DE19953940A1 - Drive unit for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug, nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus DE 197 45 167 A1 ist eine Anordnung mit einer Stirlingmaschine bekannt. In einem Elektrofahrzeug ist eine Stirlingmaschine mit einem Generator verbunden, wobei die Stirlingmaschine einen Erhitzerkopf und einen Abwärme-Kühler aufweist. Der Kühler ist über einen Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmetauscher für den Fahrgastraum und einem Wärmetauscher für eine Traktionsbatterie verbunden. Die Stirlingmaschine kann wahlweise als Motor oder Wärmepumpe betrieben werden. Dadurch werden zusätzliche Komponenten für Klimatisierung oder Heizung überflüssig. Aus DE 44 14 547 A1 ist eine Fahrzeugstandklimaanlage bekannt, die eine Verdichtereinrichtung aufweist. Einem ersten, fahrzeugmotorisch angetriebenen Verdichter wird ein zweiter Verdichter parallel geschaltet, der mit einem aus der Fahrzeug-Zusatzbatterie gespeisten Gleichstromelektromotor angetrieben wird.The invention relates to a drive unit for Motor vehicle, according to the genus of the independent claims. From DE 197 45 167 A1 an arrangement with a Stirling engine known. There is one in an electric vehicle Stirling engine connected to a generator, the Stirling engine a heater head and a waste heat cooler having. The cooler is connected via a coolant circuit a heat exchanger for the passenger compartment and one Heat exchanger connected to a traction battery. The Stirling machine can either be an engine or a heat pump operate. This creates additional components for Air conditioning or heating unnecessary. From DE 44 14 547 A1 is known a vehicle parking air conditioner, the one Compressor device. A first, vehicle driven compressor becomes a second Compressor connected in parallel with one from the Vehicle auxiliary battery powered DC electric motor is driven.
Die Zusatzantriebe sind jedoch nicht in allen Belangen op timal mit dem Antriebsmotor abgestimmt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit dem vorgeschlagenen Antriebskon zept eine weitere Optimierung vorzunehmen.However, the additional drives are not op in all respects matched with the drive motor. The invention lies based on the task with the proposed drive con accept further optimization.
Das erfindungsgemäße Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug weist einen verbrennungsmotorischen Fahrzeugantrieb auf. Es zeichnet sich dadurch aus, daß ein verbrennungsmotorischer Zusatzantrieb vorgesehen ist zum Antreiben weiterer im Kraftfahrzeug angeordneter Komponenten. Bei diesen Kom ponenten kann es sich um Starter/Generator und/oder um einen Klimakompressor, eine Servopumpe oder mechanisch getriebene Wasserpumpe handeln. Der Generator versorgt weitere elektrische Nebenaggregate wie beispielsweise Klimagebläse, Motorkühlgebläse und Kühlkreislaufpumpe. Anhand des Zu satzantriebs können die weiteren im Kraftfahrzeug angeord neten Komponenten unabhängig von dem Fahrzeugantrieb betrie ben werden, ohne das Bordnetz zusätzlich zu belasten. Da der Fahrzeugantrieb nicht mehr die Versorgung der weiteren Komponenten übernehmen muß, ist dessen Betriebspunkt optimal auf die Anforderungen bezüglich des Antriebs des Kraftfahrzeugs, die sich durch stark schwankende Belastungsfälle auszeichnen, auszulegen. Der Zusatzantrieb hingegen kann stationär in einem günstigen Betriebspunkt gefahren werden. Der Zusatzantrieb bewegt auch die mechanisch betriebenen Nebenaggregate, die bislang entweder direkt oder über Keilriemen, Ketten oder Getriebe mechanisch vom Fahrzeugantrieb oder von einem Elektromotor angetrieben wurden. Dieser bislang wenig energieeffiziente Betrieb mechanisch angetriebener Nebenaggregate, wie er insbesondere bei hohen Drehzahlen des Fahrzeugantriebs austritt, wird dadurch vermieden. Eine zusätzliche Belastung des Bordnetzes durch weitere elektrische Verbraucher, wie beispielsweise ein für den Betrieb der mechanisch angetriebenen Nebenaggregate vorgesehener Elektromotor, wird verringert. The drive unit according to the invention for a motor vehicle has an internal combustion engine vehicle drive. It is characterized in that an internal combustion engine Additional drive is provided for driving further in Components arranged in motor vehicles. With these com components can be a starter / generator and / or a Air conditioning compressor, a servo pump or mechanically driven Act water pump. The generator supplies others electrical auxiliary units such as air conditioning fans, Engine cooling fan and cooling circuit pump. Based on the Zu the further drive can be arranged in the motor vehicle Neten components operated independently of the vehicle drive be used without putting additional strain on the vehicle electrical system. Since the Vehicle drive no longer supplying the others Components must take over, its operating point is optimal to the requirements regarding the drive of the Motor vehicle, which fluctuates significantly Marking, interpreting stress cases. The additional drive on the other hand can be stationary at a favorable operating point be driven. The auxiliary drive also moves the mechanically operated ancillaries, so far either mechanical or directly via V-belts, chains or gears driven by the vehicle drive or by an electric motor were. This so far less energy efficient operation mechanically driven ancillaries, as he in particular emerges at high speeds of the vehicle drive thereby avoided. An additional burden on the electrical system by other electrical consumers, such as one for the operation of the mechanically driven Ancillary electric motor is reduced.
