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Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinheit für ein Fahrzeug mit einem Antriebsmotor und einem Schwungmassenspeicher, der über eine Verbindungseinheit mit dem Antriebsstrang mechanisch koppelbar ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der Automobilentwicklung ist bereits seit längerem der Einsatz von Schwungmassenspeichern in Fahrzeugen als Energiespeicher in der Erprobung. Dabei erfolgt die Speicherung der Energie durch Rotation der Schwungmasse als mechanische (kinetische) Energie.
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Bei der elektrischen Anbindung wandelt eine elektrische Antriebsmaschine im Antriebsstrang mechanische in elektrische Energie, die mittels einer am Schwungrad angekoppelten elektrischen Motor-Generator-Einheit in mechanische Energie gewandelt wird. Der Einsatz elektrisch angebundener Schwungmassenspeicher ist aus heutiger Sicht im Wesentlichen für Fahrzeuge mit einer ohnehin vorhandenen elektrischen Motor-Generator-Einheit als Haupt- oder Nebenantriebsmaschine (z. B. Hybridfahrzeug, Elektrofahrzeug) sinnvoll, da zur Ausgabe der Energie zum Antrieb die bereits im Fahrzeug vorhandene, elektrische Energie nutzende Antriebsmaschine verwendet werden kann.
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Neben der Ausgestaltung der Anbindung eines Schwungmassenspeichers in elektrischer Form kann die Anbindung auch mechanisch erfolgen. Die Schwungmasse wird mittels eines Vorschaltgetriebes an den Antriebsstrang eines Fahrzeuges z. B. an der Hinterachse angebunden, so dass die Raddrehzahl des Fahrzeuges mit der Drehzahl der Schwungmasse in Beziehung steht. Das Vorschaltgetriebe wandelt beim Laden das Drehmoment und die Drehzahl des Antriebsstrangs und versetzt die Schwungmasse in Rotation. Beim Entladen wird die durch Rotation der Schwungmasse gespeicherte Energie mittels des Vorschaltgetriebes wieder an den Antriebsstrang abgegeben. Bedingt durch die mechanische Kopplung von Schwungmassenspeicher und Antriebsstrang ist die Mindestdrehzahl des Schwungmassenspeichers abhängig von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Abhängig von der Ausprägung der mechanischen Anbindung des Schwungmassenspeichers an den Antriebsstrang kann dieser nur bis zu einer Mindestdrehzahl entladen werden, bei der sich eine Drehzahlangleichung mit dem Antriebsstrang, beziehungsweise den angetriebenen Rädern einstellt. Eine weitere Entladung unter diese geschwindigkeitsabhängige Drehzahl ist systembedingt nicht möglich.
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Ist ein Schwungmassenspeicher – wie soeben ausgeführt – an den Antriebsstrang angebunden, kann der Schwungmassenspeicher in unterschiedlichen Fahrsituationen geladen werden, und die im Schwungmassenspeicher gespeicherte Energie somit genutzt werden, um die Antriebsmaschine beim Antrieb zu unterstützen. Zudem kann der Antrieb rein mittels der im Schwungmassenspeicher gespeicherten Energie erfolgen und die Antriebsmaschine abgelegt werden.
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Aus der
DE 10 2007 033 575 A1 ist bereits ein Antriebsstrang für ein Hybridfahrzeug bekannt, bei dem ein Schwungmassenspeicher in Verbindung mit einer elektrischen Maschine einerseits elektrisch und andererseits über eine eigene Kupplung mechanisch an den Antriebsstrang koppelbar ist. Damit kann der Schwungmassenspeicher sowohl mechanisch als auch elektrisch ge- und entladen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen hinsichtlich der Nutzung der Energie eines mechanisch angebundenen Schwungmassenspeichers für den Antrieb verbesserten Antriebsstrang für ein Fahrzeug anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, insbesondere durch ein Verfahren nach Anspruch 7.
