WO2012016769A2 - Energiespeichervorrichtung und betriebsverfahren - Google Patents

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WO2012016769A2
WO2012016769A2 PCT/EP2011/061041 EP2011061041W WO2012016769A2 WO 2012016769 A2 WO2012016769 A2 WO 2012016769A2 EP 2011061041 W EP2011061041 W EP 2011061041W WO 2012016769 A2 WO2012016769 A2 WO 2012016769A2
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kinetic energy
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Dominik Bergmann
Matthias Gerlich
Guillaume Pais
Christian Tump
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to an energy storage device for short-term storage of excess kinetic energy. Furthermore, an operating method for this device will be described.
  • Generated electric current can also be used as electrical energy, for example in capacitors, in particular in
  • Such energy storage devices can be used for example in hybrid or electric vehicles.
  • As a highly dynamic buffer memory in particular high performance capacitors are used for storing electrical energy.
  • an energy storage device such as a conventional flywheel two electric machines Um ⁇ judge needed, each of which must be designed for the maximum power of the power source, one for the storage operation and one for the re-storage. This will play increases the size at ⁇ and the energy density of the memory is reduced.
  • the efficiency of flywheels is essentially determined by conversion losses, as well as by the bearing friction.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • flywheels The high efficiency of flywheels has been improved by optimizing the magnetic bearing together with a partial evacuation of the rotor. Since most of flywheel energy storage systems with electricity ar ⁇ BEITEN to accelerate the rotor and brake, the recent developments with regard, for example, carbon fibers in composite materials must be observed. The number of revolutions per minute to be used amounts to, for example, 20-50,000 or more.
  • the object underlying the invention is to provide an energy storage device for the safe handling of load peaks in the transmission of energy and for the reduction of electrical machines. Furthermore, it is necessary to create an operating procedure with the same requirements.
  • the solution of this task is done by a respective feature combination of independently formulated claims. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
  • the invention is based on the finding that the double energy conversion necessary in the use of conventional flywheels in the previous embodiment can be made substantially more efficient.
  • the two electrical machines with converters used in the prior art in conjunction with conventional flywheels are each to be designed for the maximum power to be transferred.
  • At least two electric machines are on a shaft, from the excess kinetic
  • the Minim ⁇ least a second electric machine has a second stator which is mounted on the shaft and rotates with the moving ⁇ chen angular speed as the shaft, and an externally-running flywheel, which can be blocked by a clamping device, whereby the at least one second machine is operable as a motor.
  • the energy storage device has an increased power in continuous load operation when the kinetic energy of the flywheel is zero.
  • the Energy Grandevor ⁇ direction can then not only provide performance over the first electrical machine, but also about the second electric Ma ⁇ machine available.
  • a previously used for recuperation and as so-called booster in acceleration operations flywheel drive and the associated inverter can contribute to the drive power in normal operation.
  • Another advantage of the energy storage device according to the invention is that the peak power taken from an energy store is reduced. Thereby, the number of charge and discharge cycles can be kept lower, whereby the life of the energy storage increases.
  • the flywheel is clamped by the clamping device when no further kinetic energy is stored in the flywheel and no excess kinetic energy can be converted by the rotating shaft in the at least one second machine.
  • flywheel is released by the clamping device when excess kinetic energy is converted by the rotating shaft in the at least ei ⁇ nen second machine. It is also provided that the flywheel is released by the clamping device when stored in the at least one second machine stored further kinetic energy.
  • a blocking of the flywheel therefore takes place only in those phases in which there is a so-called "continuous load operation.”
  • the second electric machine can function as an additional engine. so that in case of acceleration its kinetic energy can be transferred to the load and in the case of recuperation kinetic energy can be transferred from the vehicle to the flywheel.
  • the first and the at least one second machine are during a continuous load, in which no kinetic energy can be converted by the rotating shaft of the first and the at least one second machine, at the same time as a motor for driving the shaft operable.
  • a first electrical machine is a generator is used for an in vorteilhaf ⁇ ter manner, which is fed via the shaft with mechanical energy or kinetic energy.
  • a flywheel which is likewise arranged on the shaft, advantageously be ⁇ sets, wherein kinetic energy is transferred from the shaft directly onto the flywheel.
  • the design of the electrical machines is advantageously designed such that the first electric machine has a first stator which is stationarily positioned, and a first rotor which is connected to the shaft and rotates at the same speed as the shaft.
  • the structure of the second electric machine differs significantly from the prior art by the second stator, which is not stationary as usual. Particularly advantageous is the dual function of the first and the second electric machine, which is used both as a generator during the charging process, as well as a drive motor for driving a vehicle.
  • the division of the excess kinetic energy to the first electric machine and the second electrical Maschi ⁇ ne can be made variable.
  • An exemplary embodiment will be described below with reference to the accompanying schematic figure, which does not limit the invention. Show it: a schematic representation of an inventive he Energyspeieher orrieh device, and Fig. 2A, 2B, 2C, a speed-time diagram, a
  • Energy-time diagram and a torque-time diagram of an energy storage device according to the invention compared to a conventional energy storage device of a battery-powered vehicle.
  • the accompanying figure schematically represents a drive shaft, which is coupled on the one hand via a mechanical differential 10 to a drive axle with wheels 30 and on the other ⁇ is connected to at least one first and at least one two ⁇ th electric machine or carries this, a generator and a flywheel storage. Multiple arrangements of first and second electric machines are possible. Generator and flywheel storage need not be in pairs.