Außerdem gewährleistet dieses Antriebsaggregat auch bei Stillstand des Fahrzeugs eine dauerhafte Energieversorgung der weiteren im Kraftfahrzeug angeordneten Komponenten.This drive unit also ensures Standstill of the vehicle a permanent energy supply the further components arranged in the motor vehicle.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, daß der Zusatzantrieb in unmittelbarer Nähe zu dem Fahrzeugantrieb angeordnet ist, um mit der Abwärme des Zusatzantriebs den Fahrzeugantrieb zu erwärmen. Dadurch kann die Kaltstartphase des Fahrzeugantriebs verkürzt und damit das Emissi onsverhalten verbessert werden. Außerdem verringert die kontinuierliche Bereitstellung von Zusatzwärme durch den Zusatzantrieb das Abkühlen des Fahrzeugantriebs und der Ab gasreinigungskomponenten während der Stillstandsphasen im Start-Stop-Zyklus. Insbesondere die immer sparsamer und effizienter werdenden Fahrzeugantriebe wie direkteinspritzende Dieselmotoren benötigen im Winterbetrieb zusätzliche Wärmezufuhr, die in Verbindung mit einem geeigneten Abwärmekonzept durch den Zusatzantrieb bereitgestellt werden kann. Der Zusatzantrieb kann für den Fall der Standklimatisierung zusätzlich als Wärmequelle für thermisch betriebene Klimasysteme genutzt werden. Ein bei solchen Systemen sonst notwendiger Zusatzbrenner entfällt.In an expedient training it is provided that the Additional drive in close proximity to the vehicle drive is arranged to with the waste heat of the auxiliary drive To heat vehicle drive. This allows the cold start phase of the vehicle drive and thus the Emissi behavior can be improved. It also reduces the continuous supply of additional heat by the Additional drive cooling the vehicle drive and the Ab gas cleaning components during standstill phases in Start-stop cycle. Especially the more economical and more efficient vehicle drives like direct-injection diesel engines need in winter operation additional heat input in connection with a suitable waste heat concept through the additional drive can be provided. The additional drive can for the In case of stationary air conditioning, additionally as a heat source for thermally operated air conditioning systems can be used. A at such systems no additional burner is necessary.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist als Zusatzantrieb ein Motor mit äußerer Verbrennung wie ein Stirlingmotor ver wendet. Er zeichnet sich gegenüber einem Motor mit innerer Verbrennung durch Laufruhe und günstige Abgaswerte aus. Der Kühlerteil des Stirlingmotors läßt sich als Zuheizer oder Standheizer im energetisch günstigen Wärmepumpenbetrieb einsetzen. Auch bei tiefen Außentemperaturen ist mit hinreichender Leistung eine Beheizung des Kraftfahr zeuginnenraums möglich. Außerdem kann der Stirlingmotor mit sogenannten natürlichen Kältemitteln, die ohnehin in der Atmosphäre vorhanden sind, betrieben werden. Als Ar beitsmittel dient beispielsweise Helium, Stickstoff, Luft oder Wasserstoff, auch mit geringen Beimischungen anderer Edelgase wie beispielsweise Krypton, Argon oder Xenon.In an expedient embodiment is as an additional drive an engine with external combustion like a Stirling engine turns. It distinguishes itself from an engine with an internal one Combustion by smooth running and favorable exhaust gas values. The Cooler part of the Stirling engine can be used as an auxiliary heater or Parking heater in energetically favorable heat pump operation deploy. Even with low outside temperatures sufficient power to heat the motor vehicle inside the witness. The Stirling engine can also be used so - called natural refrigerants, which are already in the Atmosphere are present, operated. As Ar Tools are used for example helium, nitrogen, air or hydrogen, even with minor additions of others Noble gases such as krypton, argon or xenon.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist eine Leistungsregelung vorgesehen, die einen Klimakompressor und/oder den Zusatzantrieb und/oder einen Starter/Generator ansteuert. Dadurch kann eine bedarfsgerechte Aufteilung der Antriebsleistungen der leistungsstarken Nebenaggregate wie Generator und Klimakompressor erfolgen, die über Steuereingänge in ihrer mechanischen Aufnahme beziehungsweise Antriebsleistung und damit in ihrer mechanischen beziehungsweise elektrischen Ausgangsleistung regelbar sind. Dadurch kann ein Zusatzantrieb mit relativ geringer Leistung eingesetzt werden. Über eine bedarfsgerechte, intelligente Regelung der Leistung der mechanischen Nebenaggregate (Klimakompressor, Generator) wird die vom Zusatzantrieb maximal lieferbare Abgabeleistung nicht überschritten. Gleichzeitig kann mit einer entsprechenden Regelung eine optimale Auslastung des Zusatzantriebs, der dann mit gutem Wirkungsgrad arbeitet, erreicht werden. Außerdem können die mechanischen Nebenaggregate auf eine konstante Drehzahl ausgelegt werden, sodaß keine Kompromisse (wie bei großen Drehzahlspreizungen) eingegangen werden müssen. Insbesondere der direkte Antrieb des Klimakompressors durch den Zusatzantrieb (vorzugsweise über eine Welle) ermöglicht einen Betrieb im energetisch optimalen Arbeitspunkt. Dadurch kann ein riemenloses Antriebskonzept realisiert werden, das sich durch geringen Verschleiß und Bauraum auszeichnet.In a practical training is one Power control provided an air conditioning compressor and / or the additional drive and / or a starter / generator controls. This enables a division of the Drive power of the powerful auxiliary units such as Generator and air conditioning compressor take place via Control inputs in their mechanical mount or drive power and thus in their mechanical or electrical output power are adjustable. This allows an additional drive with relative low power can be used. Over a intelligent control of the performance of the mechanical auxiliary units (air conditioning compressor, generator) the maximum output power that can be delivered by the additional drive not exceeded. At the same time with one appropriate regulation an optimal utilization of the Auxiliary drive, which then works with good efficiency, can be achieved. In addition, the mechanical Auxiliary units are designed for a constant speed, so no compromises (as with large speed differences) must be received. Especially the direct drive of the air conditioning compressor by the additional drive (preferably via a shaft) enables operation in energetic optimal working point. This allows a strapless Drive concept that can be realized by low Wear and space are distinguished.