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Der Erfindung geht von einem bereits bekannten Antriebsstrang für ein Fahrzeug aus, wobei der Antriebsstrang zumindest eine Antriebsmaschine und einen Schwungmassenspeicher, der mechanisch an den Antriebsstrang angebunden ist, umfasst. Der Schwungmassenspeicher ist mittels einer Verbindungseinheit bzw. mittels einer Kupplung und eines entsprechenden Getriebes mit dem Antriebsstrang mechanisch koppelbar. Der Schwungmassenspeicher ist dabei durch mechanische Anbindung an den Antriebsstrang gemäß einer vorgegebenen Ladestrategie ladbar und bei Bedarf für den Anrieb entladbar.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Laden eines (an den Antriebsstrang) mechanisch angebundenen Schwungmassenspeichers in Verzögerungsphasen des Fahrzeugs (Rekuperation) die so gewonnene und gespeicherte mechanische Energie für eine schnelle Beschleunigung des Fahrzeugs (sog. Boosten) nicht reproduzierbar zur Verfügung steht. Im Gegensatz zu diesem realen Betrieb des Fahrzeuges im natürlichen Verkehr bieten gesetzliche Fahrzyklen eine gewisse Reproduzierbarkeit.
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Die Erfindung basiert weiter auf dem Gedanken, den Schwungmassenspeicher somit nicht nur in Verzögerungsphasen des Fahrzeugs durch mechanische Anbindung an den Antriebsstrang zu laden, sondern zusätzlich auch bei Konstantfahrt und Beschleunigungsphasen gezielt zu laden, um ausreichend Energie im Schwungmassenspeicher zum Boosten vorzuhalten. Die Beschleunigungsphasen zeichnen sich dadurch aus, dass die maximale Leistung der Antriebsmaschine nicht ausgenutzt wird. Das Laden ermöglicht so auch die Lastpunktverschiebung der Antriebsmaschine, um Effizienzpotentiale zu erschließen.
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Zu diesem Zweck kann beim Laden des mechanischen Schwungmassenspeichers ein zu erhaltender Ziel-Ladezustand und ein nicht zu unterschreitender minimaler Ladezustand festgelegt werden, die in Verbindung eine nutzbare Boostenergie beschreiben. Zudem kann eine maximale Boostleistung festgelegt werden, mit der die im Schwungmassenspeicher enthaltene Energie im Boost entladen werden soll. Diese maximale Boostleistung kann auch kleiner als die max. abrufbare Leistung aus dem Schwungmassenspeicher sein.
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Wird als Ziel-Ladezustand ein geschwindigkeitsunabhängiger konstanter prozentualer Anteil der maximal im Schwungmassenspeicher speicherbaren Energie gewählt, so sinkt systembedingt mit zunehmender Geschwindigkeit der zum Boosten nutzbare Energievorhalt. Um dies zu verhindern, wird zunächst erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Ladestrategie des Schwungmassenspeichers derart ausgestaltet ist, dass der Schwungmassenspeicher in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs geladen wird.
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Vorteilhafterweise kann die geschwindigkeitsabhängige Ladestrategie dabei derart ausgestaltet sein, dass der Schwungmassenspeicher durch entsprechende Kopplung mit dem Antriebsstrang auf einen vorgegebenen geschwindigkeitsabhängigen Ziel-Ladezustand des Schwungmassenspeichers geladen wird, d. h. der zu erhaltende Ziel-Ladezustand des Schwungmassenspeichers wird geschwindigkeitsabhängig gewählt. Dieser Ziel-Ladezustand muss dabei nicht dem bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit zu erzielendem maximalen Ladezustand entsprechen. Durch die Realisierung eines Energievorhalts wird die reproduzierbare Nutzung des Schwungmassenspeichers möglich, und die dynamische Nutzung der im Schwungmassenspeicher gespeicherten Energie zum Antrieb möglich.
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Der geschwindigkeitsabhängige Ziel-Ladezustand kann entsprechend unterschiedlichen Anforderungen verschieden gewählt werden. Gemäß einer ersten vorteilhaften Alternative kann der geschwindigkeitsabhängige Ziel-Ladezustand derart vorgegeben werden, dass stets ein konstanter nutzbarer Energievorhalt für den Antrieb, insb. für eine schnelle Beschleunigung (Boost), entnehmbar ist. Somit ist zum Beispiel für den Boostvorgang stets – also unabhängig von der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs – ein konstanter Energievorhalt von z. B. 40% der maximal im Schwungmassenspeicher speicherbaren Energie nutzbar. Aufgrund des systembedingten Ansteigens der Untergrenzen des durch Entladen in den Antriebsstrang nicht zu unterschreitenden minimalen Ladezustands mit steigender Geschwindigkeit muss zum Vorhalten eines konstanten Energievorrats der Ziel-Ladezustand bei steigender Geschwindigkeit entsprechend dem Anstieg des nicht zu unterschreitenden minimalen Ladezustands erhöht werden.
