WO2014026751A2 - Vorrichtung zum antrieb einer maschine mit instationärem leistungsbedarf - Google Patents

Vorrichtung zum antrieb einer maschine mit instationärem leistungsbedarf Download PDF

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application 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.

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Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug wird ein Hochleistungsenergiespeicher, insbesondere eine Schwungradanordnung für die Bereitstellung der dynamischen Fahrtleistungen verwendet, der durch eine sehr schonend belastete Batterie und bei Bedarf durch einen Verbrennungsmotor sowie durch rekuperative Bremsenergie aufgeladen werden kann. Die Batterie kann bei Bedarf durch externe Netzenergie oder den Verbrennungsmotor aufgeladen werden, der auch eine Leistung zur Abdeckung der Energieverluste bei einer Dauerhöchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs liefern kann. Durch die erfindungsgemäße Dimensionierung der Komponenten ergibt sich ein hoch-effizientes, langstreckentaugliches Hybridfahrzeug mit großer emissionsfreier Reichweite und geringem spezifischem Energiebedarf bei guten dynamischen Fahrleistungen. Weiter werden vorteilhafte Ausgestaltungen unter Nutzung äquivalenter Komponenten und eine für die Antriebsvorrichtung vorteilhafte Anzeigevorrichtung offenbart.

Description

Vorrichtung zum Antrieb einer Maschine mit instationärem Leistungsbedarf
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.
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zeichnen sich dadurch aus, dass der
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.
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 benötigte
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.
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
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.
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
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
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.
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
Energieversorgung aufgeladen werden oder durch eine aufgeladene
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
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
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
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
Elektromaschine eine Brennstoffzelle zu verwenden. Diese ist jedoch ebenfalls teuer und relativ anfällig. Außerdem ermöglicht sie nur in speziellen
Ausgestaltungen eine Synthese von Kraftstoff durch eingeleitete elektrische
Rekuperationsenergie.
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.
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
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.
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 einer
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
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
Verbrennungsmotor in einem Fahrzeugantrieb kombinieren.
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
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 der
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
Batterie wieder aufzuladen und um höhere Fahrgeschwindigkeiten als 70 km/h zu erreichen. Die Leistung des Verbrennungsmotors kann auf ca. 30 kW begrenzt sein.
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
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
Beschleunigung von 0 auf 70 km/h aus den Schwungrädern lediglich davon abhängig sein soll, wie schnell ein zwischengeschaltetes automatisches Getriebe hoch bzw. runterschaltet.
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
vorgesehen, deren Leistung nur für die Aufrechterhaltung der maximalen
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 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
Elektromaschine mit im Ausführungsbeispiel 4,9 PS entsprechend 3,6 kW vorgesehen, die die Schwungräder beschleunigen kann und aus einer
handelsüblichen Batterie gespeist wird, die vom Verbrennungsmotor über eine Lichtmaschine geladen werden kann.
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
Verbrennungsmotor wenig energieeffizient.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 197 18 480 A1 offenbart einen Hybridantrieb für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und zumindest einer als
Motor/Generator einsetzbaren Elektromaschine, bei dem die
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
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.
Ein Dimensionierungsvorschlag für erheblich leichtere Fahrzeuge wird dort nicht gemacht. Bei einer linearen Skalierung auf ein Fahrzeug mit 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
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
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
Störgrößenaufschaltung ausgeglichen werden. Damit sind weder eine
Dimensionierung des Verbrennungsmotors auf Basis seiner Leistung im
verbrauchsoptimalen Betriebsbereich offenbart, noch dessen Betrieb in diesem Bereich nahegelegt.
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.
Um im Folgenden eine einheitliche Terminologie und ein einfaches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, werden zunächst einige zentrale Begriffe definiert:
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.
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. auch
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
Einrichtungen vorgesehen sind.
Ein chemisch-mechanischer Energiewandler wandelt chemische Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit um. Dazu gehören beispielsweise ein
Verbrennungsmotor sowie auch die Kombination aus einer Brennstoffzelle und einer Elektromaschine und dergleichen.
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.