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Leistungsregelung ein Ladezustandssignal zugeführt ist, das ein Maß ist für den Ladezustand einer Batterie, wobei die Leistungsregelung den Klimakompressor und/oder den Zusatzantrieb und/oder den Starter/Generator in Abhängigkeit von diesem Ladezustandssignal ansteuert. Selbst bei intermittierendem Betrieb des Fahrzeugantriebs kann die Batterie nachgeladen werden. Starke Zyklisierungen und Tiefentladungen der Batterie werden dadurch vermieden. Die Batterie wird geschont, was sich positiv auf ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit auswirkt.Another advantageous embodiment stands out characterized in that the power control Charge state signal is supplied, which is a measure of the State of charge of a battery, the power control the Air conditioning compressor and / or the additional drive and / or the Starter / generator depending on this Charging state signal activated. Even with intermittent Operation of the vehicle drive can recharge the battery become. Strong cycles and deep discharges of the This avoids the battery. The battery will spared what is positive on their lifespan and Reliability affects.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leistungsregelung ein Temperatursignal zugeführt, das von der Fahrzeuginnenraumtemperatur abhängt, wobei die Leistungsregelung den Klimakompressor und/oder den Zusatzantrieb und /oder den Starter/Generator in Abhängigkeit von diesem Signal ansteuert. Damit erfolgt eine bedarfsgerechte Aktivierung des Klimakompressors.In an advantageous embodiment, the Power control a temperature signal supplied by the vehicle interior temperature depends, the Capacity control the air conditioning compressor and / or the Additional drive and / or the starter / generator in Controlled depending on this signal. So there is a Activation of the air conditioning compressor as required.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Antriebs aggregats kann auch als zweckmäßige Weiterbildung vorsehen, daß in einem ersten Schritt der Zusatzantrieb durch den Starter/Generator gestartet und in einem zweiten Schritt der Fahrzeugantrieb durch den Zusatzantrieb gestartet wird. Der in der Regel leistungsschwach ausgelegte Zusatzantrieb kann von dem Generator leicht gestartet werden. Anschließend wird die Kupplung zwischen Zusatzantrieb und Fahrzeugantrieb geschlossen. Das Massenträgheitsmoment bewirkt den Startvorgang des Fahrzeugantriebs. Somit kann der Zusatzantrieb den herkömmlichen Starter in Verbindung mit dem kurzzeitig als Startermotor arbeitenden Generator ersetzen.The method according to the invention for operating the drive aggregats can also provide appropriate further training, that in a first step the additional drive by the Starter / generator started and in a second step the Vehicle drive is started by the additional drive. The usually poorly designed additional drive can easily started by the generator. Then will the coupling between auxiliary drive and vehicle drive closed. The moment of inertia causes that Starting process of the vehicle drive. Thus, the Additional drive the conventional starter in connection with the generator working briefly as a starter motor replace.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung. Further expedient further developments result from further dependent claims and from the description.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment is shown in the drawing and is described in more detail below.
Es zeigen die Fig. 1, 2a, 2b und 3 den schematischen Aufbau eines Antriebsaggregats.There, Figs. 1, 2a, 2b and 3, the schematic construction of a drive unit.
Ein Fahrzeugantrieb 10 bewegt mittels einer Antriebsachse ein Kraftfahrzeug und ist über eine Antriebskupplung 24 mit einem Zusatzantrieb 12 mechanisch koppelbar. Der Zusatzantrieb 12 treibt über eine Welle einen Starter/Generator 14 an. Der Starter/Generator 14 ist elektrisch mit einer Batterie 22 verbunden, die elektrisch betriebene Nebenaggregate 20 speist. Die von dem Zusatzantrieb 12 bewegte Welle ist mit einem Klimakompressor 16 verbunden. Der Starter/Generator 14 ist zwischen Zusatzantrieb 12 und Klimakompressor 16 angeordnet. Über diese Welle in Verbindung mit einem Riemen 26 und gegebenenfalls einer Nebenaggregatskupplung 28 können mechanisch betriebene Nebenaggregate 18 angetrieben werden.A vehicle drive 10 moves a motor vehicle by means of a drive axle and can be mechanically coupled to an additional drive 12 via a drive clutch 24 . The additional drive 12 drives a starter / generator 14 via a shaft. The starter / generator 14 is electrically connected to a battery 22 which feeds electrically operated auxiliary units 20 . The shaft moved by the additional drive 12 is connected to an air conditioning compressor 16 . The starter / generator 14 is arranged between the additional drive 12 and the air conditioning compressor 16 . Mechanically operated ancillary units 18 can be driven via this shaft in connection with a belt 26 and possibly an ancillary coupling 28 .
In der Variante gemäß Fig. 2a schließt sich an den Zusatz antrieb 12 mechanisch gekoppelt der Starter/Generator 14 und anschließend der Klimakompressor 16 an. Bei der Variante gemäß Fig. 2b treibt der Zusatzantrieb 12 zuerst den Klimakompressor 16 und anschließend den Starter/Generator 14 an.In the variant according to FIG. 2a, the additional drive 12 is mechanically coupled to the starter / generator 14 and then to the air conditioning compressor 16 . In the variant according to FIG. 2b, the auxiliary drive 12 first drives the air conditioning compressor 16 and then the starter / generator 14 .