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Alternativ kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der geschwindigkeitsabhängige Ziel-Ladezustand derart vorgegeben werden, dass (immer) eine von der aktuellen Geschwindigkeit abhängige, vorgegebene Energiemenge für einen definierten Beschleunigungsvorgang zum Erreichen einer vorgegebenen Geschwindigkeitserhöhung bei vorgegebener maximaler Leistung des Schwungmassenspeichers entnehmbar ist. Mit anderen Worten wird der Ziel-Ladezustand so gewählt, dass aus dem Schwungmassenspeicher eine geschwindigkeitsspezifische Energie entnommen werden kann, um eine Beschleunigung um ein definiertes Geschwindigkeitsdelta zu erreichen. Aufgrund des systembedingten Ansteigens der Untergrenzen des nicht zu unterschreitenden minimalen Ladezustands mit steigender Geschwindigkeit muss zum Vorhalten eines entsprechenden Energievorrats der Soll-Ladezustand bei steigender Geschwindigkeit entsprechend dem Anstieg des nicht zu unterschreitenden minimalen Ladezustands überproportional erhöht werden.
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Da der Kunde insbesondere in bestimmten Betriebsmodi des Fahrzeugs eine reproduzierbare und wiederholbaren Erlebbarkeit einer schnellen Beschleunigung wünscht, wird vorteilhafterweise der Schwungmassenspeicher zumindest in einem vorgegebenen Betriebsmodus des Fahrzeugs, insbesondere in einem Sportmodus in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (auf einen geschwindigkeitsabhängigen Ziel-Ladezustand) geladen. Da – wie bereits eingangs erwähnt wurde – dieser Energievorhalt nicht nur über Laden des Schwungmassenspeichers während einer Verzögerungsphase erreicht bzw. aufrechterhalten bleiben kann, wird weiter vorgeschlagen, dass der Antriebsstrang vorteilhafterweise in dem entsprechenden Betriebsmodus zusätzlich in einer vorgegebenen Betriebsart des Antriebsstrangs, insbesondere bei Konstantfahrt und Beschleunigung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (auf einen vorgegebenen geschwindigkeitsabhängigen Ziel-Ladezustand) geladen wird.
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Zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang erstreckt sich die Erfindung auch auf ein entsprechendes Verfahren zum Laden eines Schwungmassenspeichers in einem Fahrzeug, wobei der Schwungmassenspeicher über eine Verbindungseinheit mit dem Antriebsstrang mechanisch koppelbar ist, so dass der Schwungmassenspeicher gemäß einer zuvor beschriebenen Ladestrategie geschwindigkeitsabhängig geladen, und bei Bedarf für den Antrieb entladen wird.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine erste Variante eines erforderlichen geschwindigkeitsabhängigen Ziel-Ladezustands eines mechanisch angebundenen Schwungmassenspeichers, und
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2 eine zweite Variante eines erforderlichen geschwindigkeitsabhängigen Ziel-Ladezustands eines mechanisch angebundenen Schwungmassenspeichers.
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Die 1 zeigt einen über die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs maximalen Ladezustandsbereich SOC (graue Fläche) eines durch Ankoppeln an den Antriebsstrang eines Fahrzeugs ladbaren und entladbaren Schwungmassenspeichers, der mechanisch an den Antriebsstrang angebunden ist, wobei der maximale Ladezustandsbereich nach unten durch einen (geschwindigkeitsabhängigen) nicht zu unterschreitenden minimalen Ladezustand SOCgrenz und nach oben durch eine maximale Ladezustandsgrenze SOCmax von 100% begrenzt ist.