Der optimale Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors bezieht sich auf einen Leistungsbereich, in dem der Verbrennungsmotor unter Beachtung von
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
Kraftstoffqualität, kann jedoch auch weitere Größen wie beispielsweise den
Luftdruck berücksichtigen. Der optimale Arbeitsbereich kann zudem unter
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
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
Verbrennungsmotor erzeugten Abwärme in Bezug auf das gesamte Fahrzeug energetisch effektiver als alternative Arten der Wärmeerzeugung ist.
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
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
herkömmlichen, elektrochemischen Energiespeichern großen nutzbaren Anteil der nominellen Kapazität aufweist. Dies sind in erster Linie mechanische
Energiespeicher und besonders Schwungräder können aber auch bestimmte Kondensatorbatterien sein, die die entsprechenden Eigenschaften aufweisen, insbesondere bestimmte Doppelschicht-Kondensatoren wie sogenannte Super- oder Ultracaps.
Ein mechanischer Energiespeicher kann insbesondere eine Schwungradanordnung, ein mechanischer Federspeicher, ein pneumatischer bzw. hydro-pneumatischer Druckspeicher oder dergleichen sein.
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
Prozentsatz der maximal speicherbaren, tatsächlich nutzbaren Energie des
Schwungrades angegeben und als State of Charge (SOC) bezeichnet.
Ein elektrischer Energiespeicher ist insbesondere ein Elektroschwungrad, ein elektrischer Kondensator, eine Batterie, ein reversibel arbeitendes Brennstoffzellen- System oder dergleichen.
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
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
Antriebskonzeptes aufgrund der relevanten Eigenschaften (geringe Alterung und Erwärmung bei großen ein- und ausgespeicherten Leistungen bei gutem
Wirkungsgrad, nahezu vollständig nutzbare nominelle Kapazität, großer
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.
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
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.
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
Entladeleistung von in der Regel 1 C oder weniger, wobei in bestimmten
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 und
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
emissionslose Reichweiten erzielbar sind. Hinzu kommt, dass eine geringe spezifische Batteriebelastung auch eine Vergrößerung des nutzbaren
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
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.
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
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
höchstmotorisierte, sogenannte Supersportier wie der Porsche 911 Carrera S, von 5 kg/kW auf. Es sei darauf hingewiesen, dass für die Ermittlung des
Leistungsgewichtes eine mögliche Leistung der Batterie für den Antrieb des
Fahrzeugs außer Betracht bleibt, da deren Leistung bei leerer Batterie,
insbesondere bei längeren Fahrten mit Geschwindigkeiten oberhalb der
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,
- hohe dynamische Fahrleistungen bereitstellen kann,
- sich für den lokal emissionslosen Betrieb in größeren Zero-Emissions-Zonen eignet,
- sich für den Langstreckenbetrieb mit unterbrechungsfreier Fahrt von
zumindest einigen hundert Kilometern eignet ,
- eine geringe und relativ langzyklische Belastung der Batterie durch geringe spezifische Be- und Entladeströme erlaubt, sowie
- eine hohe Ausfallsicherheit gegen sogenannte Liegenbleiber bietet.
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
Weiterentwicklungen unter Schutz gestellt.
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
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
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
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
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
Elektromaschine eines Elektroschwungrads ausgebildet sein kann. Bei der
Verwendung einer Schwungradanordnung kann genau ein oder alternativ mehrere Schwungräder vorgesehen werden, die in diesem Fall zur Auslöschung
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
Doppelschichtkondensatoren und hier besonders sogenannten Super- oder
Ultracaps und Hybridkondensatoren möglich.
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
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist so gestaltet und deren vorgenannte Komponenten sind so angeordnet, dass sie - soweit in einer konkreten
Ausgestaltung vorhanden - das oder die Antriebsmittel mechanisch und/oder elektrisch antreiben können.
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
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
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.
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
„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.
Durch die erfindungsgemäße vorteilhafte Dimensionierung wird ein extrem
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
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.
Da die Gesamtleistung der Maschine bzw. des Kraftfahrzeugs ein wesentliches Auslegungskriterium darstellt, kann sie für eine bestimmte Maschine oder
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
Gesamtleistung aus Schwungrad-Modul und Verbrennungsmotor im
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.
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
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.
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
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.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass eine Leistung des Hochenergiespeichers, die um den Faktor 1 ,5 größer ist, als die Leistung des ersten mechanischen
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
Leistungsgewicht zwischen ca. 20 kg/kW und ca. 10 kg/kW und bildet damit eine untere Grenze des Faktorbereiches.