  • both the first electric machine 1 and the second electric machine 2 are angeord ⁇ net.
  • both the first rotor 12 associated with the first electric machine 1 and the second stator 22 associated with the second electrical machine are arranged on the shaft 3 and rotate at the same angular speed as the shaft.
  • the electric machine 1 functions as a generator at the time of storing excess kinetic energy supplied from the shaft 3, but can also be used as a drive motor and thus as a drive for the shaft.
  • the first stator 13 of the first electric machine 1 is stationary as usual. This first stator 13 is electrically connected to the first converter 4 for the conversion of AC in DC.
  • the second stator 22 of the second electric machine 2, that is, the stator windings, is connected via slip rings 31, which communicate with the shaft 3, ent ⁇ speaking with the second converter 5 for the conversion of AC Ström in DC.
  • the flywheel 23 of the second electric machine 2 rotates relative to the second stator 22, which itself rotates at the angular velocity of the shaft 3. Nevertheless, the second stator 22 is referred to here as a stator.
  • a controller 7 for the battery 6 a control 8 for the chassis and a motor controller 9.
  • a mechanical differential 10 and a clamping ⁇ device 24 for the flywheel 23 are present.
  • the power PI corresponds to the power of the battery.
  • Power P2 corresponds to the power of the first electric machine 1, essentially a braking torque of the electric machine 1.
  • the power P3 corresponds to the power of the second electric machine 2, essentially a braking torque.
  • the respective torsional moment T 1, T 2, T 3, which is illustrated by arrows, is shown schematically and in the orientation relative to the storage process of the excess kinetic energy.
  • the shaft 3 rotates at 600 1 / s and is to be braked, for example, with a power of 60 kW.
  • the first electric machine 1 is used as a generator with the
  • the regenerated power P2 is
  • the power from the battery is set to 0.
  • the differential speed between the second stator 22 and the flywheel 23 is initially 600 1 / s.
  • the first machine 1 in addition to the generator function additionally time-delayed function as a drive motor.
  • the electrical machines can be designed both asynchronous as well as synchronous machines.
  • the clamping device 24 serves to block or release the flywheel 23 in the dy ⁇ namic operation of the vehicle. Blocks the clamping device 24, which can act mechanically to the flywheel 23, the flywheel ⁇ wheel, the second electric drive can also be used as at ⁇ drive motor. In this case, the combined power of the first and second electric machines 1, 2 is available as drive power. Is this
  • Flywheel 23 is not blocked by the clamping device 24, the energy storage device operates in the manner described.
  • the clamping device is controlled such that the rotor and the flywheel 23 of the second engine 2 is then fixedly supported ⁇ th when no kinetic energy stored in the flywheel ⁇ rad or are stored by the driving situation no kine ⁇ diagram energy in the flywheel can.
  • the operation of the second machine 2 is made possible as an additional drive motor.
  • An acceleration of the vehicle can be in the
  • flywheel speed positive, as well as the momen ⁇ tanmother the entire energy storage device is positive.
  • the flywheel 23 is not blocked by the clamping device 24, so that its kinetic energy can be transferred to the shaft.
  • the torque specification for the flywheel 23 having electric machine 2 is designed so that no current during an acceleration process in the Bat ⁇ terie 8 is recuperated.
  • the lines shown in dashed lines K v, K e and K M indicate the speed curve, the course of the kinetic energy in the flywheel 23 and the torque curve in a system according to the OF INVENTION ⁇ dung.
  • ⁇ ⁇ ', K E ' and K M ' in each case the characteristics of a driven by a conventional electric drive vehicle are drawn for comparison.
  • the energy content of the flywheel decreases until time t ⁇ 5 seconds until the flywheel speed is zero.
  • the inventive and the conventional drive system behave approximately the same during this phase.
  • Another advantage of the described energy storage device is that it reduces the peak power taken from the battery 8. This reduces the number of battery cycles and extends the life of the battery.
  • the advantage of the described arrangement is, on the one hand, that the losses in energy conversion, which in the prior art exclusively provides for a conversion from kinetic to electrical and, in turn, from electrical to kinetic energy, are theoretically halved.
  • the two electrical machines with corresponding inverters or converters must each designed only for half the electrical power ⁇ the, compared to the design in the prior art. This saves space and weight and increases energy density. Since both electric machines can be used in continuous load operation as drive machines, on the other hand a permanently high drive power is available. If the storage of the second electric machine 2 is magnetic, friction losses can be reduced to a minimum.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung von überschüssiger kinetischer Energie von einer rotierenden Welle (3). Die kinetische Energie ist partiell durch mindestens eine auf der Welle (3) angeordnete erste elektrische Maschine (1) in eine elektrische Energie wandelbar und partiell durch mindestens eine auf der Welle (3) angeordnete zweite elektrische Maschine (2) in eine weitere kinetische Energie wandelbar. Die mindestens eine zweite elektrische Maschine (2) weist einen zweiten Stator (22) auf, der auf der Welle (3) befestigt ist und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Welle (3) rotiert, sowie ein außen laufendes Schwungrad (23), das über eine Klemmvorrichtung (24) blockierbar ist, wodurch die mindestens eine zweite Maschine (2) als Motor betreibbar ist.

