AT512851B1

AT512851B1 - Range-Extender für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: AT512851B1
Application number: ATA50170/2012A
Authority: AT
Inventors: Dipl Ing Benda Vincent; Dipl Ing Dr Ebner Peter; Dipl Ing Schneider Richard; Dipl Ing Sifferlinger Bernhard
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2017-11-15
Also published as: AT512851A1; CN103386891B; CN103386891A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Range-Extender (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug, aufweisend: - eine erste Verbrennungskraftmaschine (2); und - eine zweite Verbrennungskraftmaschine (3); - einen elektromechanischen Energiewandler (4), der zwischen der ersten und der zweiten Verbrennungskraftmaschine (2,3) angeordnet ist; wobei die erste Verbrennungskraftmaschine (2), die zweite Verbrennungskraftmaschine (3) und der elektromechanische Energiewandler (4) zur Leistungsübertragung gekoppelt sind.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Range-Extender für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug, welcher eine Verbrennungskraftmaschine und einen elektromechanischen Energiewandler aufweist.

[0002] Als Range-Extender bezeichnet man zusätzliche Aggregate in einem Elektrokraftfahrzeug, die in der Regel aus einem Verbrennungsmotor bestehen, welcher einen Generator antreibt, um eine Energiespeichereinrichtung bzw. einen Elektromotor mit elektrischer Energie zu versorgen.

[0003] Elektrokraftfahrzeuge sind elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge. Zu ihrer Energieversorgung werden üblicherweise Akkumulatoren bzw. Batterien als Energiespeichereinrichtung eingesetzt, welche ortsgebunden über das öffentliche Stromnetz oder mobil über einen Range-Extender oder Solarmodule aufgeladen werden können.

[0004] Bei Elektrokraftfahrzeugen mit einem Range-Extender wird die Verbrennungskraftmaschine des Range-Extenders in der Regel während der Fahrt ohne unmittelbare Einwirkung des Fahrers, insbesondere in Abhängigkeit vom Ladezustand der Energiespeichereinrichtung gestartet und abgestellt. Die Erzeugung elektrischer Energie erfolgt üblicherweise mittels eines elektromechanischen Energiewandlers, d.h. einer Elektromaschine, welche in der Regel eine permanent erregte Synchronmaschine ist. Der elektromechanische Energiewandler weist üblicherweise wenigstens zwei Betriebsmodi auf, welche durch die entsprechende Steuerungselektronik gesteuert werden. Der Generatormodus ist der Normalbetrieb des Range-Extenders. Umgekehrt kann dieser aber auch im Motormodus betrieben werden. Dieser Motormodus wird üblicherweise genutzt, um die Verbrennungskraftmaschine zu starten.

[0005] Der Range-Extender sollte dabei möglichst schwingungsfrei betrieben werden können, um eine maximale Laufruhe des Elektrofahrzeugs zu gewährleisten. Dabei sollte das Fahrgefühl des Elektrofahrzeugs, welches wesentlich von dem Fehlen einer Verbrennungskraftmaschine im Antriebsstrang und der damit verbundenen Vermeidung von Geräuschen und Vibrationen verbunden ist, nicht durch die Verbrennungskraftmaschine des Range-Extenders gestört werden.

[0006] Aus der AT 505 950 ist ein Stromerzeugungsaggregat zur Reichweitenerweiterung eines Elektrofahrzeugs bekannt, bei welchem die Unwucht der exzentrischen Antriebswelle einer Brennkraftmaschinengeneratoreinheit durch eine in den Rotor des Generators integrierte erste Ausgleichsmasse sowie durch eine mit der Antriebswelle im Bereich eines zweiten Endes drehverbundene zweite Ausgleichsmasse ausgeglichen wird.

[0007] Eine Verminderung der Schwingungen des Range-Extenders kann auch dadurch erreicht werden, auf der Welle der Verbrennungskraftmaschine auf beiden Seiten der Verbrennungskraftmaschine elektromechanische Energiewandler angeordnet werden, welche wellengleich sind, d.h., dieselbe Welle wie die Verbrennungskraftmaschine haben. Ferner kann auch hier vorgesehen sein, dass eine erste Ausgleichsmasse am Rotor des ersten elektromechanischen Energiewandlers und eine zweite Ausgleichsmasse am Rotor des zweiten elektromechanischen Energiewandlers angeordnet ist, wobei vorteilhafterweise zumindest eine der beiden Ausgleichmassen integral mit dem jeweiligen Rotor ausgebildet ist.

[0008] Auch Querkräfte, welche durch eine Durchbiegung der Welle entstehen, werden auf diese Weise vermieden, da die Welle beidseitig von den elektromechanischen Energiewandlern gelagert wird.

[0009] Wie bei dem System gemäß der AT 505 950 dargestellt, wird die Welle zu jeder Seite der Verbrennungskraftmaschine auf einer Lagerung geführt, die jeweils seitlich an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Aufgrund der Rotormasse des elektromechanischen Energiewandlers biegt sich die Welle jedoch durch, da der elektromechanische Energiewandler in der Regel freischwebend ist, um eine Überbestimmung der Wellenlagerung zu vermeiden. Eine Leistungssteigerung im Generatorbetrieb dieser Art von Range-Extender ist daher nur begrenzt möglich, da über die Durchbiegung der Welle neue Unwuchten in das System eingebracht werden.

[0010] Ferner entstehen durch die Durchbiegung der Welle Querkräfte, die auf die Lagerungen wirken.

[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Range-Extender zu schaffen, welcher die oben genannten Probleme verringert.

