changeable or specified.
Figur 4 zeigt den Tachometer 100 mit einem innerhalb der Skala des Tachometers 100 angeordneten Höchstgeschwindigkeits-Anzeigeelement 130 zur Anzeige der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140. Der mögliche Anzeigebereich des FIG. 4 shows the tachometer 100 with a maximum speed display element 130 arranged within the scale of the speedometer 100 for indicating the short-term maximum speed 140. The possible display range of the
Anzeigeelementes 130 kann - wie hier dargestellt - erst bei einer Position der Tachometerskala beginnen, bei der in der Praxis ein Auftreten eines Display element 130 can - as shown here - only begin at a position of the tachometer scale, in practice, an occurrence of a
Leistungseinbruchs durch ein entladenes Elektroschwungrad unter normalen Bedingungen für möglich gehalten wird, hier ab einer Fahrgeschwindigkeit von 90 km/h. Der mögliche Anzeigebereich des Anzeigeelementes 130 kann vorteilhaft auf die konstruktiv festgelegte, absolute Höchstgeschwindigkeit, hier ca. 199 km/h begrenzt werden. Der Tachometer 100 ist vereinfacht dargestellt und kann selbstverständlich wie üblich weitere Anzeigen, Kontrollleuchten etc. beinhalten und als physikalisches Instrument oder als Darstellung eines Instrumentes auf einem Display ausgeführt sein und von einer Kreisform abweichende Gestalten aufweisen. Das Power loss is considered possible by a discharged electric flywheel under normal conditions, here from a speed of 90 km / h. The possible display range of the display element 130 can be advantageously limited to the design-defined, absolute maximum speed, here about 199 km / h. The tachometer 100 is shown in a simplified manner and can, of course, as usual, contain further displays, indicator lights, etc., and be executed as a physical instrument or as a representation of an instrument on a display be and have a shape deviating from a circular shape. The
Anzeigeelement 130 kann wie hier dargestellt im Innern des Tachometers 100, aber auch räumlich benachbart zu diesem vorgesehen werden. Im hier dargestellten Beispiel beträgt die momentane Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs 125 km/h, was hier durch die Tachonadel 110 angezeigt wird. Statt der Tachonadel 110 können selbstverständlich auch andere geeignete Mittel verwendet werden. Entsprechend beginnt der für den Fahrer sichtbare bzw. optisch Display element 130 can, as shown here, be provided inside the speedometer 100, but also spatially adjacent to it. In the example shown here, the current vehicle speed is 125 km / h, which is indicated here by the tachometer needle 110. Of course, other suitable means may be used instead of the tachometer needle 110. Accordingly, the visible to the driver or visually begins
hervorgehobene Bereich des Anzeigeelements 130 bei einer der gezeigten Stellung der Tachonadel 110 entsprechenden Position und erstreckt sich bis zu einer Position 140, die der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit, jedoch bevorzugt höchstens der absoluten Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs, entspricht. highlighted portion of the display element 130 at a position shown in the position of the tachometer needle 110 corresponding position and extends to a position 140, which corresponds to the short-term maximum speed, but preferably at most the absolute maximum speed of the vehicle.