Eine Auslegung auf Faktor 8 führt zu relativ kleinen Auslegungen des
Verbrennungsmotors. Bei einer noch kleineren Dimensionierung würde
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
Fahrzeugen mit sehr niedrigem Leistungsgewicht so groß, dass die
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
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.
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
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
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
Erschöpfung der Batterie auch eine hohe Designfreiheit der Konstrukteure bei der Wahl einer geeigneten Batteriekapazität befördert.
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
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
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 emissionslosen
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.
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
weitgehenden Vakuum oder einer druckreduzierten Atmosphäre und/oder in einem leichten Gas läuft, da gewickelte Schwungräder im Vergleich zu anderen
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
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.
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
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
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
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.
Ultracaps genannt, nutzen im Vergleich zu herkömmlichen
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
Vergleich zu Batteriezellen auf Lithium-Ionenbasis eine erheblich höhere
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
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.
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
Selbstentladung bei den bevorzugten elektrochemischen
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.
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.
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
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.
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
funktionales Äquivalent zu einer Batterie und ermöglicht somit bei Bedarf den Wegfall der elektrochemischen Batterie, wobei zusätzlich bei Bedarf durch
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
Brennstoffzelle reversibel ausgebildet ist, kann sie bei entsprechend
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
Verbrennungsmotoren und auch elektrochemischen Batterien weit unterlegen, weshalb diese Optionen hauptsächlich bei zukünftigen, weiterentwickelten
Brennstoffzellen attraktiv erscheinen.
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.
Durch diese Auslegung ist das Kraftfahrzeug in der Lage, unabhängig vom
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
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.
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
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.
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
Geschwindigkeitsbegrenzung ausgelegt ist, kann sinnvoll auf eine
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
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
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
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
Faktorbereiches dar, die eine zügige Beschleunigung des Fahrzeugs auf
Geschwindigkeiten oberhalb der Dauerhöchstgeschwindigkeit auch bei ungünstigen Randbedingungen wie z.B. einer Steigung, Gegenwind oder einem durch z.B.
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.
Wenn die Batterie dazu ausgelegt ist, 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, 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
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
Umgebungsbedingungen sichergestellt werden, ohne die spezifische Belastung der Batterie unerwünscht erhöhen oder den Verbrennungsmotor bzw. die erste Brennstoffzelle betreiben zu müssen.
Wenn die Maschine über einen externen Ladeport verfügt, über den elektrische Energie zwischen einerseits zumindest einem der internen elektrischen
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
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.
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.
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
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
Hybridfahrzeugen bislang notwendige Aufwand zum Schutz von Personen vor elektrischen Schlägen erheblich verringert werden, da lediglich räumlich eng begrenzte Bereiche eine gefährliche Spannung aufweisen.
Dies verringert, insbesondere wenn diese elektrischen Leitungen mit
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
Leitungsverluste sind zwar nicht vernachlässigbar, jedoch durch die genannten Vorteile gerechtfertigt. Wenn das Kraftfahrzeug zumindest zwei Achsen mit Antriebsmitteln, wie
insbesondere Antriebsrädern, aufweist, welche von den dritten Elektromaschinen (hier auch Antriebselektromaschinen genannt) antreibbar und unter Erzeugung von Rekuperationsenergie bremsbar sind, ist es vorteilhaft, diese
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
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.
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
Antriebskonzept insbesondere bei Langstreckenfahrten mit hohen
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.
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
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.
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
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
Beschleunigungen auf hohe Geschwindigkeiten und unter ungünstigen
Randbedingungen, vorkommen kann, dass der Energieinhalt des
Hochleistungsenergiespeichers bzw. des Schwungradmoduls nicht zur
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.
Erfindungsgemäß wird zunächst die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt, die mit Hilfe der derzeitig in dem Hochleistungsenergiespeicher bzw. dem
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.
Der erfindungsgemäßen Signalvorrichtung werden Signale zugeführt, die ein Maß sind für die oben genannte Höchstgeschwindigkeit. Abhängig von dieser
Geschwindigkeit werden entsprechende optische und/oder akustische Signale ausgegeben.
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.
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.
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
Höchstgeschwindigkeit verbessert.