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ergänzt das der Fig. 1 um eine Leistungsregelung 32. Der Leistungsregelung 32 sind ein Ladezustandssignal der Batterie 22, die Innenraumisttemperatur Tist und die Innenraumsolltemperatur Tsoll zugeführt. Die Leistungsregelung 32 erzeugt Steuersignale für den Starter/Generator 14, den Klimakompressor 16 und den Zusatzantrieb 12. Die Batterie 22 wird nun zusätzlich von einer Photovoltaik 30 gespeist.The embodiment according to FIG. 3 supplements that of FIG. 1 by a power control 32 . The power control 32 is supplied with a charge state signal from the battery 22 , the actual interior temperature Tact and the desired interior temperature Tset. The power control 32 generates control signals for the starter / generator 14 , the air conditioning compressor 16 and the additional drive 12 . The battery 22 is now additionally powered by a photovoltaic 30 .
Als Fahrzeugantrieb 10 wird ein herkömmlicher Verbrennungs motor verwendet. Die Batterie 22 versorgt als elektrisch betriebene Nebenaggregate 20 beispielsweise Klimagebläse, Motorkühlgebläse oder Kühlkreislaufpumpe. Diese könnten auch als mechanisch betriebene Nebenaggregate 18 in mechanischer Koppelung mit dem Zusatzantrieb 12 bewegt werden.A conventional internal combustion engine is used as the vehicle drive 10 . The battery 22 , as an electrically operated auxiliary unit 20 , supplies, for example, air conditioning fans, engine cooling fans or cooling circuit pumps. These could also be moved as mechanically operated auxiliary units 18 in mechanical coupling with the auxiliary drive 12 .
Zum Starten des Fahrzeugantriebs 10 entnimmt in einem ersten Schritt der als Starter arbeitende Starter/Generator 14 der Batterie 22 elektrische Energie und treibt über die Welle den Zusatzantrieb 12 an, um ihn zu starten. Nach erfolgtem Startvorgang des Zusatzantriebs 12 wird die Antriebskupplung 24 geschlossen. Dadurch überträgt sich die Bewegung des Zusatzantriebs 12 auf den Fahrzeugantrieb 10, der dadurch ebenfalls gestartet wird. Anschließend wird die Antriebskupplung 24 wieder geöffnet, so daß Fahrzeugantrieb 10 und Zusatzantrieb 12 entkoppelt und unabhängig voneinan der betrieben werden können. Dank dieser Entkoppelung kann der Fahrzeugantrieb 10 für die stark wechselnden Belastungs fälle der Traktion ausgelegt werden, während der Zusatzan trieb 12 in einem quasi stationären Betriebszustand der elektrischen und mechanischen Energieerzeugung für die Nebenaggregate 18, 20 dient.To start the vehicle drive 10 , the starter / generator 14 working as a starter takes electrical energy from the battery 22 in a first step and drives the additional drive 12 via the shaft in order to start it. After the additional drive 12 has started , the drive clutch 24 is closed. As a result, the movement of the additional drive 12 is transferred to the vehicle drive 10 , which is also started as a result. Then the drive clutch 24 is opened again so that the vehicle drive 10 and auxiliary drive 12 can be decoupled and operated independently of one another. Thanks to this decoupling, the vehicle drive 10 can be designed for the strongly changing load cases of traction, while the additional drive 12 serves in a quasi-stationary operating state of electrical and mechanical energy generation for the auxiliary units 18 , 20 .
Der Zusatzantrieb 12 ist über die Welle mechanisch mit dem Klimakompressor 16 gekoppelt, der den für die Klimatisierung notwendigen Kompressionsvorgang durchführt. Für diesen Anwendungsfall bietet sich ein sogenannter außengeregelter Klimakompressor 16 an.The additional drive 12 is mechanically coupled via the shaft to the air conditioning compressor 16 , which carries out the compression process necessary for the air conditioning. A so-called externally controlled air conditioning compressor 16 is suitable for this application.
Im Batterieladebetrieb wandelt der als Generator betriebene Starter/Generator 14 die mechanische Energie des Zusatzan triebs 12 in elektrische Energie um, mit der die Batterie 22 gespeist wird. Aktiviert der Benutzer die elektrisch be triebenen Nebenaggregate 20, wird der Zusatzantrieb 12 in der Weise angesteuert, daß die beschriebene Generatorbe triebsweise erreicht wird.In battery charging operation, the starter / generator 14 operated as a generator converts the mechanical energy of the additional drive 12 into electrical energy with which the battery 22 is fed. Activates the user, the electrically operated auxiliary units 20 , the additional drive 12 is controlled in such a way that the described Generatorbe is achieved by operation.
Benötigt eine Bedienfunktion eines der mechanisch betriebenen Nebenaggregate 18, wird der Zusatzantrieb 12 aktiviert und die Nebenaggregatskupplung 28 geschlossen, so daß die mechanisch betriebenen Nebenaggregate 18 über die Welle, den Riemen 26 und die Nebenaggregatskupplung 28 angetrieben werden.If an operating function of one of the mechanically operated auxiliary units 18 is required, the auxiliary drive 12 is activated and the auxiliary unit clutch 28 is closed, so that the mechanically operated auxiliary units 18 are driven via the shaft, the belt 26 and the auxiliary unit clutch 28 .