Das Anzeigeelement 130 kann zur Erhöhung der Übersichtlichkeit vollständig abgeschaltet bzw. optisch unauffällig geschaltet werden, wenn der durch das Anzeigeelement 130 darzustellende Geschwindigkeitsbereich einen ggf. von der Fahrgeschwindigkeit abhängigen Grenzwert überschreitet. So kann es sinnvoll sein, die Anzeige 130 zu deaktivieren, wenn die darzustellende kurzfristige For reasons of clarity, the display element 130 can be completely switched off or optically unobtrusive if the speed range to be displayed by the display element 130 exceeds a limiting value which may be dependent on the driving speed. So it may be useful to disable the display 130, if the short-term to be displayed
Höchstgeschwindigkeit 140 mehr als z. B. 50 km/h über der momentanen Maximum speed 140 more than z. B. 50 km / h above the current
Fahrgeschwindigkeit liegt, da in diesem Fall eine plötzliche Beschleunigung bis an die Energie- und Leistungsgrenzen des Fahrzeugs unwahrscheinlich ist und eine Aktivierung des Anzeigeelementes 130 in jedem Fall so rechtzeitig erfolgt, dass keine sicherheitsrelevanten Effekte zu befürchten sind. Selbstverständlich kann auch dem Fahrer die Auswahl überlassen werden, ob das Anzeigeelement im Fahrbetrieb dauernd aktiv sein soll. Weiter kann es dem Fahrer ermöglicht werden, die hierfür relevanten Grenzwerte z.B. über ein Bildschirmmenü selbst festzulegen, wobei die Auswahl durch den Hersteller vorteilhaft so begrenzt werden kann, dass die beabsichtigte Warnfunktion in ausreichendem Maße erhalten bleibt. In Figur 4 ebenfalls nicht dargestellt ist eine Verstärkung der Wahrnehmbarkeit des aktiven Bereiches 150 des Anzeigeelementes 130 in Abhängigkeit von der durch das Anzeigeelement 130 angezeigten Beschleunigungsreserve, also der Differenz zwischen der derzeitigen Fahrgeschwindigkeit und der kurzfristigen Driving speed is because in this case a sudden acceleration up to the energy and performance limits of the vehicle is unlikely and activation of the display element 130 in each case takes place in a timely manner that no safety-relevant effects are to be feared. Of course, it is also up to the driver to decide whether the display element should be permanently active while driving. Further, it may be possible for the driver to set himself the relevant limits, for example via a screen menu itself, the selection can be advantageously limited by the manufacturer so that the intended warning function is maintained sufficiently. Also not shown in FIG. 4 is an increase in the perceptibility of the active region 150 of the display element 130 as a function of the acceleration reserve indicated by the display element 130, that is to say the difference between the current driving speed and the short-term
Höchstgeschwindigkeit, beispielsweise durch unterschiedliche Farbgebungen, Helligkeiten, Kontraste und/oder zusätzliche optische, akustische und/oder haptische Signale. Maximum speed, for example, by different colors, brightnesses, contrasts and / or additional optical, acoustic and / or haptic signals.
Schließlich sei erwähnt, dass das Anzeigeelement 130 selbstverständlich auf unterschiedliche Arten realisiert werden kann und beispielsweise auf einer Reihe von bei Rundinstrumenten kreisbogenförmig angeordneten LEDs oder anderer Leuchtmittel oder auf mechanischen und beweglichen Blenden basieren kann. Bei einem ohnehin für die Darstellung des Tachometers 100 verwendeten, grafischem Display oder einem innerhalb oder außerhalb des Tachometers 100 benachbart angeordnetem und geeigneten grafischen Display ist die Darstellung des Finally, it should be mentioned that the display element 130 can of course be realized in different ways and can be based, for example, on a series of circular-shaped LEDs arranged in round instruments or other light sources or on mechanical and movable diaphragms. In an already used for the display of the tachometer 100, graphical display or adjacent within or outside of the tachometer 100 and arranged suitable graphical display is the representation of
Anzeigeelementes 130 als Teil dieses grafischen Displays bevorzugt. Display element 130 is preferred as part of this graphical display.
Referenzzeichenliste Reference Signs List
10 Verbrennungsmotor-Modul 10 combustion engine module
11 Erstes Brennstoffzellen-Modul  11 First fuel cell module
12 Zweites Brennstoffzellen-Modul 12 Second fuel cell module
13 Hochleistungsenergiespeicher, Schwungrad-Modul  13 high-performance energy storage, flywheel module
14 erster chemisch-mechanischer Energiewandler, Verbrennungsmotor 14 first chemical-mechanical energy converter, internal combustion engine
15 Stromaggregat 15 generator
16 Erste Brennstoffzelle  16 First fuel cell
18 Erste Kraftstoffleitung 18 First fuel line
20 Erster Tank  20 First tank
22 Zweite Kraftstoffleitung  22 Second fuel line
24 Zweiter Tank  24 Second tank
26 Erste Elektromaschine  26 First electric machine