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,
Fig. 2 ein zweites, konkreteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung anhand eines Blockdiagramms,
Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung verschiedener Betriebsphasen und - Modi der Antriebsvorrichtung, insbesondere in Bezug auf das zweite
Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 eine Darstellung einer Anzeigevorrichtung für die Antriebsvorrichtung.
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
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
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.
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.
Außerdem ist ein Schwungrad-Modul 13 vorgesehen, in dem eine zweite
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
Hochgeschwindigkeitsschwungräder mit einer maximalen Umdrehungszahl von wenigstens 20.000, bevorzugt wenigstens 35.000 Umdrehungen pro Minute ausgebildet.
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
Radnabenmotoren bezeichneten Radnabenelektromaschinen. Die
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
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.
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
Elektromaschine 44 und den Antriebsrädern 46. Diese drei Antriebe 52, 54, 56 erlauben es, mechanische Energie bi-direktional zwischen der
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.
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
Verbrennungsmotors 14 betrieben werden. Über die elektrischen Leitungen 72 und 64 ist auch eine Übertragung elektrischer Energie zwischen der ersten
Elektromaschine 26 und der zweiten Elektromaschine 40 möglich, wofür äquivalent auch eine in Figur 2 dargestellte, separate zwölfte elektrische Leitung 84
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.
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,
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
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.
Schließlich kann bei geeigneter Auslegung mechanische Energie von den
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
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
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
Schwungrad 42 durch diesen mechanische Antrieb den Verbrennungsmotor 14 antreiben und insbesondere starten kann.
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
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
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
Wirkverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 14 und den Antriebsrädern 46 ist in diesem Fall nicht erforderlich, kann jedoch zusätzlich vorgesehen werden.
Momentan nicht für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte Energie des
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
beschleunigen und/oder die Batterie 34 zu laden.
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.
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
Synthesevorrichtung mit Energie zur Synthese von Kraftstoff zu versorgen und/oder bei Bedarf dafür ausgelegt sein, wahlweise auch Energie an einen externen
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.
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.
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
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
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.
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
gewünschtes Drehzahlband zu bringen bzw. dort zu halten. Die
Schwungradanordnung 42 dient als wesentliche Energiequelle bzw.
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 zur
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
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
Elektromaschine 40, zum Laden der Batterie 34 und/oder zum reversiblen Betrieb zumindest einer der Brennstoffzellen 28, 16 verwendet werden.
Die verschiedenen Elektromaschinen 26, 40, 44 können auch kombiniert oder auf mehrere Elektromaschinen aufgeteilt werden und müssen nicht zwingend
physikalisch eigenständige Maschinen bilden, sofern alternative Ausgestaltungen die aufgeführten Funktionen erfüllen können.
Die anhand der Fig. 1 dargestellten, vielfältigen möglichen Auslegungen und
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
Konzept, das Entwicklern eine Vielzahl unterschiedlicher konkreter Ausgestaltungen und damit eine umfangreiche Optimierung in Bezug auf gewünschte
Antriebskonzepte und Randbedingungen erlaubt.
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
Komponenten oder deren konkreter Verknüpfung, sondern erst aus der relativen Auslegung der Komponenten in Bezug auf die Leistungen und die nutzbaren speicherbaren Energieinhalte.
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.
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.
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
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.
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
mechanischen Antriebe 82 bzw. 50 und/oder ausschließlich durch die
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.
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
Gepäckraumvolumen von maximal 350 Litern. Im Betrieb weist es einen
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.
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,
Dauerhöchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht. Konkret soll die Leistung des Verbrennungsmotors 14 hier so bemessen sein, dass das Fahrzeug
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
Nebenaggregate betreiben kann.
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
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
Verbrennungsmotors 14 wird dies zwar nicht bevorzugt, soll jedoch
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
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
abgeschaltetem Verbrennungsmotor 14 über den sechsten mechanischen Antrieb 82 auch als eine Antriebs-Elektromaschine 44 arbeiten.
Durch diese doppelte Nutzbarkeit der ersten Elektromaschine 26 kann
entsprechend Gewicht und Bauraum für die Antriebs-Elektromaschinen 44 eingespart werden. Bei entsprechender Dimensionierung der ersten
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
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.