Befindet sich das Kraftfahrzeug im Stillstand, kann der Fahrzeugantrieb 10 ausgeschaltet werden, ohne daß die dauerhafte elektrische und/oder mechanische Energie versorgung der Nebenaggregate 18, 20 und des Klimakompres sors 16 gefährdet wäre. Der Zusatzantrieb 12 stellt die Energieversorgung sicher.If the motor vehicle is at a standstill, the vehicle drive 10 can be switched off without the permanent electrical and / or mechanical energy supply to the auxiliary units 18 , 20 and the climate compressor 16 being endangered. The additional drive 12 ensures the energy supply.
Der Zusatzantrieb 12 ist erfindungsgemäß als Verbrennungsmotor ausgeführt. Die beim Betrieb des Zusatzantrieb 12 freigesetzte Abwärme kann dazu verwendet werden, den Fahrzeugantrieb 10 und temperatur schwankungsempfindliche Komponenten, wie Abgasreinigungs komponenten auf einem gewünschten Temperaturniveau zu halten. Vorteilhaft kann hierfür der Zusatzantrieb 12 in unmittelbarer Nähe zu dem Fahrzeugantrieb 10 und den Abgas reinigungskomponenten angeordnet werden. Auch ein Wärmekreislauf auf Luft- oder Kühlwasserbasis ist für diese Vorwärmfunktion möglich. Dadurch läßt sich das Abgasverhalten des Fahrzeugantriebs 10 verbessern.The additional drive 12 is designed according to the invention as an internal combustion engine. The waste heat released during operation of the auxiliary drive 12 can be used to keep the vehicle drive 10 and temperature-sensitive components, such as exhaust gas cleaning components, at a desired temperature level. For this purpose, the auxiliary drive 12 can advantageously be arranged in the immediate vicinity of the vehicle drive 10 and the exhaust gas cleaning components. A heating circuit based on air or cooling water is also possible for this preheating function. The exhaust gas behavior of the vehicle drive 10 can thereby be improved.
Außerdem kann der Zusatzantrieb 12 als Standheizung betrie ben werden. Die Abwärme des Zusatzantriebes 12 läßt sich als Wärmequelle für thermisch betriebene (adsorptive) Kli masysteme nutzen.In addition, the auxiliary drive 12 can be operated as a parking heater. The waste heat from the additional drive 12 can be used as a heat source for thermally operated (adsorptive) air-conditioning systems.
Als Zusatzantrieb 12 ist ein Verbrennungsmotor vorzusehen, der eine geringere Leistung aufweist als der Fahrzeugantrieb 10. Ein bekannter 4-Takt-Verbrennungsmotor, vorzugsweise mit dem gleichen Kraftstoff wie der Fahrzeugantrieb 10 betrieben, kommt hierbei in Frage.As an additional drive 12 , an internal combustion engine is to be provided which has a lower output than the vehicle drive 10 . A known 4-stroke internal combustion engine, preferably operated with the same fuel as the vehicle drive 10 , is possible here.
In einer alternativen Ausgestaltung ist als Zusatzantrieb 12 ein sogenannter Stirlingmotor verwendet. Die prinzipielle Funktionsweise des Stirlingmotors ist in der DE 197 45 167 A1 hinreichend beschrieben. Dieser empfiehlt sich ins besondere für den Standheizungsbetrieb; als Arbeitsstoff des Stirlingmotors kommen z. B. Helium, Stickstoff, Luft oder Wasserstoff in Frage. Der Antriebsteil der Stirlingmaschine wird mittels Kraftstoff über einen Brenner beheizt. Die erzeugte mechanische Leistung dient zum Antrieb des Klimakompressors 16. Darüber hinaus kann die mechanische Leistung an den Starter/Generator 14 in beschriebener Weise zur elektrischen Energieerzeugung abgeben werden. Der Starter/Generator 14 dient im elektromotorischen Betrieb zum Start des Stirling-Antriebs und zum Schnellstart des Kühlers, bis der Antriebsteil ausreichend Leistung abgibt.In an alternative embodiment, a so-called Stirling engine is used as the additional drive 12 . The basic mode of operation of the Stirling engine is sufficiently described in DE 197 45 167 A1. This is particularly recommended for parking heater operation; come as working material of the Stirling engine z. B. helium, nitrogen, air or hydrogen in question. The drive part of the Stirling engine is heated by a burner using fuel. The mechanical power generated serves to drive the air conditioning compressor 16 . In addition, the mechanical power can be given to the starter / generator 14 in the manner described for electrical energy generation. The starter / generator 14 is used in electromotive operation to start the Stirling drive and to start the cooler quickly until the drive part delivers sufficient power.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 steht die Ansteuerung der verschiedenen Komponenten bei unterschiedlichen Betriebsfällen im Vordergrund. Der Zusatzantrieb bewegt sowohl den Klimakompressor 16 als auch den Starter/Generator 14 über dieselbe Welle. Damit wird die Drehzahl der Welle durch den Zusatzantrieb 12 vorgegeben. Dadurch lassen sich riemenlose Antriebskonzepte realisieren. Die Leistungsregelung 32 erzeugt Steuersignale für den Starter/Generator 14 und den Klimakompressor 16. Damit wird das Drehmoment dieser Komponenten vorgegeben. Die gezielte Drehmomentenvorgabe/mechanische Leistungsaufnahme zwischen beinahe 0 und 100% läßt sich insbesondere bei einem außengeregelten Klimakompressor 16 beispielweise durch ein PWM-Signal vornehmen. Dieses beeinflußt die Scheibenstellung des außengeregelten Klimakompressors 16 und damit seine Förderleistung bzw. das für seinen Antrieb aufzubringende Drehmoment, das vom Zusatzmotor bereit zu stellen ist. Der Klimakompressor 16 wird in Abhängigkeit von der Soll-Ist- Abweichung der Kraftfahrzeuginnenraumtemperatur (Tsoll - Tist) und in Abhängigkeit von der einfallenden thermischen Wärme, z. B. durch direkte Sonneneinstrahlung oder warme Umgebungsluft, angesteuert, um die Innenraumtemperatur auf den gewünschten Sollwert zu regeln. Diese Regelung kann in der Leistungsregelung 32 integriert sein.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the focus is on the control of the various components in different operating cases. The additional drive moves both the air conditioning compressor 16 and the starter / generator 14 via the same shaft. The speed of the shaft is thus predetermined by the additional drive 12 . This enables beltless drive concepts to be implemented. The power control 32 generates control signals for the starter / generator 14 and the air conditioning compressor 16 . This specifies the torque of these components. The targeted torque specification / mechanical power consumption between almost 0 and 100% can be carried out in particular in the case of an externally controlled air conditioning compressor 16, for example by means of a PWM signal. This influences the disc position of the externally controlled air conditioning compressor 16 and thus its delivery capacity or the torque to be applied for its drive, which is to be provided by the additional motor. The air conditioning compressor 16 is in dependence on the target-actual deviation of the vehicle interior temperature (Tsoll - Tist) and in dependence on the incident thermal heat, for. B. controlled by direct sunlight or warm ambient air to regulate the interior temperature to the desired setpoint. This regulation can be integrated in the power regulation 32 .