Description

Beschreibung
Energiespeichervorrichtung und Betriebsverfahren Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung zur kurzfristigen Speicherung überschüssiger kinetischer Energie. Weiterhin wird ein Betriebsverfahren für diese Vorrichtung beschrieben . Eine übliche Energieform, in die beispielsweise überschüssige kinetische Energie gewandelt wird, ist etwa chemische Ener¬ gie, wobei kinetische Energie zunächst in Strom umgewandelt wird, mit welchem beispielsweise ein Bleiakkumulator geladen wird. Erzeugter elektrischer Strom kann auch als elektrische Energie, beispielsweise in Kondensatoren, insbesondere in
Hochleistungskondensatoren, sogenannten "Supercaps", gespeichert sein. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Speiche¬ rung mechanischer Energie in kinetische oder potenzielle E- nergie, wobei als eine Variante ein Schwungradspeicher zu nennen ist.
Derartige Energiespeichervorrichtungen sind beispielsweise in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen einsetzbar. Als hochdynamische Pufferspeicher werden insbesondere Hochleistungskondensatoren zur Speicherung elektrischer Energie verwendet. Zweckmäßigerweise werden bei einer Energiespeichereinrichtung, wie einem herkömmlichen Schwungrad zwei elektrische Maschinen mit Um¬ richter benötigt, welche jeweils auf die maximale Leistung der Energiequelle ausgelegt sein müssen, eine für den Spei- cherbetrieb und eine für die Rückspeicherung . Damit wird bei¬ spielsweise die Baugröße erhöht und die Energiedichte des Speichers verringert. Der Wirkungsgrad von Schwungrädern wird im Wesentlichen von Umwandlungsverlusten, sowie von der Lagerreibung bestimmt.
Als hochdynamische Pufferspeicher werden z. B. Hochleistungs¬ kondensatoren oder herkömmliche Schwungräder mit zwei elektrischen Maschinen als Energiewandler eingesetzt. Ein Nachteil solcher Kondensatoren besteht meist darin, dass die starke Temperaturabhängigkeit zu einer geringen Lebensdauer und so¬ mit zu hohen Kosten und entsprechend geringer Leistungsfähigkeit führt. Für die Kondensatoren gilt, dass Wirkungsgrade von mehr als 95 % erzielbar sind. Bezogen auf die Energie¬ dichte weisen die Kondensatoren jedoch lediglich Werte von 2 - 5 Wh/kg auf. Dagegen sind Schwungradspeicher mit Wirkungsgraden von 90 - 95 % behaftet, bei einer Energiedichte von bis zu 50 Wh/kg.
Aufgrund der Tatsache, dass der Energieinhalt quadratisch mit der Drehzahl skaliert, ist man bestrebt, möglichst hohe Dreh¬ zahlen zu erreichen, die im Wesentlichen durch die Zerreißgröße des Rotormaterials begrenzt ist. Materialien wie Kohle- faser verstärkter Kunststoff (CFK) oder Glasfaser verstärkter Kunststoff (GFK) weisen trotz ihrer im Vergleich zu Stahl niedrigen Dichte aufgrund ihrer hohen Zerreißfestigkeit eine theoretische maximale Energiedichte von 1570 kJ/kg auf. Beim Werkstoff Stahl beträgt dieser Wert 106 kJ/kg.
Der hohe Wirkungsgrad von Schwungrädern ist bisher durch die Optimierung der magnetischen Lagerung zusammen mit einer teilweisen Evakuierung des Rotors verbessert worden. Da die meisten Schwungradspeichersysteme mit Elektrizität ar¬ beiten, um den Rotor zu beschleunigen und abzubremsen, sind die jüngsten Entwicklungen hinsichtlich von beispielsweise Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen zu beachten. Die anzuwendenden Umdrehungszahlen pro Minute belaufen sich auf beispielsweise 20 - 50.000 oder mehr.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Energiespeichervorrichtung zur sicheren Handhabung von Lastspitzen in der Energieübertragung und zur Verkleinerung von elektrischen Maschinen. Weiterhin gilt es, ein Betriebsverfahren mit den gleichen Anforderungen zu erstellen . Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch eine jeweilige Merkmalskombination der unabhängig formulierten Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die beim Einsatz herkömmlicher Schwungräder notwendige zweifache Energiewandlung in der bisherigen Ausführung wesentlich effizienter gestaltet werden kann. Die im Stand der Technik einge- setzten zwei elektrischen Maschinen mit Umrichter in Verbindung mit herkömmlichen Schwungrädern sind jeweils auf die maximale zu transferierende Leistung auszulegen.