Energetisch noch vorteilhafter ist es, wenn die auf die Hinterachse wirkende Antriebs-Elektromaschine 44 durch zwei auf die Hinterräder wirkende
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.
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.
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
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.
Sofern der verbrauchsoptimale Betriebsbereich des Verbrennungsmotors z.B. eine Spreizung der Drehzahl von Faktor zwei erlaubt, könnte ein auf eine
Höchstgeschwindigkeit von 200 km/h ausgelegtes Fahrzeug in einem
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
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.
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.
Nicht für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte Leistung des Verbrennungsmotors 14, die nicht von der Elektromaschine 26 bzw. dem 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
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
Betriebstemperatur zu beschleunigen, Nutzwärme zur Temperierung eines
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.
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
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
Radnabenmotoren und deren Ansteuerungselektronik in einem Bereich guten Wirkungsgrades. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Räder einer Achse durch eine gemeinsame Elektromaschine 44 anzutreiben.
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.
Diesem zusätzlichen Gewicht von insgesamt ca. 315 kg stehen
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
Ausgangsfahrzeug Audi A2 1.2TDI auf ca. 200 kg reduziert.
Zusammenfassend ist das Beispielfahrzeug durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
- 5-türiger Minivan für 4 oder 5 Personen mit ca. 1050 kg Gewicht
- 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
- 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
- Vier Radnabenmotoren 45, wobei die auf die Antriebsräder 46 der
Vorderachse wirkenden Elektromaschinen 44 eine Leistung von jeweils 50 kW und die auf die Antriebsräder 46 der Hinterachse wirkenden
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
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.
Durch diese erfindungsgemäße Dimensionierung der Komponenten entsteht ein Fahrzeug, welches
- eine Dauerhöchstgeschwindigkeit von 130 km/h unter ausschließlicher Nutzung des Verbrennungsmotors 14 aufweist,
- Bei ausreichendem SOC der Batterie 34 eine erweiterte
Dauerhöchstgeschwindigkeit von ca. 170 km/h aufweist,
- 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,
- bei voll geladener Batterie 34 und einem angenommenen durchschnittlichen Leistungsbedarf unter Berücksichtigung weitgehend vollständiger
Rekuperation von 7,5 kW eine lokal emissionsfreie Fahrzeit von ca. einer Stunde aufweist,
- 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,
- 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,
- bei geeigneter Auslegung auf große Teile des bisher notwendigen
Aufwandes für eine herkömmliche Bremsanlage verzichten kann.
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
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
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.
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.
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.
Das Flussdiagramm geht in Schritt S1 von einem Kaltstart des stehenden
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
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
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
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
Arbeitstemperatur noch nicht erreicht haben oder bis der Betrieb des
Verbrennungsmotors durch einen Befehl des Fahrers oder einer Einrichtung des Fahrzeugs beendet wird.
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
Batterietemperatur aufweist, die ein Starten des Fahrzeugs in einem
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.
Im Normalfall sind der SOC der Batterie 34, deren Alterungs- und
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
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.
Ist die aus der Batterie 34 entnehmbare Leistung P geringer als 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.
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
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.
maximal nur 5 kW sollte der vor Fahrtantritt erreichte SOC des
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.
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
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.
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
abgebbaren Leistung, abzüglich der Leistung der Nebenaggregate entspricht.
Sobald für den Antrieb des Fahrzeugs eine geringere als die aus der Batterie 34 unter Berücksichtigung von SOC, SOH und Batterietemperatur maximal
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.
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.
Ausgehend von einer nominellen Batteriekapazität von 15 kWh des
Beispielfahrzeugs kann bei dafür geeigneten Batteriezuständen, insbesondere Batterietemperatur und SOH beispielsweise kurzzeitig eine maximale
Entladeleistung der Batterie von 1 ,5 C freigegeben werden. Da das Fahrzeug zu Beginn steht, ermöglicht dies auch bei anfangs vollständig entladenem
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
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 einen
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
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.
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
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.
Solange das Elektroschwungrad 43 noch nicht auf seinen gewünschten oder optimalen SOC beschleunigt ist, können die im Normalbetrieb gewünschten
Fahrleistungen jedoch noch nicht vollständig bereitgestellt werden. Daher wird zur Herstellung der vollen Betriebsbereitschaft anschließend in Schritt S14 das
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
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.