Auch die Drehmomentaufnahme des Starters/Generators 14 wird von der Leistungsregelung 32 gesteuert. Dies erfolgt durch ein elektrisches Steuersignal, das die Erregung des Generators 14 beeinflußt und damit auch dessen mechanische Antriebsleistung. Seine mechanische Antriebsleistung ist z. B. dann geringer, wenn er weniger Strom als vom Bordnetz benötigt generiert.The torque control of the starter / generator 14 is also controlled by the power control 32 . This is done by an electrical control signal, which influences the excitation of the generator 14 and thus also its mechanical drive power. Its mechanical drive power is e.g. B. less if it generates less electricity than required by the electrical system.
Durch die gezielte Vorgabe der Leistungsaufnahme der mechanischen Nebenaggregate (Klimakompressor 16, Starter/Generator 14) kann die maximale Abgabeleistung des Zusatzantriebs 12 bedarfsgerecht unter Berücksichtigung verschiedener kritischer Zustände wie beispielsweise dem Ladezustand der Batterie 22 oder einer sehr hohen Innenraumtemperatur Tist auf die mechanischen Nebenaggregate 14, 16 aufgeteilt werden. Die maximale Abgabeleistung des Zusatzantriebs 12 wird in diesen kritischen Fällen dann wahlweise entweder dem Klimakompressor 16 oder dem Starter/Generator 14 zur Verfügung gestellt. Die mechanischen Nebenaggregate 14, 16 werden generell so geregelt, daß die Summe der vom Generator 14 und vom Klimakompressor 16 geforderten Antriebsleistung die maximal vom Zusatzantrieb 12 lieferbare mechanische Abgabeleistung nicht übersteigt.By specifically specifying the power consumption of the mechanical auxiliary units (air conditioning compressor 16 , starter / generator 14 ), the maximum output power of the auxiliary drive 12 can be applied to the mechanical auxiliary units 14 as required, taking into account various critical conditions, such as the state of charge of the battery 22 or a very high interior temperature Tist. 16 can be divided. In these critical cases, the maximum output power of the additional drive 12 is then either made available to either the air conditioning compressor 16 or the starter / generator 14 . The mechanical auxiliary units 14 , 16 are generally controlled so that the sum of the drive power required by the generator 14 and by the air conditioning compressor 16 does not exceed the maximum mechanical output power that can be supplied by the auxiliary drive 12 .