Entsprechend der Erfindung sind mindestens zwei elektrische Maschinen auf einer Welle, von der überschüssige kinetische
Energie aufzunehmen ist, angebracht, wobei ein Teil der kine¬ tischen Energie durch eine erste elektrische Maschine in e- lektrische Energie gewandelt wird und durch eine zweite e- lektrische Maschine der weitere Teil der kinetischen Energie in eine andere kinetische Energie gewandelt wird. Die mindes¬ tens eine zweite elektrische Maschine weist einen zweiten Stator auf, der auf der Welle befestigt ist und mit der glei¬ chen Winkelgeschwindigkeit wie die Welle rotiert sowie ein außen laufendes Schwungrad, das über eine Klemmvorrichtung blockierbar ist, wodurch die mindestens eine zweite Maschine als Motor betreibbar ist.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung weist eine erhöhte Leistung im Dauerlastbetrieb auf, wenn die kinetische Energie des Schwungrades Null ist. Die Energiespeichervor¬ richtung kann dann nicht nur Leistung über die erste elektrische Maschine, sondern auch über die zweite elektrische Ma¬ schine zur Verfügung stellen. Ein bislang für Rekuperation und als sog. Booster in Beschleunigungsvorgängen verwendbarer Schwungradantrieb sowie der dazugehörige Umrichter können zur Antriebsleistung im Normalbetrieb beitragen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung liegt darin, dass die aus einem Energiespeicher entnommene Spitzenleistung verringert wird. Dadurch kann die Anzahl von Lade- und Entladezyklen geringer gehalten werden, wodurch die Lebensdauer des Energiespeichers ansteigt.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Schwungrad durch die Klemmvorrichtung geklemmt, wenn in dem Schwungrad keine weitere kinetische Energie gespeichert ist und keine überschüssige kinetische Energie von der rotierenden Welle in der mindestens einen zweiten Maschine gewandelt werden kann.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn das Schwungrad durch die Klemmvorrichtung freigegeben ist, wenn überschüssige kineti- sehe Energie von der rotierenden Welle in der mindestens ei¬ nen zweiten Maschine gewandelt wird. Ebenso ist vorgesehen, dass das Schwungrad durch die Klemmvorrichtung freigegeben ist, wenn in der zumindest einen zweiten Maschine gespeicherte weitere kinetische Energie abgebaut wird.
Eine Blockierung des Schwungrades findet somit lediglich in solchen Phasen statt, in denen ein sog. „Dauerlastbetrieb" vorliegt. In diesem Fall kann die zweite elektrische Maschine als zusätzlicher Motor funktionieren. In Phasen der Beschleu- nigung sowie der Rekuperation wird das Schwungrad hingegen freigegeben, so dass im Falle der Beschleunigung seine kinetische Energie an die Last transferiert werden kann und im Falle der Rekuperation kinetische Energie aus dem Fahrzeug in das Schwungrad transferiert werden kann.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Klemmvorrichtung zur Blockade des Schwungrads mechanisch auf dieses einwirkt.
Hierbei sind sämtliche Klemmmechanismen möglich, welche eine effektive Blockade während des Dauerlastbetriebs der Energie- Speichervorrichtung erlauben.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind die erste und die mindestens eine zweite Maschine während einer Dau- erlast, in der von der rotierenden Welle von der ersten und der zumindest einen zweiten Maschine keine kinetische Energie gewandelt werden kann, gleichzeitig als Motor zum Antreiben der Welle betreibbar.
Als erste elektrische Maschine wird zum einen in vorteilhaf¬ ter Weise ein Generator eingesetzt, der über die Welle mit mechanischer Energie bzw. kinetischer Energie, gespeist wird. Zum anderen wird zur Wandlung von kinetischer Energie in eine andere Form kinetischer Energie ein Schwungradspeicher, der ebenfalls auf der Welle angeordnet ist, vorteilhaft einge¬ setzt, wobei kinetische Energie von der Welle direkt auf den Schwungradspeicher übertragen wird. Die Auslegung der elektrischen Maschinen wird vorteilhafter Weise derart gestaltet, dass die erste elektrische Maschine einen ersten Stator aufweist der stationär positioniert ist, sowie einen ersten Rotor der mit der Welle verbunden ist und mit der gleichen Geschwindigkeit rotiert wie die Welle.
Der Aufbau der zweiten elektrischen Maschine unterscheidet sich vom Stand der Technik wesentlich durch den zweiten Stator, der nicht wie üblich stationär ist. Besonders vorteilhaft ist die doppelte Funktion der ersten und der zweiten elektrischen Maschine, die sowohl als Generator während des Ladevorgangs, als auch als Antriebsmotor für den Fahrbetrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird bzw. werden. Die Aufteilung der überschüssigen kinetischen Energie auf die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschi¬ ne kann variabel gestaltet werden. Vorteilhaft ist eine Auf¬ teilung im Leistungsverhältnis von etwa 1:1. Im Folgenden wird anhand der begleitenden schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figur ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen: eine schematische Darstellung einer er findungsgemäßen Energiespeieher orrieh tung, und Fig. 2A, 2B, 2C ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm, ein
Energie-Zeit-Diagramm und ein Drehmoment- Zeit-Diagramm einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung im Vergleich zu einer herkömmlichen Energiespeichervorrichtung eines batteriebetriebenen Fahrzeuges .
Die begleitende Figur stellt schematisch eine Antriebswelle dar, die einerseits über ein mechanisches Differential 10 an eine Antriebsachse mit Rädern 30 angekoppelt ist und anderer¬ seits mit mindestens einer ersten und mindestens einer zwei¬ ten elektrischen Maschine verbunden ist bzw. diese trägt, einem Generator und einem Schwungradspeicher. Mehrfachanordnungen von erster und zweiter elektrischer Maschine sind mög- lieh. Generator und Schwungradspeicher müssen nicht paarweise vorhanden sein.
Die Erfindung ist in der schematischen Figur leicht zu erkennen. Auf der Welle 3 sind sowohl die erste elektrische Ma- schine 1 als auch die zweite elektrische Maschine 2 angeord¬ net. Dabei sind sowohl der zu der ersten elektrischen Maschine 1 zugehörige erste Rotor 12, als auch der zur zweiten e- lektrischen Maschine zugeordnete zweite Stator 22 auf der Welle 3 angeordnet und rotieren mit der gleichen Winkelge- schwindigkeit wie die Welle.