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Die über den gesamten Ladezustandsbereich verlaufende Linie SOCZiel0 zeigt ein Beispiel eines geschwindigkeitsunabhängigen Ziel-Ladezustands. Ist die Ladestrategie des Schwungmassenspeichers derart ausgelegt, dass unabhängig von der Geschwindigkeit v des Fahrzeugs stets ein konstanter prozentualer Anteil der maximal im Schwungmassenspeicher speicherbaren Energie von z. B. 45% gewählt wird, so sinkt mit zunehmender Geschwindigkeit der zum Boosten bzw. schnellen Beschleunigen nutzbare Energievorhalt, da mit steigender Geschwindigkeit v des Fahrzeugs der nicht zu unterschreitende minimale Ladezustand SOCgrenz systembedingt ansteigt.
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Um dieses Problem zu umgehen, kann gemäß einer ersten Variante als Ziel-Ladezustand ein geschwindigkeitsabhängiger Ziel-Ladezustand derart vorgegeben werden, dass stets ein konstanter prozentualer Anteil der im Schwungmassenspeicher gespeicherten Energie für den Antrieb, insb. für eine schnelle Beschleunigung (Boost) entnehmbar ist. Dieser Ziel-Ladezustand ist durch die Kurve SOCZiel1 dargestellt. Somit ist zum Beispiel für den Boostvorgang stets – also unabhängig von der aktuellen Geschwindigkeit v des Fahrzeugs – ein konstanter Energievorhalt von z. B. 40% SOC nutzbar. Aufgrund des systembedingten Ansteigens der Untergrenzen des nicht zu unterschreitenden minimalen Ladezustands SOCgrenz mit steigender Geschwindigkeit v muss zum Vorhalten eines konstanten Energievorrats der Ziel-Ladezustand SOCZiel1 bei steigender Geschwindigkeit v entsprechend erhöht werden.
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Die 2 zeigt nun eine alternative Ausgestaltung zur Festlegung eines geschwindigkeitsabhängigen Ziel-Ladezustands, wobei der Ziel-Ladezustand SOC Ziel2 auf Basis eines erforderlichen Energievorhalts für eine vorgegebene Beschleunigung mit einem definierten Geschwindigkeitsdelta von z. B. 40 km/h ermittelt wird. Der Ziel-Ladezustand SOCZiel2 wird dabei so gewählt, dass aus dem Schwungmassenspeicher eine geschwindigkeitsspezifische Energie entnommen werden kann, um eine Beschleunigung um ein definiertes Geschwindigkeitsdelta zu erreichen. Dies entspricht z. B. dem Boost für einen Überholvorgang mit einer Geschwindigkeitserhöhung um 40 km/h. Diese steht dann reproduzierbar in Stadt, Oberland und Autobahn zum souveränen Überholen zu Verfügung.
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Nimmt man bspw. eine vom Schwungmassenspeicher zur Verfügung stellende konstante Leistung und ein zu überwindendes Geschwindigkeitsdelta von 40 km/h an, unterscheidet sich der erforderliche Energievorhalt aufgrund der aktuellen Geschwindigkeit v wie folgt:
Soll eine 4 Sekunden andauernde Beschleunigung eines Fahrzeugs von der aktuellen Geschwindigkeit v 60 km/h auf 100 km/h mit konstanter Boostleistung 70 kW aus dem Schwungmassenspeicher unterstützt werden, so ist hier ein Energievorhalt von 78 Wh notwendig.
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Beträgt die aktuelle Geschwindigkeit v des Fahrzeugs jedoch 100 km/h und soll eine Beschleunigung auf 140 km/h innerhalb von 6 Sekunden ermöglicht werden, so ist hierfür bei einer angenommenen konstanten Boostleistung von 70 kW ein Energievorhalt von 117 Wh erforderlich. Bei einer derartigen Ermittlung und Festlegung des Energievorhalts muss demnach der Soll-Ladezustand SOCZiel2 überproportional steigen.
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Die Erfindung bringt gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen. So führt die Bereitstellung einer für den Boostbetrieb erforderlichen geschwindigkeitsabhängigen Energiemenge über den Schwungmassenspeicher über den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs zu einer reproduzierbaren und wiederholbaren Erlebbarkeit des Boostbetriebs beim Kunden. Im Vergleich zur dauerhaften maximalen Ladung des Schwungmassenspeichers ergibt sich durch die ausgeführte Ladestrategie ein Verbrauchsvorteil in gesetzlichen Zyklen, Fahrleistungszyklen und im Kundenbetrieb. Die Ladestrategie kann kostenneutral umgesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007033575 A1 [0006]