Nachfolgend werden verschiedene Betriebsarten beschrieben. Bei der Standklimatisierung ist der Fahrzeugantrieb 10 ausgeschaltet. Durch Erreichen einer vorgebbaren Aktivierungszeit oder eine Fernaktivierung über Mobiltelefon oder Fernbedienung wechselt das ruhende System in die Betriebsart "Standklimatisierung". Hierbei wird dem Klimakompressor 16 ein gewisser Vorrang gegenüber dem Generator 14 eingeräumt, damit der Innenraum rasch gekühlt werden kann. Die Lüfter als elektrisch betriebene Nebenaggregate 20 werden ebenfalls aktiviert. Der Generator wird in Abhängigkeit vom Batterie-Ladezustand angesteuert. Bei schlechtem Ladezustand kann dann z. B. nur der Strom für die Lüfter generiert werden, um die Batterie 22 nicht weiter zu entladen. Bei gutem Ladezustand werden die Lüfter aus der Batterie 22 gespeist. Fordert der Klimakompressor 16 aufgrund einer hohen Soll-Ist-Abweichung bereits die maximale mechanische Antriebsleistung des Zusatzmotors 12 an, erzeugt die Leistungsregelung 32 für den Generator 14 in Abhängigkeit vom Batterie-Ladezustand ein Steuersignal, das diesen zur minimalen mechanischen Antriebsaufnahme veranlaßt. Wird der Klimakompressor 16 im Sinne einer Leistungsentnahme angesteuert, die unter der maximalen Antriebsleistung des Zusatzantriebs 12 liegt, steuert die Leistungsregelung 32 in Abhängigkeit von dem Ladezustandssignal der Batterie 22 den Generator 14 an, um gegebenenfalls die Batterie 22 aufzufüllen. Hierzu vergleicht die Leistungsregelung 32 das Ladezustandssignal mit einem vorgebbaren Grenzwert, dessen Unterschreiten einen Ladebedarf der Batterie 22 anzeigt. Der Generator 14 deckt den momentanen Strombedarf beispielsweise der Lüfter.Different operating modes are described below. The vehicle drive 10 is switched off in the case of stationary air conditioning. When a pre-definable activation time or remote activation via mobile phone or remote control is reached, the idle system changes to the "stationary air conditioning" operating mode. Here, the air conditioning compressor 16 is given a certain priority over the generator 14 so that the interior can be cooled quickly. The fans as electrically operated auxiliary units 20 are also activated. The generator is controlled depending on the battery charge level. If the charge is poor, z. B. only the current for the fans are generated so as not to discharge the battery 22 further. If the state of charge is good, the fans are fed from the battery 22 . If the air conditioning compressor 16 already requests the maximum mechanical drive power of the additional motor 12 due to a high target / actual deviation, the power control 32 for the generator 14 generates a control signal as a function of the battery charge state, which causes the latter to take up minimal mechanical drive. If the air conditioning compressor 16 is controlled in the sense of a power draw that is below the maximum drive power of the additional drive 12 , the power control 32 controls the generator 14 as a function of the charge status signal of the battery 22 in order to fill up the battery 22 if necessary. For this purpose, the power control 32 compares the state of charge signal with a predefinable limit value, the drop below which indicates a charge requirement of the battery 22 . The generator 14 covers the current power requirement, for example the fan.
Bei der Betriebsart "Abkühlen nach Fahrtbeginn", die auftritt, wenn zuvor keine oder eine zu kurzzeitige Vor- bzw. Standklimatisierung aktiviert worden war, gibt der Zusatzantrieb 12 die ganze Leistung an den Klimakompressor 16 ab in Abhängigkeit von der Soll-Ist-Abweichung der Innenraumtemperatur und vom evtl. kritischen Ladezustand der Batterie. Die Erregung des Generators 14 ist bei nicht kritischem Ladezustand der Batterie abgeschaltet, die maximale Antriebsleistung steht damit der Innenraumklimatisierung zur Verfügung. Der Energiebedarf der elektrisch betriebenen Nebenaggregate 20 wird aus der Batterie 22 gedeckt, die nicht vom Generator 14 nachgeladen wird.In the operating mode "cooling after the start of the journey", which occurs when no or a short-term pre- or stationary air conditioning has been activated, the additional drive 12 delivers the entire power to the air conditioning compressor 16 as a function of the target / actual deviation Interior temperature and the possibly critical state of charge of the battery. The excitation of the generator 14 is switched off when the battery is not in a critical state of charge, and the maximum drive power is thus available for indoor air conditioning. The energy requirement of the electrically operated auxiliary units 20 is covered by the battery 22 , which is not recharged by the generator 14 .
Bei der Betriebsart "Fahrbetrieb mit normalem Kühlen" befindet sich der Fahrzeugantrieb 10 in Betrieb und wird bei Fahrzeugstillstand abgeschaltet (Start-Stop-Betrieb), wenn sich das Fahrzeug für eine bestimmte Zeitspanne nicht bewegt. Der Zusatzantrieb 12 treibt sowohl den Klimakompressor 16 als auch den Generator 14 an. Die Leistungsregelung 32 steuert den Klimakompressor 16 so an, daß die gewünschte Fahrzeuginnenraumtemperatur Tsoll gehalten wird. Der Generator 14 wird in Abhängigkeit von dem Ladezustandssignal der Batterie 22 beziehungsweise der Batteriespannung angesteuert, um die Batterie 22 vollzuladen. Die Leistungsaufnahme des Generators 14 ist vorzugsweise so bemessen, daß sie sich aus der Differenz der von dem Zusatzantrieb 12 maximal abgebbaren Leistung und der vom Klimakompressor 16 aufgenommen Leistung, ermittelt aus der Soll-Ist-Abweichung der Innenraumtemperatur, ergibt. In the operating mode "driving operation with normal cooling", the vehicle drive 10 is in operation and is switched off when the vehicle is at a standstill (start-stop operation) if the vehicle is not moving for a certain period of time. The additional drive 12 drives both the air conditioning compressor 16 and the generator 14 . The power control 32 controls the air conditioning compressor 16 so that the desired vehicle interior temperature T setpoint is maintained. The generator 14 is driven in dependence on the charging state signal of the battery 22 and the battery voltage, the battery vollzuladen 22nd The power consumption of the generator 14 is preferably such that it results from the difference between the maximum power that can be output by the additional drive 12 and the power consumed by the air conditioning compressor 16 , determined from the target / actual deviation of the interior temperature.
In der Betriebsart "Fahrbetrieb ohne Kühlen" ist die Klimaanlage deaktiviert. Der Klimakompressor 16 ist abgeregelt. Der Generator 14 liefert den momentanen Strombedarf und lädt gegebenenfalls die Batterie 22. Der Zusatzantrieb 12 wird abgeschaltet, solange die Batterie 22 nicht zu stark entladen ist. Erreicht der Ladezustand der Batterie 22 einen kritischen Grenzwert, wird der Zusatzantrieb 12 wieder aktiviert, um den Generator 14 mechanisch anzutreiben. Die Batterie 22 wird dann durch den Generator 14 wieder nachgeladen.The air conditioning is deactivated in the "Driving mode without cooling" mode. The air conditioning compressor 16 is limited. The generator 14 supplies the current power requirement and charges the battery 22 if necessary. The additional drive 12 is switched off as long as the battery 22 is not over-discharged. If the state of charge of the battery 22 reaches a critical limit value, the additional drive 12 is activated again in order to mechanically drive the generator 14 . The battery 22 is then recharged by the generator 14 .