Die elektrische Maschine 1 fungiert zur Zeit der Speicherung überschüssiger kinetischer Energie, die von der Welle 3 geliefert wird, als Generator, kann jedoch auch als Antriebsmo- tor und somit als Antrieb für die Welle verwendet werden. Der erste Stator 13 der ersten elektrischen Maschine 1 ist wie üblich stationär positioniert. Dieser erste Stator 13 ist e- lektrisch verbunden mit dem ersten Wandler 4 zur Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Der zweite Stator 22 der zweiten elektrischen Maschine 2, d.h. dessen Statorwicklungen, wird über Schleifringe 31, die mit der Welle 3 kommunizieren, ent¬ sprechend mit dem zweiten Wandler 5 zur Wandlung von Wechsel- ström in Gleichstrom verbunden.
Das Schwungrad 23 der zweiten elektrischen Maschine 2 rotiert relativ zu dem zweiten Stator 22, der selbst mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle 3 rotiert. Trotzdem wird der zweite Stator 22 hier als Stator bezeichnet.
Das Problem der zweifachen Energiewandlung von herkömmlichen Schwungrädern wird dadurch umgangen, dass der zweite Stator 22 der zweiten elektrischen Maschine 2 nicht wie bei herkömm- liehen Schwungrädern fest steht, sondern mit der Antriebswelle verbunden ist und sich auf dieser abstützt. Somit dreht sich dieser Stator 22 mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle 3. Die Drehzahl des Schwungrades 23, welches dem eigentlichen Rotor der zweiten elektrischen Maschine 2 entspricht, ist in der Regel unterschiedlich zur Drehzahl der Welle 3, so dass sich eine Differenzdrehzahl ergibt.
Durch das Ausführungsbeispiel kann die in der elektrischen Maschine 1 generierte elektrische Energie und die in der e- lektrischen Maschine 2 generierte weitere Rotationsener¬ gie/kinetische Energie des Schwungrades 23 in einem Leis¬ tungsverhältnis von 50:50 vorteilhaft umgesetzt werden. Es lassen sich auch andere Verhältnisse einstellen, die bestimmten Auslegungen von Fahrzeugteilen oder Energiespeicherein- heiten Rechnung tragen.
Falls bei einer Anordnung entsprechend der Figur 1 davon ausgegangen wird, dass die Hälfte der aufzunehmenden Leistung von der ersten elektrischen Maschine 1 in elektrische Leis- tung gewandelt wird und von der zweiten elektrischen Maschine 2 die aufgenommene kinetische Energie wieder in mechanische Leistung gewandelt wird, so liegt eine Aufteilung von 1:1 vor. Dabei können in vorteilhafter Weise hochdynamische An- teile im Fahrzeugbetrieb, bestehend aus einer Vielzahl von positiven und negativen Beschleunigungszuständen, von dem Schwungrad 23 aufgenommen werden und nachfolgend wieder zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise beim erneuten An- fahren des Fahrzeugs, wobei eine Grundlast von der Batterie 6 zur Verfügung bereitgestellt werden kann.
Zur Steuerung des gesamten Systems sind weiterhin vorhanden: Eine Steuerung 7 für die Batterie 6, eine Steuerung 8 für das Fahrgestell und eine Motorsteuerung 9. Auf der mechanischen Seite sind ein mechanisches Differential 10 und eine Klemm¬ vorrichtung 24 für das Schwungrad 23 vorhanden.
Im Energiespeicherzustand, beim Abbremsen der Welle 3, gilt: Die Leistung PI entspricht der Leistung der Batterie. Die
Leistung P2 entspricht der Leistung der ersten elektrischen Maschine 1, im Wesentlichen einem Bremsmoment der elektrischen Maschine 1. Die Leistung P3 entspricht der Leistung der zweiten elektrischen Maschine 2, im Wesentlichen einem Brems- moment .
Das durch Pfeile jeweils verdeutlichte Torsionsmoment Tl, T2, T3 ist jeweils schematisch und in der Ausrichtung, bezogen auf den Speicherprozess der überschüssigen kinetischen Ener- gie, dargestellt.
Zahlenbeispiel :
Die Welle 3 dreht mit 600 1/s und soll beispielsweise mit ei- ner Leistung von 60 kW abgebremst werden.
Dazu wird ein Bremsmoment von T = -100 Nm angelegt.
Die erste elektrische Maschine 1 wird als Generator mit dem
Bremsmoment T2 = -50 Nm betrieben.
Die rückgespeiste Leistung P2 beträgt
50 Nm * 600 1/s = -30 kW.
Die Leistung aus der Batterie wird mit 0 angesetzt.
Es folgt das die Leistung P3 gleich der Leistung P2 ist. Damit wird die zweite elektrische Maschine 2 mit der Leistung P3 angetrieben.
Die Differenzgeschwindigkeit zwischen zweitem Stator 22 und Schwungrad 23 beträgt anfänglich 600 1/s.
Mit P2 = P3 ergibt sich ein Antriebsmoment von T3 = 50 Nm. Da der zweite Stator 22 der zweiten elektrischen Maschine 2 sich auf der Welle abstützt, wird die Welle 3 zusätzlich mit 50 Nm abgebremst.