28 Zweite Brennstoffzelle 28 Second fuel cell
30 Dritte Kraftstoff leitung  30 third fuel line
32 Dritter Tank  32 Third tank
34 erster elektrischer Energiespeicher, Batterie  34 first electrical energy storage, battery
36 Erste elektrische Leitung  36 First electrical line
38 Ladeport 38 charging port
40 Zweite Elektromaschine  40 Second electric machine
42 Schwungradanordnung  42 flywheel assembly
43 Hochleistungsenergiespeicher, Elektroschwungrad  43 High-performance energy storage, electric flywheel
44 Dritte Elektromaschine / Antriebs-Elektromaschine  44 Third electric machine / drive electric machine
45 Radnabenmotor 45 wheel hub motor
46 Antriebsmittel, Antriebsrad / Antriebsräder  46 drive means, drive wheel / drive wheels
48 Erster mechanischer Antrieb  48 First mechanical drive
50 Zweiter mechanischer Antrieb  50 Second mechanical drive
52 Dritter mechanischer Antrieb  52 Third mechanical drive
54 Vierter mechanischer Antrieb 54 Fourth mechanical drive
56 Fünfter mechanischer Antrieb  56 fifth mechanical drive
57 Zweite elektrische Leitung Dritte elektrische Leitung 57 Second electrical line Third electrical line
Vierte elektrische Leitung  Fourth electrical line
Siebte elektrische Leitung  Seventh electrical line
Fünfte elektrische Leitung  Fifth electrical line
Achte elektrische Leitung  Eighth electrical line
Neunte elektrische Leitung  Ninth electrical line
Zehnte elektrische Leitung  Tenth electrical line
Sechste elektrische Leitung  Sixth electrical line
Elfte elektrische Leitung  Eleventh electrical line
Sechster mechanischer Antrieb  Sixth mechanical drive
Zwölfte elektrische Leitung  Twelfth electrical line
Geschwindigkeitsanzeigeeinheit / Tachometer  Speed display unit / tachometer
Tachonadel  Tachonadel
Untere Grenze von 150  Lower limit of 150
Höchstgeschwindigkeits-Anzeigeelement  Speed Limit display element
Obere Grenze von 150 bzw. kurzfristige Höchstgeschwindigkeit Upper limit of 150 or short-term maximum speed
Aktiver Anzeigebereich von 130 Active display area of 130

Claims

Patentansprüche claims
Antriebsvorrichtung zum Antrieb von Maschinen mit instationärem Drive device for driving machines with unsteady
Leistungsbedarf, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit einem ersten chemisch-mechanischen Energiewandler (14) und/oder einer ersten Power requirement, in particular of motor vehicles, with a first chemical mechanical energy converter (14) and / or a first
Brennstoffzelle (16), einem ersten elektrischen Energiespeicher (34) und/oder einer zweiten Brennstoffzelle (28), einem Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) und einem Antriebsmittel (46), wobei Fuel cell (16), a first electrical energy store (34) and / or a second fuel cell (28), a high-performance energy storage (13 or 43) and a drive means (46), wherein
- die vorgenannten Komponenten (14 und/oder 16; 34 und/oder 28; 13 bzw.  the abovementioned components (14 and / or 16, 34 and / or 28, 13 or
43) derart gestaltet und angeordnet sind, dass sie das Antriebsmittel (46) mechanisch und/oder elektrisch antreiben können, dadurch gekennzeichnet, dass  43) are designed and arranged such that they can mechanically and / or electrically drive the drive means (46), characterized in that
- der Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) eine Leistung für den Antrieb der Maschine abgeben kann, die um den Faktor 1 ,5 bis 8, bevorzugt 2 bis 6, besonders bevorzugt 3 bis 5 und am meisten bevorzugt um ca. den Faktor 4 höher ist als die Summe der Leistungen des ersten chemisch-mechanischen Energiewandlers (14) im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich und/oder der ersten Brennstoffzelle (16).  - The high-performance energy storage (13 or 43) can deliver a power for the drive of the machine by a factor of 1, 5 to 8, preferably 2 to 6, more preferably 3 to 5 and most preferably higher by about a factor of 4 is the sum of the powers of the first chemical-mechanical energy converter (14) in the consumption-optimal operating range and / or the first fuel cell (16).
Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) einen mechanischen Drive device according to claim 1, characterized in that the high-performance energy storage (13 or 43) has a mechanical
Energiespeicher insbesondere in Form einer Schwungradanordnung (42) enthält, die bevorzugt mindestens ein schnelldrehendes, gewickeltes Energy storage in particular in the form of a flywheel assembly (42), preferably at least one fast-rotating, wound
Schwungrad umfasst, das weiter bevorzugt in einem Teilvakuum und/oder in einer Atmosphäre aus einem leichten Gas läuft und dieser mechanische Flywheel, which more preferably runs in a partial vacuum and / or in an atmosphere of a light gas and this mechanical
Energiespeicher mit einer zweiten Elektromaschine (40) mechanisch gekoppelt ist. Energy storage with a second electric machine (40) is mechanically coupled.
Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) ein Speicher auf Basis von Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren und besonders bevorzugt Superkondensatoren oder Hybridkondensatoren ist und/oder einen solchen Speicher enthält. Drive device according to claim 1 or 2, characterized in that the high-performance energy storage (13 or 43), a memory based on capacitors, in particular double-layer capacitors and especially preferably supercapacitors or hybrid capacitors is and / or contains such a memory.
Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that
- der chemisch-mechanische Energiewandler (14) mechanisch mit einer ersten Elektromaschine (26) gekoppelt ist,  - the chemical mechanical energy converter (14) is mechanically coupled to a first electric machine (26),
- das Antriebsmittel (46) mechanisch mit mindestens einer dritten  - The drive means (46) mechanically with at least a third
Elektromaschine (44) verbunden ist,  Electric machine (44) is connected,
- der erste elektrische Energiespeicher (34) mit der ersten und/oder der  - The first electrical energy store (34) with the first and / or the
zweiten Elektromaschine (26; 40) elektrisch verbunden ist, so dass der erste elektrische Energiespeicher (34) von dort elektrische Energie aufnehmen und dorthin abgeben kann.  second electric machine (26; 40) is electrically connected, so that the first electrical energy store (34) can receive electrical energy from there and deliver it there.
Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstoffzelle (16) und/oder die zweite Brennstoffzelle (28) als reversible Brennstoffzellen ausgebildet sind, die zusammen mit einem zugehörigen Kraftstofftank (24 bzw. 32) ein als elektrischer Energiespeicher fungierendes erstes und/oder zweites Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first fuel cell (16) and / or the second fuel cell (28) are designed as reversible fuel cells, which together with an associated fuel tank (24 or 32) acting as an electrical energy storage first and / or second
Brennstoffzellenmodul (11 bzw. 12) bilden. Fuel cell module (11 or 12) form.
Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste chemisch-mechanische Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first chemical-mechanical
Energiewandler (14) im verbrauchsoptimalen Betriebsbereich und/oder die gegebenenfalls vorhandene erste Brennstoffzelle (16) derart ausgelegt sind, in Summe eine Leistung abzugeben, die der Summe des Leistungsbedarfs üblicher im Betrieb aktiver Nebenverbraucher und des Leistungsbedarfs zur Aufrechterhaltung einer konstanten Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in der Ebene bei einer gewünschten Dauerhöchstgeschwindigkeit entspricht, die bevorzugt im Bereich zwischen 90 km/h und 150 km/h, besonders bevorzugt zwischen 110 km/h und 140 km/h und am meisten bevorzugt bei ca. 120 km/h bis 130 km/h liegt. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungsenergiespeicher (13; 43) eine maximale nutzbare Energiemenge speichern kann, die ausreicht, um die Maschine bzw. das Kraftfahrzeug ohne Rekuperation zumindest zwei mal, bevorzugt mindestens drei mal und besonders bevorzugt zwischen 3,5 und 5 mal aus dem Stillstand auf die Dauerhöchstgeschwindigkeit zu beschleunigen. Energy converters (14) in the consumption-optimal operating range and / or the optionally existing first fuel cell (16) are designed to deliver a total sum of the power consumption of conventional active in operation auxiliary consumers and the power requirement to maintain a constant speed of the motor vehicle in the Level at a desired maximum maximum speed, preferably in the range between 90 km / h and 150 km / h, more preferably between 110 km / h and 140 km / h and most preferably at about 120 km / h to 130 km / h lies. Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the high-performance energy store (13; 43) can store a maximum usable amount of energy sufficient to power the machine without recuperation at least twice, preferably at least three times and more preferably between 3.5 and 5 times from a standstill to accelerate to the maximum speed.
Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Energiespeicher (34) derart ausgelegt ist, um im Normalbetrieb der Maschine mit Leistungen von maximal 2 C, bevorzugt maximal 1 ,5 C und besonders bevorzugt maximal 1 C belastet zu werden, wobei die Be- und Entladung im Vergleich zum Leistungsbedarf der Maschine sehr gleichmäßig erfolgt. Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first electrical energy store (34) is designed so as to be loaded during normal operation of the machine with powers of at most 2 C, preferably at most 1, 5 C and more preferably at most 1 C. , wherein the loading and unloading is very uniform compared to the power requirement of the machine.
Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nutzbare Kapazität des ersten elektrischen Energiespeichers (34) so bemessen ist, dass sie zumindest um den Faktor 4, bevorzugt um den Faktor 8 und besonders bevorzugt um den Faktor 10 größer als die nutzbare Kapazität des Hochleistungsenergiespeichers (13; 43) ist. Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the usable capacity of the first electrical energy store (34) is such that it is at least by a factor of 4, preferably by a factor of 8 and more preferably by a factor of 10 greater than the usable Capacity of high performance energy storage (13; 43).
0. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine über einen Ladeport (38) verfügt, über den elektrische Energie zwischen einem maschinenexternen Stromnetz und zumindest einem der vorhandenen elektrischen Energiespeicher (11 , 12, 13 bzw. 43, 34) ausgetauscht werden kann und wobei eine 0. Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the machine has a charge port (38), via the electrical energy between an external power grid and at least one of the existing electrical energy storage (11, 12, 13 and 43, 34 ) can be exchanged and where one
Laderegelungseinrichtung zum Laden zumindest einer der vorgenannten elektrischen Energiespeicher (11 , 12, 13 bzw. 43, 34), bevorzugt des ersten elektrischen Energiespeichers (34) und des Hochleistungsenergiespeichers ( 3 bzw. 43), vorgesehen ist, deren Dauerleistung so bemessen ist, dass sie einen maximalen Ladestrom für den ersten elektrischen Energiespeicher (34) in Höhe von mindestens 1 C, bevorzugt von ca. 1.5 C abgeben kann. Charge control device for charging at least one of the aforementioned electrical energy storage (11, 12, 13 or 43, 34), preferably of the first electrical energy storage (34) and the high-performance energy storage (3 or 43) is provided, the continuous power is such that it can deliver a maximum charging current for the first electrical energy store (34) in the amount of at least 1 C, preferably of about 1.5 C.
11. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Leitungen 11. Drive device according to at least one of the preceding claims, characterized in that electrical lines
(57; 58; 60; 62; 64; 68; 70; 72; 74; 84 und bevorzugt 66), soweit vorhanden, zur Übertragung elektrischer Leistungen zwischen dem ersten elektrischen  (57; 58; 60; 62; 64; 68; 70; 72; 74; 84 and preferably 66), if present, for transmitting electrical power between the first electrical
Energiespeicher (34) und/oder der zweiten Brennstoffzelle (28) und der ersten Energy storage (34) and / or the second fuel cell (28) and the first
Elektromaschine (26) und/oder der ersten Brennstoffzelle (16) und dem Electric machine (26) and / or the first fuel cell (16) and the
Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) bzw. dessen Elektromaschine (40) sowie der dritten Elektromaschine (44) vorgesehen sind, die für berührsichere Spannungen ausgelegt sind, wobei Spannungsumsetzer den jeweiligen  High-performance energy storage (13 or 43) or its electric machine (40) and the third electric machine (44) are provided, which are designed for safe to touch voltages, where voltage converter the respective
Komponenten (16; 26; 28; 34; 40; 44) zugerechnet werden und örtlich zugeordnet sind.  Components (16; 26; 28; 34; 40; 44) are attributed and assigned locally.
12. Kraftfahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der 12. Motor vehicle with a drive device according to at least one of
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug zumindest zwei Achsen mit Antriebsmitteln (46) aufweist, welche jeweils von mindestens einer der dritten Elektromaschinen (44) antreibbar und unter Erzeugung von Rekuperationsenergie bremsbar sind und wobei die Summe der Leistungen der dritten Elektromaschinen (44) der vorderen Achse und der hinteren Achse ein Verhältnis zwischen 80:20 und 60:40, bevorzugt ca. 70:30 aufweist und die Summe der Leistungen der dritten Elektromaschinen (44) so bemessen ist, dass sie zumindest über einen Zeitraum von 10 Sekunden, bevorzugt über einen Zeitraum von 20 Sekunden und besonders bevorzugt zeitlich unbegrenzt eine elektrische Leistung aufnehmen und abgeben können, die zumindest der maximalen elektrischen Leistung des  preceding claims, characterized in that the vehicle has at least two axles with drive means (46), each of which is drivable by at least one of the third electric machines (44) and can be braked to produce recuperation energy, and the sum of the powers of the third electric machines (44). the front axle and the rear axle have a ratio between 80:20 and 60:40, preferably about 70:30, and the sum of the powers of the third electric machines (44) is such that they are at least over a period of 10 seconds, preferably over a period of 20 seconds and more preferably indefinitely record an electrical power and can deliver, at least the maximum electrical power of
Hochleistungsenergiespeichers (13 bzw. 43) bzw. der darin ggf. enthaltenen zweiten Elektromaschine (40) entspricht und bevorzugt um wenigstens die von dem ersten chemisch-mechanischen Energiewandler (14) und/oder der ersten Brennstoffzelle (16) erzeugten maximalen elektrischen Leistungen größer als diese Leistung ist und besonders bevorzugt nochmals um eine Leistung größer ist, die der Summe aus dem Entladestrom des ersten elektrischen  High-performance energy storage device (13 or 43) or possibly contained therein the second electric machine (40) corresponds to and preferably at least by the first chemical-mechanical energy converter (14) and / or the first fuel cell (16) generated maximum electrical power greater than this power is, and particularly preferably, once again greater by a power which is the sum of the discharge current of the first electric power
Energiespeichers (34) bei 1 C und/oder der maximalen elektrischen Leistung der zweiten Brennstoffzelle 28 entspricht. Energy storage (34) at 1 C and / or the maximum electric power of the second fuel cell 28 corresponds.
13. Kraftfahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche und bevorzugt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste chemisch-mechanische 13. Motor vehicle with a drive device according to at least one of the preceding claims and preferably according to claim 12, characterized in that at least the first chemical-mechanical
Energiewandler (14) und die erste Elektromaschine (26) und/oder das erste Energy converter (14) and the first electric machine (26) and / or the first
Brennstoffzellenmodul (11) baulich gemeinsam derart als Stromgenerator-Modul (15) gestaltet sind, dass dieses auf einfache Weise aus dem Fahrzeug entnommen werden kann. Fuel cell module (11) are designed structurally together as a power generator module (15) that this can be easily removed from the vehicle.
14. Kraftfahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der 14. Motor vehicle with a drive device according to at least one of
vorhergehenden Ansprüche und bevorzugt nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (14) durch den ersten  The preceding claims and preferably according to claim 12 or 13, characterized in that the internal combustion engine (14) through the first
mechanischen Antrieb (48) mit einer ersten schaltbaren Kupplung mit der ersten Elektromaschine (26) und diese über den sechsten mechanischen Antrieb (82) mit einer zweiten schaltbaren Kupplung mit einem Antriebsrad (46) verbunden ist, wobei zwischen dem Verbrennungsmotor (14) und dem Antriebsrad (46) bevorzugt nur eine Getriebestufe mit fester Übersetzung, alternativ ein schaltbares Getriebe mit nur zwei Gängen oder ein stufenlos variables Getriebe mit einer geringen Spreizung der Drehzahlübersetzung von höchstens Faktor 3 vorgesehen ist.  mechanical drive (48) with a first switchable coupling with the first electric machine (26) and this via the sixth mechanical drive (82) with a second switchable clutch with a drive wheel (46) is connected between the internal combustion engine (14) and the Drive wheel (46) preferably only one gear stage with a fixed ratio, alternatively, a switchable transmission with only two gears or a continuously variable transmission with a small spread of the speed ratio of at most 3 factor is provided.
15. Signalvorrichtung für eine Antriebsvorrichtung bzw. ein Kraftfahrzeug gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 15. Signal device for a drive device or a motor vehicle according to at least one of the preceding claims, characterized in that
- eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die aufgrund vorgegebener Parameter einen Wert für eine erreichbare und für eine vorbestimmte Strecke aufrechterhaltbare Höchstgeschwindigkeit (140) der Maschine bzw. des Kraftfahrzeugs ermittelt, und dass  an evaluation unit is provided which, on the basis of predetermined parameters, determines a value for an achievable maximum speed (140) of the machine or of the motor vehicle which can be maintained for a predetermined distance, and in that
- Mittel (130) vorgesehen sind, mittels derer der Wert für die genannte  - Means (130) are provided, by means of which the value for said
Höchstgeschwindigkeit (1 0) optisch und/oder akustisch dargestellt werden kann.  Maximum speed (1 0) can be displayed visually and / or acoustically.
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