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DE3638881A1 - Hybrid-antriebssystem - Google Patents

Hybrid-antriebssystem

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Publication number
DE3638881A1
DE3638881A1 DE19863638881 DE3638881A DE3638881A1 DE 3638881 A1 DE3638881 A1 DE 3638881A1 DE 19863638881 DE19863638881 DE 19863638881 DE 3638881 A DE3638881 A DE 3638881A DE 3638881 A1 DE3638881 A1 DE 3638881A1
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DE
Germany
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energy
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DE19863638881
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Inventor
Ludwig Gehra
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines
    • B60K6/08—Prime-movers comprising combustion engines and mechanical or fluid energy storing means
    • B60K6/10—Prime-movers comprising combustion engines and mechanical or fluid energy storing means by means of a chargeable mechanical accumulator, e.g. flywheel
    • B60K6/105—Prime-movers comprising combustion engines and mechanical or fluid energy storing means by means of a chargeable mechanical accumulator, e.g. flywheel the accumulator being a flywheel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • H02J15/20—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/30—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using dynamo-electric machines coupled to flywheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for
    • H02J2105/33—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Antriebssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Antriebssysteme im hier gebrauchten Sinne sind solche Systeme, welche die Energieversorgung von Verbrauchern sicherstellen. Hierbei dreht es sich darum, daß zum einen die Energieversor­ gung des Verbrauchers kontinuierlich erfolgt, zum anderen darum, daß auch Spitzenbedarf abgedeckt werden kann.
Wenn man sich als Verbraucher beispielsweise eine Datenverar­ beitungsanlage, eine Rundfunk-Sendeanlage, ein Kraftfahrzeug oder eine Aufzugsanlage vorstellt, so wird die Notwendigkeit der ununterbrochenen Energieversorgung sofort klar. Da bei den vorgenannten Verbrauchern auch die Lastzustände oftmals einen erheblichen Dynamikbereich aufweisen, also sehr hohe Spitzenleistungen benötigen, verglichen mit der Durchschnittsleistung, kommt es auch gerade auf den Dynamikbereich des Antriebssystems an.
Ein weiteres Problem liegt darin, daß der Verbraucher - insbesondere dann, wenn eine Abgabe von mechanischer Energie erfolgt - immer wieder in einer Betriebsweise arbeitet, in der die Energie nicht in der eigentlich nutzbaren Form, sondern nur als Wärme abgegeben wird. Diese Betriebswahl ist das Bremsen eines Fahrzeuges, das Absetzen der Last bei einem Kran oder die Abwärtsfahrt bei einer Aufzuganlage. In allen diesen Fällen wird al­ so Energie aus dem Antriebssystem - z.B. aus dem Benzin­ tank + Verbrennungsmotor oder aus dem öffentlichen Ver­ sorgungsnetz - zunächst in kinetische oder potentielle Energie verwandelt bzw. in dieser Energieform gespeichert und dann beim Abbremsen als Wärme an die Umwelt abgege­ ben. Dies ist nicht nur vom Wirkungsgrad her uneffektiv, sondern belastet auch die Umwelt in unerträglicher Weise.
Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine optimale Energieversorgung mit hohem Wirkungs­ grad sichergestellt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentan­ spruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, daß mehrere aufladbare Energiespeichersysteme miteinander verbunden werden, wobei die Systeme von ihrer Aufnahme­ /Abgabecharakteristik her unterschiedlich sind. Zum ei­ nen wird elektrische Energie direkt gespeichert, wobei hier bekanntermaßen das Problem auftritt, daß man zwar eine relativ hohe Energiemenge speichern kann, jedoch die Energiemenge nur über einen längeren Zeitraum hin­ weg abgegeben werden kann, ohne überdimensionale Leiter­ strukturen erforderlich zu machen. Dieser Speicher für elektrische Energie kann gemäß der Erfindung von der Ka­ pazität her beliebig groß gemacht werden, Spitzenlei­ stungen müssen aber nicht geliefert werden. Für den "mittelschnellen" Energieverbrauch wird ein Speicher für potentielle mechanische Energie, vorzugsweise ein Druck­ luftspeicher verwendet, während eine praktisch unbe­ grenzt hohe Leistungsabgabe über einen Speicher für ki­ netische Energie für den kurzzeitigen Verbrauch sicher­ gestellt ist.