Da das Elektroschwungrad 43 bei geeigneter Auslegung, insbesondere einer Lagerung in einem weitgehenden Vakuum oder einer druckverminderten
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
Antriebsmodus geeigneten Rotationsgeschwindigkeit gehalten werden. Bei
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.
Bei einem Warmstart ist der SOC des Elektroschwungrades 43 für einen
unmittelbaren Fahrtantritt ausreichend hoch, womit die in S11 beschriebene
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 beschriebenen
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
Zustandsgrößen des Fahrzeugs berücksichtigt werden.
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
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.
Selbstverständlich ist es möglich, den Schritt S21 zur Erhöhung der
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
Reihenfolge vertauscht werden, solange die beschriebenen Wirkungen der
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.
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.
Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei der Nachladung des
Elektroschwungrades 43 durch die Batterie 34 sowie die Ladung der Batterie 34 und des Elektroschwungrades 43 um eine analytische Betrachtung handelt. 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.
Nicht in der Figur 3 enthalten sind Notbetriebsmodi, auf die im Folgenden kurz eingegangen werden soll.
Bei einem Defekt im Bereich des Stromaggregates 15 bzw. des
verbrennungsmotorischen Antriebsstranges 10 bleibt das Fahrzeug voll fahrtauglich, solange die Batterie 34 einen ausreichenden SOC und eine ausreichende
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
Ausfallsicherheit gegen Liegenbleiben auf.
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
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.
Zweites kann im schwungradbasierten Modus in Abhängigkeit von der erlaubten Entladungsleistung der Batterie 34 und dem Leistungsbedarf von
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.
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.
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
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.
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:
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
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
Dauerhöchstgeschwindigkeit oder das Befahren einer längeren Steigung
vorzubereiten, eine große Reichweite im Schwungradmodus zu ermöglichen oder wenn eine hohe Zuladung oder eine Verschlechterung des Cw-Wertes,
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
Stromgenerators 15 weiter gestattet ist und nicht mit einer erheblichen
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
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.
Der Soll-SOC des Elektroschwungrades 43 soll im normalen Fahrbetrieb stets mindestens ausreichend sein, um das Fahrzeug aus dem Stillstand auf die
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.
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
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
Fahrgeschwindigkeit von 160 km/h soll der minimale Soll-SOC des
Elektroschwungrades 43 daher überschlägig 40 % SOC betragen.
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
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
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
Elektroschwungrad 43 vorhaltbaren Energiereserven und entsprechend bessere Fahrleistungen im Grenzbereich und eine trägere Regelung der Nachladeleistung des Elektroschwungrades 43.
Der anzustrebende optimale SOC kann bevorzugt im Bereich von 60 % bis 100 % der Spannweite zwischen dem minimalen und maximalen Soll-SOC des
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
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.
Die vorgestellte Dimensionierung der Antriebskomponenten ermöglicht weiter eine vorteilhafte Auslegung der elektrischen Komponenten zur bedarfsgerechten
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.
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.
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
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.
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
Entladeleistung von z. B. 30 kW gewünscht sein, kann diese Spitzenleistung üblicher Weise für einige Sekunden durch eine auf 22 kW ausgelegte
Ladeelektronik übernommen werden.
Eine durch die vorteilhafte Dimensionierung der Batterie 34, ermöglichte
Begrenzung der Be- und Entladeleistung auf - mit Ausnahme kurzzeitiger
Leistungsspitzen - 22 kW ermöglicht weiter eine Auslegung der Batteriespannung auf bzw. knapp unterhalb von 100 bzw. 120 Volt. Dies ermöglicht eine
berührspannungssichere Auslegung der Batterie 34, wodurch diese bei
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
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.
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
Verhütung von Personenschäden.
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
> 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
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
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
Fahrzeugs. Selbstverständlich kann Wärmeenergie eines Latentwärmespeichers bei Bedarf auch zur Temperierung des anderen Latentwärmespeichers verwendet werden.
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
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.
Bei einer maximalen Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs von 160 bzw. 180 bzw. 200 km/h übersteigt die maximale Bremsleistung jedoch die Leistung der
Radnabenmotoren 45 weshalb auf eine weitere Bremse nicht verzichtet werden kann. Die gute Steuerungsfähigkeit der durch die Radnabenmotoren 45
aufgebrachten Drehmomente erlaubt es jedoch, die Funktionen eines
Antiblockiersystems, eines elektronischen Stabilitätsprogramms, einer
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 deren
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.