Insgesamt ergeben sich 60 kW.
Durch das Abbremsen der Welle mit 100 Nm verringert sich die Drehzahl der Welle und die Drehzahl des Schwungrades 23 steigt im Verhältnis der Massenträgheitsmomente von Schwung¬ rad 23 zum Fahrzeug. Um die im Schwungrad gespeicherte Ener- gie auf die Welle zurückzuspeisen geschieht der geschilderte Ablauf in umgekehrter Folge.
Um also die Welle mit 100 Nm abzubremsen, müssen von den beiden Maschinen nur das jeweils halbe Moment aufgebracht wer- den, im Verhältnis zur Gestaltung entsprechend dem Stand der Technik .
Bei reinen Elektrofahrzeugen kann die erste Maschine 1 neben der Generatorfunktion zusätzlich zeitversetzt als Fahrmotor funktionieren. Die elektrischen Maschinen können sowohl als Asynchron- also auch als Synchronmaschinen ausgeführt sein.
Die Klemmvorrichtung 24 dient dazu, das Schwungrad 23 im dy¬ namischen Betrieb des Fahrzeugs zu blockieren oder frei- zugeben. Blockiert die Klemmvorrichtung 24, die auf mechanische Weise auf das Schwungrad 23 einwirken kann, das Schwung¬ rad, so kann der zweite elektrische Antrieb ebenfalls als An¬ triebsmotor eingesetzt werden. In diesem Fall steht die kombinierte Leistung der ersten und der zweiten elektrischen Ma- schine 1, 2 als Antriebsleistung zur Verfügung. Ist das
Schwungrad 23 durch die Klemmvorrichtung 24 nicht blockiert, so arbeitet die Energiespeichervorrichtung in der beschriebenen Art und Weise. Die Klemmvorrichtung wird derart gesteuert, dass der Rotor bzw. das Schwungrad 23 der zweiten Maschine 2 dann festgehal¬ ten wird, wenn keine kinetische Energie mehr in dem Schwung¬ rad gespeichert ist oder durch die Fahrsituation keine kine¬ tische Energie in das Schwungrad eingespeichert werden kann. Hierdurch wird der Betrieb der zweiten Maschine 2 als zusätzlicher Antriebsmotor ermöglicht.
Durch das Vorsehen der Klemmvorrichtung 24, welche je nach Betriebsstellung das Schwungrad 23 blockieren oder freigeben kann, ergeben sich nachfolgende Betriebsarten:
1. Eine Beschleunigung des Fahrzeugs kann mit in dem
Schwungrad 23 gespeicherter Energie in der beschriebenen Weise unterstützt werden. In diesem Fall ist die
Schwungradgeschwindigkeit positiv, ebenso ist die Momen¬ tanforderung der gesamten Energiespeichervorrichtung positiv. Das Schwungrad 23 ist durch die Klemmvorrichtung 24 nicht blockiert, so dass seine kinetische Energie an die Welle transferiert werden kann.
2. Im Dauerlastbetrieb ist die Schwungradgeschwindigkeit ohne Blockierung Null oder negativ und die Momentanforderung der Energiespeichervorrichtung positiv. Daher wird das Schwungrad 23 durch die Klemmvorrichtung 24 blockiert. Dadurch können Stator und Rotor der zweiten elektrischen Maschine 2 als zusätzlicher Antrieb funkti¬ onieren .
3. Bei der Rekuperation wird die zweite elektrische Maschi¬ ne 2 in der beschriebenen Weise als Bremse für das Fahrzeug bzw. Antrieb für das Schwungrad 23 verwendet. Die kinetische Energie der Welle wird hierbei in das
Schwungrad transferiert.
Anhand der Figuren 2A bis 2C wird die erfindungsgemäße Ener¬ giespeichervorrichtung weiter erläutert. In den Figuren dar- gestellt sind jeweils in Abhängigkeit der Zeit die Geschwin¬ digkeit v eines Fahrzeugs (Fig. 2A) , die in dem Schwungrad 23 gespeicherte kinetische Energie E (Fig. 2B) sowie das durch das System bereitgestellte Moment M (Fig. 2C) . In diesem Bei- spiel wird das Fahrzeug mit voller Leistung 15 Sekunden be¬ schleunigt. Danach wird es mit einem konstanten Moment abge¬ bremst. Im Beispiel wird dabei davon ausgegangen, dass die elektrische Maschine 1 und die elektrische Maschine 2 hin¬ sichtlich Moment, Leistung und Verluste gleiche Charakteris- tiken aufweisen. Die Momentenvorgabe für die das Schwungrad 23 aufweisende elektrische Maschine 2 ist so ausgelegt, dass kein Strom während eines Beschleunigungsvorgangs in der Bat¬ terie 8 rekuperiert wird. In den dargestellten Diagrammen kennzeichnen die gestrichelt dargestellten Linien Kv, KE und KM den Geschwindigkeitsverlauf, den Verlauf der kinetischen Energie in dem Schwungrad 23 sowie den Momentenverlauf in einem System gemäß der Erfin¬ dung. Mit Κν' , KE' und KM' sind zum Vergleich jeweils die Kennlinien eines durch einen herkömmlichen Elektroantrieb angetriebenen Fahrzeugs eingezeichnet.