Alle diese Speichersysteme werden über einen Vier-Qua­ drantentrieb miteinander gekoppelt, dessen Ausgang über eine in geeigneter Weise ausgebildete kontinuierlich variable Transmission zum Verbraucher geführt ist. Die­ ser Verbraucher kann z.B. ein Kraftfahrzeug sein (bzw. dessen Antriebsräder mit vorgeschaltetem Differential mit Planetengetriebe), oder aber die Kabeltrommel eines Aufzugs oder eines Krans.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgenden Ausführungs­ beispiel, das anhand einer Abbildung näher erläutert ist.
Der in der Abbildung gezeigte Akkusatz 1 weist einen Netz­ eingang 16 auf, über den er von einer Fremdenergiequelle, z.B. das öffentliche Netz, aufgeladen werden kann. Wei­ terhin ist ein Ausgang 17 vorgesehen, über den in ihm gespeicherte Energie für den Verbraucher (oder einen Teil des Verbrauchers) direkt aus dem Akku abgeführt werden kann.
Der Akkumulator 1 steht über einen Generator/Motor 2, einen Generator/Motor-Abtrieb 12 und eine kontinuier­ lich variable Transmission 4 mit einem Vier-Quadranten­ trieb 6 in Verbindung. Diese Verbindung kann über eine Trennkupplung 3 aufgetrennt werden.
Ein weiterer Ein-/Ausgang des Vier-Quadrantentriebes 6 ist über einen Hochdruckverstärker 7 mit einem Druck­ luftmotor 8 verbunden, der wiederum mit einem Druck­ luftspeicher 9 verbunden ist.
Der dritte Eingang des Vier-Quadrantentriebes 6 ist über ein Getriebe 5′ mit einem Schwungradspeicher 5 verbun­ den.
Der vierte Ein-/Ausgang des Vier-Quadrantentriebes 6 ist über eine variable Transmission 4′, eine Kupplung 13 und einen An-/Abtrieb 14 mit einem Differential 15 (mit Pla­ netengetriebe) verbunden, das Antriebsräder 11, 11′ treibt und sie als Lenkräder nutzt.
Der Akkusatz 1 mit Generatormotor 2 erhält seine volle Kapazität - je nach Leistungsanforderung - über die Se­ kundärenergie (Eingang 16). Eine andere Aufladung ist bei der hier gezeigten Ausführungsform durch den mobilen Betriebszustand möglich (ebenso bei Verwendung der An­ ordnung für einen Kran oder dergleichen). Wenn z.B. Überkapazitäten des Schwungradspeichers 5 infolge Brems­ energie-Rückgewinnung oder Hub- und Lastverteilung oder andere Abbremsvorgänge vorhanden sind, so können diese zunächst über die Speicherung der kinetischen Energie im Schwungradspeicher 5 über die kontinuierlich variable Transmission 4, 4′ als Drehmoment übertragen und unter Wirkung des Motors 2 als Generator in elektrischen Strom gewandelt und im Akkumulator 1 gespeichert werden.
Wenn der Verbraucher eine (gegebenenfalls zusätzliche) kontinuierliche Stromversorgung benötigt, die normaler­ weise durch den Netzstrom gewährleistet ist - z.B. die Steuerung bei einem Aufzug -, so kann diese über den Ausgang 17 erfolgen. Weiterhin ist am Ausgang 18 eine Last ankoppelbar, die ihre Leistung über den Generator/ Motor 2 erhält.
Im stationären Einsatz hält die Einheit, bestehend aus den Teilen 1 bis 3 zum einen die Notstromversorgung auf­ recht, zum anderen liefert die Einheit diejenige Ener­ gie, die zur Aufrechterhaltung der Drehung des Schwung­ radspeichers 5 (Kompensation der Reibungsverluste) not­ wendig ist, wenn auch die Reserve im Druckluftspeicher 9 erschöpft ist.