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.
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.
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.
Ein ausgebautes Stromaggregat-Modul kann, ggf. durch Einbau in ein Stand-alone- Modul, das nicht aus dem Fahrzeug entnommene Komponenten wie eine
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.
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
Stromaggregat 15 und/oder die Batterie 34 bereitgestellt werden, ist die
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.
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.
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
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.
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
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.
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.
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.
Ohne eine derartige Anzeige könnte es zu Situationen kommen, in denen ein Fahrer im Vertrauen auf die üblicher Weise zur Verfügung stehende maximale
Antriebsleistung des Fahrzeugs von z.B. 140 KW beispielsweise zu einem
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.
Ein bevorzugtes Anzeigekonzept wird im Folgenden anhand von Fig. 4 erläutert.
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
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
Zeitspanne vorgegeben werden, über die die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit aufrecht erhalten werden kann.
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
Aufrechterhaltung dieser höheren Fahrgeschwindigkeit über die vorgegebene Fahrstrecke bei konstanter Fahrgeschwindigkeit benötigten Energiemenge, kann die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 ermittelt und angezeigt werden.
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:
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
berücksichtigt werden können.
Genauere Ermittlung der tatsächlichen Masse des Fahrzeugs, beispielsweise durch Beladungssensoren, aus fahrdynamischen Daten, etc.
Genauere Ermittlung der für die Beschleunigung auf die kurzfristige
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.
Variable Vorgabe der festgelegten Fahrstrecke, über die die kurzfristige Höchstgeschwindigkeit 140 aufrecht erhalten werden kann.
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-
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.
Abwandlungen und Erweiterungen zur Verbesserung der Darstellung der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140:
- Grundsätzlich ist es sinnvoll, die mögliche maximale Anzeige der
kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 auf die durch das Fahrzeug durch konstruktive Festlegung absolut erreichbare Höchstgeschwindigkeit zu begrenzen.
- 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
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
Antriebsleistung eintreten könnte. Selbstverständlich können auch mehrere
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.
- Die Anzeige der kurzfristigen Höchstgeschwindigkeit 140 könnte bei
Überschreitung eines festen oder variablen Grenzwertes der Differenz zwischen derzeitiger Fahrgeschwindigkeit und der kurzfristigen
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
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.
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
Voreinstellungen, beispielsweise "ökonomisch" oder„sportlich" gewählt bzw.
veränderbar eingestellt bzw. vorgegeben werden können.
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
Anzeigeelementes 130 kann - wie hier dargestellt - erst bei einer Position der Tachometerskala beginnen, bei der in der Praxis ein Auftreten eines
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
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
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.
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
Höchstgeschwindigkeit 140 mehr als z. B. 50 km/h über der momentanen
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
Höchstgeschwindigkeit, beispielsweise durch unterschiedliche Farbgebungen, Helligkeiten, Kontraste und/oder zusätzliche optische, akustische und/oder haptische Signale.
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
Anzeigeelementes 130 als Teil dieses grafischen Displays bevorzugt.