Wie aus Fig. 2A ohne Weiteres zu Entnehmen ist, erfolgt im Zeitraum zwischen 0 und 5 Sekunden eine Beschleunigung des Fahrzeugs durch die erste Maschine, wobei die Beschleunigung durch die in dem Schwungrad 23 gespeicherte kinetische Ener¬ gie unterstützt ist, da der Schwungradspeicher zum Zeitpunkt t = 0 Sekunden aufgeladen ist (Fig. 2B) . Durch die Unterstützung der ersten Maschine 1 während der Beschleunigungsphase nimmt der Energieinhalt des Schwungrads bis zum Zeitpunkt t ~ 5 Sekunden ab, bis die Schwungradgeschwindigkeit Null ist. Dem durch das Antriebssystem erzeugten Drehmomentverlauf in Fig. 2C ist zu entnehmen, dass ausgehend von einem initialen Drehmoment von M ~ 250 NM zum Zeitpunkt t = 0 Sekunden das Drehmoment bis zum Erreichen eines Plateaus ansteigt. Mit dem Plateau ist das maximale Drehmoment, das zusätzlich durch das Schwungrad erzeugt ist, erreicht. Dieses beträgt knapp 500 NM. Das erfindungsgemäße und das herkömmliche Antriebssystem verhalten sich während dieser Phase in etwa gleich.
Zwischen t = 5 Sekunden und t = 15 Sekunden liegt ein als Dauerlast bezeichneter Fall vor, bei dem das Schwungrad 23 aktiv durch die Klemmvorrichtung 24 blockiert wird. Dies hat zur Folge, dass die zweite elektrische Maschine 2 zusätzlich zur ersten Maschine als Antrieb verwendet werden kann. Dies macht sich durch eine höhere, bis zum Zeitpunkt t = 15 Sekun- den erreichbare Geschwindigkeit im Vergleich zu einem her¬ kömmlichen Fahrzeug bemerkbar. Während ein mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ausgestattetes Fahrzeug im Ausführungsbeispiel innerhalb von 15 Sekunden auf ca. 240 km/h beschleunigen kann, erreicht ein herkömmliches Fahr- zeug zum Zeitpunkt t = 15 Sekunden lediglich eine Geschwindigkeit von ungefähr 180 km/h. Aus Fig. 2B ist gut zu erkennen, dass sich während des Dauerlastfalls die kinetische Energie in dem Schwungrad nicht verändert und konstant Null bleibt. Fig. 2C zeigt, dass bei einem mit einer erfindungsge- mäßen Energiespeichervorrichtung ausgestatteten Fahrzeug für eine längere Zeit das maximale Drehmoment bereitgestellt wer¬ den kann. Zum Zeitpunkt t = 7 Sekunden erfolgt eine Leis¬ tungsbegrenzung zum Schutz des Antriebssystems, woraufhin das Drehmoment M abnimmt.
Zwischen t = 15 Sekunden und t = 25 Sekunden erfolgt eine Re- kuperation. Das Fahrzeug wird somit mit einem konstanten Mo¬ ment abgebremst. Die Unterschiede im Drehmomentverlauf zwi¬ schen einem Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen Energiespei- chervorrichtung und einem herkömmlichen Elektrofahrzeug ergeben sich aus der höheren erreichten Geschwindigkeit des erfindungsgemäßen Fahrzeugs zu Beginn der Rekuperation . Insbesondere ermöglicht die höhere Geschwindigkeit auch, wie dies der Fig. 2B gut zu entnehmen ist, dass das Schwungrad 23 mit einer größeren kinetischen Energie gespeist werden kann (0,24 kWh im Vergleich zu 0,16 kWh beim herkömmlichen System) . Im Dauerlastbetrieb ermöglicht es die erfindungsgemäße Ener¬ giespeichervorrichtung somit durch die Verwendung der das Schwungrad aufweisenden zweiten Maschine eine höhere Leistung abzugeben, da deren Antriebsleistung zusätzlich zur Antriebs- leistung der ersten Maschine zur Verfügung steht.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Energiespeichervorrichtung besteht darin, dass dieser die aus der Batterie 8 entnommene Spitzenleistung verringert. Die Anzahl von Batte- riezyklen kann dadurch verringert und die Lebensdauer der Batterie verlängert werden.
Der Vorteil der beschriebenen Anordnung liegt zum einen darin, dass die Verluste bei der Energiewandlung, die im Stand der Technik ausschließlich eine Wandlung von kinetischer zu elektrischer und wiederum von elektrischer zu kinetischer Energie vorsieht, theoretisch halbiert werden. Durch die Auf¬ teilung der Energieübertragung in einen elektrischen, sowie in einen mechanischen Anteil müssen die beiden elektrischen Maschinen mit entsprechenden Umrichtern bzw. Wandlern jeweils lediglich auf die halbe elektrische Leistung ausgelegt wer¬ den, im Vergleich zu der Auslegung im Stand der Technik. Damit werden Bauraum und Gewicht gespart und die Energiedichte wird erhöht. Da beide elektrischen Maschinen im Dauerlastbe- trieb als Antriebsmaschinen benutzt werden können, steht zum anderen eine dauerhaft hohe Antriebsleistung zur Verfügung. Erfolgt die Lagerung der zweiten elektrischen Maschine 2 magnetisch, können Reibungsverluste auf ein Minimum reduziert werden .