Der Schwungradspeicher 5 (Gyro), der über das Unter­ setzungsgetriebe 5′ mit dem Vier-Quadrantentrieb 6 ver­ bunden ist, ist je nach Hybrid-Antriebsstruktur (Lei­ stungsbedarf bzw. Spitzenleistungsbedarf) ausgelegt. Wenn als Schwungrad ein solches aus Faser-Verbundwerk­ stoff verwendet wird, das hohe Drehzahlen erlaubt, so ist das Schwungrad in einer Vakuumkammer aufgehängt. Wenn das Schwungrad ein Metall-Schwungrad ist, was in­ zwischen aufgrund der neu entwickelten Getriebe möglich ist, so kann dieses auch in Luft laufen. Als kineti­ scher Energiespeicher ist der Schwungradspeicher 5 ein universelles Element innerhalb der Hybrid-Antriebssystem- Struktur, das eine zentrale Funktion mit vier alternati­ ven Antriebsmöglichkeiten bzw. Abtriebsmöglichkeiten er­ füllt. Zum einen kann das Schwungrad 5 über den Genera­ tor/Motor 2 aufgeladen werden bzw. den Akkumulator 1 la­ den, zum zweiten kann es vom Druckluftmotor 8 geladen werden bzw. über diesen den Druckluftspeicher 9 abpum­ pen, nachdem das Schwungrad den Hochdruckverstärker 7 aktiviert hat. Zum dritten kann der Schwungradspeicher 5 infolge bestimmter Lastverteilungen über die beiden vor­ genannten Systeme aufgeladen werden bzw. diesen Energie zur Ver­ fügung stellen. Schließlich kann der Schwungradspeicher 5 Bremsenergie (im Ausführungsbeispiel über die variable Transmission 4′) aufnehmen.
Die kontinuierlich variable Transmission 4, 4′ wirkt so­ wohl mit dem Generator/Motor 2, als auch mit dem Antriebs­ system 13 bis 15. Sie vermittelt aufgrund entsprechender elektronischer Schaltcharakteristik alle Drehbewegungs­ abläufe der Komponenten in den Sektoren II und III. Hier­ bei kann man über die Kupplungen 3 und 13, die auch zwi­ schen den anderen Komponenten angeordnet sein können, zusätzliche Trennungen bewerkstelligen.
Der Hochdruckverstärker 7 ist in beiden Richtungen wir­ kend ausgebildet und stellt zusammen mit dem Druckluft­ motor 8 eine duale Einheit dar. Durch die Verstärkung ist ein höherer Gesamtwirkungsgrad und höhere Dauerlei­ stung sichergestellt.
Der Druckluftspeicher 9 arbeitet über eine entsprechend ausgebildete elektronische Ventilsteuerung wechselseitig für die Speicherung der vom Druckluftverstärker 7 erhal­ tenen Druckluft und deren Abgabe an den Druckluftmotor 8 je nach Leistungsbedarf.
Der Druckluftmotor 8 ist in seiner Leistungsgröße der verlangten Gesamtkapazität derart angepaßt, daß ein (von Zeit und Größenordnung abhängiger) Betrieb möglich ist. Insbesondere wirkt er je nach Anforderung im Arbeits­ rhythmus über den Schwungradspeicher 5 mit dem Akkusatz 1 bzw. dem vorgeschalteten Generatormotor 2 zum Laden des Akkus zusammen, oder aber zum Aufbringen der Ver­ lustleistung des Schwungradspeichers 5.
Die Kupplung 3 macht es möglich, den Sektor 1 (Akku-Satz) vom Sektor 2 und 3 zu trennen. Bei Mehrfachaufgaben (Abbrems­ vorgänge sowie Hub- und Lastverteilung) kann über die Kupplungen eine Bremsenergie-Rückgewinnung bewerkstel­ ligt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß das System sowohl im stationären Be­ triebszustand als auch synchron in mobilen Anordnungen verwendbar ist.
Die Steuerung erfolgt hierbei unter "Abarbeiten" von Prioritäten, die den Funktionsablauf bestimmen. Dazu ge­ hört vorrangig im Sektor I (stationär) die Basis (Akku) zur Sicherung der unterbrechungsfreien Stromversorgung. Bei Überkapazitäten der Sektoren II und III kann der Sek­ tor I zum einen Energie speichern, zum anderen in Form von elektrischer Energie (an den Ausgängen 17, 18) an weitere Verbraucher zurVerfügung stellen, oder aber über einen weiteren mechanischen Ausgang an einen mechanischen Verbraucher liefern.