Referenzzeichenliste
10 Verbrennungsmotor-Modul
11 Erstes Brennstoffzellen-Modul
12 Zweites Brennstoffzellen-Modul
13 Hochleistungsenergiespeicher, Schwungrad-Modul
14 erster chemisch-mechanischer Energiewandler, Verbrennungsmotor
15 Stromaggregat
16 Erste Brennstoffzelle
18 Erste Kraftstoffleitung
20 Erster Tank
22 Zweite Kraftstoffleitung
24 Zweiter Tank
26 Erste Elektromaschine
28 Zweite Brennstoffzelle
30 Dritte Kraftstoff leitung
32 Dritter Tank
34 erster elektrischer Energiespeicher, Batterie
36 Erste elektrische Leitung
38 Ladeport
40 Zweite Elektromaschine
42 Schwungradanordnung
43 Hochleistungsenergiespeicher, Elektroschwungrad
44 Dritte Elektromaschine / Antriebs-Elektromaschine
45 Radnabenmotor
46 Antriebsmittel, Antriebsrad / Antriebsräder
48 Erster mechanischer Antrieb
50 Zweiter mechanischer Antrieb
52 Dritter mechanischer Antrieb
54 Vierter mechanischer Antrieb
56 Fünfter mechanischer Antrieb
57 Zweite elektrische Leitung Dritte elektrische Leitung
Vierte elektrische Leitung
Siebte elektrische Leitung
Fünfte elektrische Leitung
Achte elektrische Leitung
Neunte elektrische Leitung
Zehnte elektrische Leitung
Sechste elektrische Leitung
Elfte elektrische Leitung
Sechster mechanischer Antrieb
Zwölfte elektrische Leitung
Geschwindigkeitsanzeigeeinheit / Tachometer
Tachonadel
Untere Grenze von 150
Höchstgeschwindigkeits-Anzeigeelement
Obere Grenze von 150 bzw. kurzfristige Höchstgeschwindigkeit
Aktiver Anzeigebereich von 130

Claims

Patentansprüche
Antriebsvorrichtung zum Antrieb von Maschinen mit instationärem
Leistungsbedarf, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit einem ersten chemisch-mechanischen Energiewandler (14) und/oder einer ersten
Brennstoffzelle (16), einem ersten elektrischen Energiespeicher (34) und/oder einer zweiten Brennstoffzelle (28), einem Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) und einem Antriebsmittel (46), wobei
- die vorgenannten Komponenten (14 und/oder 16; 34 und/oder 28; 13 bzw.
43) derart gestaltet und angeordnet sind, dass sie das Antriebsmittel (46) mechanisch und/oder elektrisch antreiben können, dadurch gekennzeichnet, dass
- 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).
Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungsenergiespeicher (13 bzw. 43) einen mechanischen
Energiespeicher insbesondere in Form einer Schwungradanordnung (42) enthält, die bevorzugt mindestens ein schnelldrehendes, gewickeltes
Schwungrad umfasst, das weiter bevorzugt in einem Teilvakuum und/oder in einer Atmosphäre aus einem leichten Gas läuft und dieser mechanische
Energiespeicher mit einer zweiten Elektromaschine (40) mechanisch gekoppelt ist.
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.
Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der chemisch-mechanische Energiewandler (14) mechanisch mit einer ersten Elektromaschine (26) gekoppelt ist,
- das Antriebsmittel (46) mechanisch mit mindestens einer dritten
Elektromaschine (44) verbunden ist,
- der erste elektrische Energiespeicher (34) mit der ersten und/oder der
zweiten Elektromaschine (26; 40) elektrisch verbunden ist, so dass der erste elektrische Energiespeicher (34) von dort elektrische Energie aufnehmen und dorthin abgeben kann.
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
Brennstoffzellenmodul (11 bzw. 12) bilden.
Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste chemisch-mechanische
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.
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.
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.
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
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.
11. Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Leitungen
(57; 58; 60; 62; 64; 68; 70; 72; 74; 84 und bevorzugt 66), soweit vorhanden, zur Übertragung elektrischer Leistungen zwischen dem ersten elektrischen
Energiespeicher (34) und/oder der zweiten Brennstoffzelle (28) und der ersten
Elektromaschine (26) und/oder der ersten Brennstoffzelle (16) und dem
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
Komponenten (16; 26; 28; 34; 40; 44) zugerechnet werden und örtlich zugeordnet sind.
12. Kraftfahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der
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
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
Energiespeichers (34) bei 1 C und/oder der maximalen elektrischen Leistung der zweiten Brennstoffzelle 28 entspricht.
13. Kraftfahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche und bevorzugt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste chemisch-mechanische
Energiewandler (14) und die erste Elektromaschine (26) und/oder das erste
Brennstoffzellenmodul (11) baulich gemeinsam derart als Stromgenerator-Modul (15) gestaltet sind, dass dieses auf einfache Weise aus dem Fahrzeug entnommen werden kann.
14. Kraftfahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche und bevorzugt nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (14) durch den ersten
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.
15. Signalvorrichtung für eine Antriebsvorrichtung bzw. ein Kraftfahrzeug gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- 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
- Mittel (130) vorgesehen sind, mittels derer der Wert für die genannte
Höchstgeschwindigkeit (1 0) optisch und/oder akustisch dargestellt werden kann.
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