Eine weitere Betriebsart ist für den Fall vorgesehen, daß die Batterie 22 stark entladen ist bei gleichzeitiger Kälteanforderung der Innenraumklimatisierung. Unterschreitet das Ladezustandssignal einen kritischen Grenzwert, wird der Klimakompressor 16 so weit abgeregelt, daß er (anfangs) keine mechanische Leistung dem Zusatzantrieb 12 entnimmt. Damit' steht dem Generator 14 die maximale Leistung des Zusatzantriebs 12 vollständig zur Verfügung. Mit steigender Nachladung der Batterie 22 entnimmt der Klimakompressor 16 zunehmend mehr mechanische Leistung dem Zusatzantrieb 12. Wird ein unkritischer Ladezustand der Batterie 22 erreicht, lädt der Generator 14 mit einem geringeren Strom weiter, während gleichzeitig der Klimakompressor 16 je nach Innenraumtemperatur mit ausreichender oder verminderter Leistung Kälte produziert. Dem Klimakompresssor 16 wird nunmehr der Vorrang in der Ansteuerung eingeräumt.Another operating mode is provided in the event that the battery 22 is heavily discharged while the interior air conditioning system is requesting cold. If the state of charge signal falls below a critical limit value, the air conditioning compressor 16 is regulated so far that (initially) it does not draw any mechanical power from the auxiliary drive 12 . The generator 14 thus has the maximum power of the additional drive 12 completely available. With increasing recharging of the battery 22, the air conditioning compressor 16 draws increasingly more mechanical power from the auxiliary drive 12 . If an uncritical state of charge of the battery 22 is reached, the generator 14 continues charging with a lower current, while at the same time the air conditioning compressor 16 produces cold with sufficient or reduced power depending on the interior temperature. The air conditioning compressor 16 is now given priority in the control.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist noch eine zweite (Zusatz)batterie vorgesehen. Diese Zusatzbatterie hat eine relativ geringe, jedoch für Starterzwecke ausreichende Kapazität. Sie ist in der Regel in gutem Ladezustand. Die Batterie 22 hingegen besitzt eine entsprechend große Kapazität, die mindestens während einer Abkühlphase des heißen Fahrzeuginnenraums, in der der Klimakompressor 16 die gesamte Abgabeleistung des Zusatzantriebs 12 beansprucht und daher die Erregung des Generators 14 abgeschaltet ist, die elektrische Versorgung aller elektrisch betriebener Nebenaggregate 20 sicherstellt. Die Batterie 22 muß zyklen- und tiefentladungsfest sein, um in Phasen geringen Strombedarfs bei gleichzeitig fehlendem Kältebedarf den Strom aus der Batterie 22 zu liefern. Da der Zusatzantrieb 12 im Teillastbetrieb energetisch weniger effizient arbeitet als im Vollastbetrieb, kann er bei der genannten Batteriedimensionierung abgeschaltet werden. Parallel zu den Batterien könnten auch verlustarme Kondensatoren (z. B. sog. Super-Caps) eingebaut werden. Durch das Puffern elektrischer Energie wird ein intermittierender Betrieb des Zusatzantriebs 12 möglich, der dann immer nur im Betriebspunkt mit maximalen Wirkungsgrad, das heißt bei Vollast, betrieben werden kann. Um die Betriebszeit des Zusatzantriebs 12 weiter zu minimieren, wird ein Photovoltaik-Generator 30 verwendet, der die Batterien ständig nachlädt. Parallel können auch bei abgestelltem Fahrzeug Lüfter mit dem Solarstrom gespeist werden. Dadurch läßt sich die Innenraumtemperatur weiter absenken. Dies hat den Vorteil, daß der Energiebedarf der Klimaanlage für das Abkühlen auf die Solltemperatur vor oder nach Fahrtantritt geringer ist.In an alternative embodiment, a second (additional) battery is also provided. This additional battery has a relatively low capacity, but sufficient for starter purposes. It is usually in good charge. The battery 22, on the other hand, has a correspondingly large capacity, which ensures the electrical supply to all electrically operated auxiliary units 20 at least during a cooling phase of the hot vehicle interior, in which the air conditioning compressor 16 demands the entire output power of the auxiliary drive 12 and therefore the excitation of the generator 14 is switched off . The battery 22 must be resistant to cycles and deep discharge in order to supply the current from the battery 22 in phases of low power consumption while at the same time there is no need for cooling. Since the additional drive 12 operates less efficiently in part-load operation than in full-load operation, it can be switched off with the battery dimensions mentioned. Low-loss capacitors (e.g. so-called super-caps) could also be installed in parallel to the batteries. The buffering of electrical energy enables intermittent operation of the additional drive 12 , which can then only be operated at the operating point with maximum efficiency, that is to say at full load. In order to further minimize the operating time of the additional drive 12 , a photovoltaic generator 30 is used which constantly recharges the batteries. At the same time, fans can be supplied with the solar power even when the vehicle is parked. This allows the interior temperature to be reduced further. This has the advantage that the energy requirement of the air conditioning system for cooling to the target temperature is lower before or after driving off.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
| 8141 | Disposal/no request for examination |