Es können allgemein in einem Fahrbetrieb mit hochdynamischen Anteilen bei einem Bremsvorgang überschüssige Anteile kineti¬ scher Energie von einem Schwungrad aufgenommen werden. Die Grundlast wird regelmäßig von einer Batterie zur Verfügung gestellt. Die Batterie wird im Bremsvorgang ebenfalls mit ei¬ nem Anteil der überschüssigen kinetischen Energie, jedoch e- lektrisch gewandelt, beladen. Formeln Tl = T2 + T3 P3 = P2 + PI P2 = T2 * ww mit ww als Drehzahl der Welle 3
P3 = T3 * wG , mit wG als Differenzdrehzahl zwischen zweitem Stator 22 und Schwungrad 23.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeichervorrichtung zur Speicherung von überschüssiger kinetischer Energie von einer rotierenden Welle (3) , wobei die kinetische Energie partiell durch mindestens eine auf der Welle (3) angeordnete erste elektrische Maschine (1) in eine elektrische Energie wandelbar ist und partiell durch mindestens eine auf der Welle (3) angeordnete zweite elektri¬ sche Maschine (2) in eine weitere kinetische Energie wandel- bar ist, wobei die mindestens eine zweite elektrische Maschi¬ ne (2) einen zweiten Stator (22) aufweist, der auf der Welle (3) befestigt ist und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Welle (3) rotiert, sowie ein außen laufendes Schwung¬ rad (23), das über eine Klemmvorrichtung (24) blockierbar ist, wodurch die mindestens eine zweite Maschine (2) als Mo¬ tor betreibbar ist.
2. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet dass,
das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) geklemmt ist, wenn in dem Schwungrad (23) keine weitere kinetische E- nergie gespeichert ist und keine überschüssige kinetische E- nergie von der rotierenden Welle (3) in der mindestens einen zweiten Maschine gewandelt werden kann.
3. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass,
das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) freigege¬ ben ist, wenn überschüssige kinetische Energie von der rotie- renden Welle (3) in der mindestens einen zweiten Maschine ge¬ wandelt werden kann.
4. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet dass,
das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) freigege¬ ben ist, wenn in der zumindest einen zweiten Maschine gespei¬ cherte weitere kinetische Energie abgebaut wird.
5. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet dass,
die Klemmvorrichtung (24) zur Blockade des Schwungrads (23) mechanisch auf dieses einwirkt.
6. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet dass,
die erste und die mindestens eine zweite Maschine (1, 2) wäh¬ rend einer Dauerlast, in der von der rotierenden Welle (3) von der ersten und der mindestens einen zweiten Maschine (1, 2) keine Energie gewandelt werden kann, gleichzeitig als Mo- tor zum Antreiben der Welle (3) betreibbar ist.
7. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet dass,
zur Speicherung die mindestens eine erste elektrische Maschi¬ ne (1) ein Generator ist zur Wandlung der kinetischen Energie in die elektrische Energie, insbesondere in Ladestrom für ei¬ nen Akku oder Hochleistungskondensator, und die mindestens eine zweite elektrische Maschine (2) ein Schwungradspeicher ist, zur Wandlung der kinetischen Energie in die weitere kinetische Energie, insbesondere Rotationsenergie des Schwung¬ rades (23) .
8. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet dass,
die mindestens eine erste elektrische Maschine (1) einen ers¬ ten Stator (13) aufweist, der stationär ist, sowie einen ers¬ ten Rotor (12), der mit der Welle (3) verbunden ist und mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Welle (3) rotiert.
9. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die mindestens eine erste elektrische Maschine (1) zusätzlich als Antriebsmotor zum Antrieb der Welle (3) dient.
10. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass
die überschüssige kinetische Energie in einem Leistungsver¬ hältnis von etwa 1:1 auf die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite elektrische Maschine (1,2) übertragbar ist .
11. Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichervorrichtung, die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, bei dem kinetische Energie von einer rotierenden Welle (3) partiell durch mindestens eine erste elektrische Maschine (1) in eine elektrische Energie gewandelt wird und partiell durch mindestens eine zweite elektrische Maschine (2) in eine wei¬ tere kinetische Energie gewandelt wird,
wobei ein Schwungrad (23) der mindestens einen zweiten Ma¬ schine (2) über eine Klemmvorrichtung (24) blockiert und die mindestens eine zweite Maschine (2) als Motor betrieben wird, wenn durch das Schwungrad (23) keine weitere kinetische Ener¬ gie aufgenommen oder abgegeben werden kann.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) blockiert wird, wenn in dem Schwungrad (23) keine weitere kinetische Energie gespeichert ist und keine überschüssige kinetische Energie von der rotierenden Welle (3) in der mindestens einen zweiten Maschine gewandelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet dass,
das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) freigege- ben wird, wenn überschüssige kinetische Energie von der ro¬ tierenden Welle (3) in die mindestens eine zweite Maschine gewandelt wird.
14. Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet dass,
das Schwungrad (23) durch die Klemmvorrichtung (24) freigege¬ ben ist, wenn in der zumindest einen zweiten Maschine (2) gespeicherte weitere kinetische Energie abgebaut wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet dass
die mindestens eine erste elektrische Maschine (1) als Gene¬ rator und die mindestens eine zweite elektrische Maschine (2) als ein Schwungradspeicher betrieben werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet dass,
die überschüssige kinetische Energie in einem Leistungsver¬ hältnis von etwa 1:1 auf die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite elektrische Maschine (1,2) aufgeteilt wird .
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