Mit der vorliegenden Erfindung wird also ein anderer Weg der Kombination von arbeitsrhythmisch zu beurteilenden passiven und aktiven Komponenten aufgezeigt, was eine sonst (bei statisch arbeitenden Systemen zur unterbre­ chungsfreien Stromversorgung) bedingte vollständige Pro­ zeßpassivität ausschließt. Daneben bietet sich im mobi­ len Bereich (hierzu zählt natürlich auch das Aufzugs­ system oder der Lastkran) die schon erwähnte energieöko­ nomische Umwandlung - statt Vernichtung durch Umsetzung in Wärme - von kinetischer (oder potentieller) Energie aus innerbetrieblichen Abbrems- oder Absenkvorgängen, so­ wie Lastverteilungen im entsprechenden Umfeld an.
  • Bezugszeichenliste  1 Akkumulatorsatz
     2 Generator/Motor
     3 Trennkupplung
     4 Kontinuierlich variable Transmission
     5 Schwungradspeicher
     5′ Getriebe
     6 Vier-Quadrantentrieb
     7 Hochdruckverstärker
     8 Druckluftmotor
     9 Druckluftspeicher
    10 Rad
    11 Lenkräder
    12 Generator/Motor-Abtrieb
    13 Kupplung
    14 An-/Abtrieb
    15 Differential mit Planetengetriebe
    16 Netzeingang
    17 Netzausgang
    18 Generator-Stromausgang

Claims (11)

1. Hybrid-Antriebssystem mit Speicherkomponenten zum Speichern von alternativen Energien, Eingangs- und Ausgangsmitteln zum Zu- und Abfüh­ ren von Energie und mit Steuermitteln zum Verteilen und Regeln von Ein- und Ausgangsenergie und der Zuteilung auf die Speicherkomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkomponenten einen Speicher (Akkumulatorsatz 1) zum direkten Speichern elektrischer Energie, einen Spei­ cher (Gyro-Komponente 5) zum Speichern kinetischer Ener­ gie und einen Speicher (Druckluftspeicher 9) zum Speichern potentieller mechanischer Energie umfaßt, die alternativ oder gleichzeitig aufladbar und/oder entladbar mit den Eingangs- und Ausgangsmitteln (10, 10,; 16, 17, 18) zum Speichern bzw. Abgeben von Energie über die Steuermittel (6) verbindbar sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel einen Vier-Quadrantentrieb (6) umfassen.
3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher für elektrische Energie einen Akkumu­ latorsatz (1) umfaßt, der über einen Generator/Motor (2) eine Trennkupplung (3) und Transmissionsmittel (4) mit den Steuermitteln (6) verbindbar ist.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionsmittel (4) kontinuierlich varia­ bel einstellbar sind.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher für elektrische Energie einen Schwung­ radspeicher umfaßt, der ein Schwungrad aus Faserverbund­ werkstoff und ein Getriebe (5′) aufweist.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher für potentielle Energie einen Druck­ luftspeicher (9), einen Druckluftmotor (8) und einen Hochdruckverstärker (7) umfaßt.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und Ausgangsmittel mechanische An­ triebsmittel (11, 11′) umfassen, über die (Eigen- oder Fremd-) Massen beschleunig- und abbremsbar sind.
8. System nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Vier-Quadrantentrieb (6) und den mechanischen Antriebsmitteln (11, 11′) eine Kupplung (13) vorgesehen ist.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (1) zum direkten Speichern elektri­ scher Energie einen Netzeingang (16) und einen Netz­ ausgang (17) aufweist.
10. System nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator/Motor (2) mit einem Ausgang (18) zum Abgeben elektrischer Energie und mit einem mecha­ nischen Antrieb (12) für Verbraucher versehen ist.
11. Verwendung des Hybrid-Antriebssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Fahrzeug mit der Kombinationsmöglichkeit zum stationären Sektor (1) eine duale Energie-Speichereinheit zu bilden.
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