[0012] Die Aufgabe wird durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche gelöst, Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

[0013] Der Range-Extender gemäß der Erfindung weist einen elektromechanischen Energiewandler auf, der zwischen einer ersten und einer zweiten Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, wobei die erste Verbrennungskraftmaschine, die zweite Verbrennungskraftmaschine und der elektromechanische zur Leistungsübertragung gekoppelt sind.

[0014] Ein elektromechanischer Energiewandler im Sinne der Erfindung dient zur Umformung von elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt. Zu diesen zählen insbesondere Elektromotoren und elektrische Generatoren. Je nach Richtung der übertragenen Leistung wird bei den elektromechanischen Energiewandlern zwischen Motorbetrieb, dabei wird Leistung von der elektrischen Seite zu der mechanischen Seite übertragen und Generatorbetrieb mit umgekehrtem Leistungsfluss unterschieden.

[0015] Unter einer Verbrennungskraftmaschine im Sinne der Erfindung sind Wärmekraftmaschinen zu verstehen, die über einen Verbrennungsvorgang chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie umwandeln. Beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine wird gewöhnlich durch die Expansion eines Luftbrennstoffgemischs bei einer Verbrennung in einer Arbeitskammer ein üblicherweise als Kolben bezeichnete Antriebselement aus dem Brennraum verdrängt, wodurch dieser eine Antriebswelle in Bewegung, vorzugsweise in Rotation versetzt.

[0016] Ein Kraftfahrzeug im Sinne der Erfindung ist ein mobiles Verkehrsmittel, das dem Transport von Gütern, Werkzeugen oder Personen dient und maschinell angetrieben wird.

[0017] Unter einem Elektrokraftfahrzeug im Sinne der Erfindung ist bevorzugt ein Kraftfahrzeug zu verstehen, welches mit elektrischer Energie aus einer Energiespeichereinrichtung, vorzugsweise ein elektrochemischer Energiespeicher, ein Akkumulator bzw. eine Batterie, betrieben wird. Ist der Akkumulator bzw. die Batterie entleert, muss dieser, entweder über das Stromnetz oder eine mobile Versorgungseinrichtung, vorzugsweise ein Range-Extender oder Solarzellen, wieder aufgeladen werden. Die Integration des elektromechanischen Energiewandlers zwischen zwei Verbrennungskraftmaschinen hat den Vorteil, dass die Rotormasse des elektromechanischen Energiewandlers nunmehr über zwei Lagerungen verteilt ist, da die Welle jeweils auf beiden Seiten des elektromechanischen Energiewandlers an den Verbrennungskraftmaschinen gelagert wird. Die Durchbiegung der Welle des Rotors des elektromechanischen Energiewandlers kann auf diese Weise nahezu beseitigt werden, was sich in einer höheren Laufruhe des Range-Extenders auswirkt.

[0018] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste Verbrennungskraftmaschine und die zweite Verbrennungskraftmaschine eine erste Scheibe und eine zweite Scheibe einer Rotationskolbenmaschine.

[0019] Unter Rotationskolbenmaschine im Sinne der Erfindung ist bevorzugt eine Einrichtung zu verstehen, bei welcher ein vorzugsweise im Wesentlichen dreieckiger Kolben bzw. Rotor während des Betriebs der Brennkraftmaschine in deren Gehäuse eine Rotation um eine Hauptachse ausführt, wobei sich der Kolben um seine eigene Achse dreht, welche sich aber auch zusätzlich auf einer bevorzugt eigenen Kreisbahn bewegt. Anders ausgedrückt übt der Kolben eine planetenartige Bewegung um die Hauptachse aus. Vorteilhaft an der Verwendung einer Rotationskolbenmaschine als Verbrennungskraftmaschine ist eine höhere Laufruhe einer solchen Maschine im Vergleich mit einer Hubkolbenmaschine. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine solche Rotationskolbenmaschine ein Wankelmotor. Die Erfindung kann auch bei

Rotationskolbenmaschinen mit zwei, drei oder mehr nebeneinander angeordneten Scheiben eingesetzt werden. Ferner kann die Erfindung auch mit jeder anderen Art von Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise einer Hubkolbenmaschine, verwendet werden.

[0020] Die Rotationskolbenmaschine weist in besonders vorteilhafter Weise im Betrieb eine hohe Laufruhe auf, so dass die Insassen eines Kraftfahrzeugs nicht durch Vibrationen gestört werden. Ferner weist die Rotationskolbenmaschine gegenüber einem herkömmlichen Otto-oder Dieselmotor eine wesentliche geringe Geräuschentwicklung auf. Schließlich können wesentlich höhere Drehzahlen als mit einem Hubkolbenmotor erreicht werden.

[0021] In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind die erste und die zweite Scheibe der Rotationskolbenmaschine im Wesentlichen symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich einer Mittelebene des elektromechanischen Energiewandlers angeordnet.

[0022] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen der Rotor der ersten Scheibe und der Rotor der zweiten Scheibe der Rotationskolbenmaschine dieselbe Drehstellung in Bezug aufeinander auf. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können diese aber auch im Wesentlichen 10 bis 180°, bevorzugt 45°, noch bevorzugter 90° und besonders bevorzugt 180° versetzte Drehstellung in Bezug aufeinander aufweisen, wobei die Kopplung die Drehachse ist.

[0023] Durch die verschiedenartige Anordnung der Trochoiden der einzelnen Scheiben der Rotationskolbenmaschine sowie die verschiedenartige Drehstellung der Rotoren der Rotationskolbenmaschine zueinander kann, je nach Auslegung des Range-Extenders, ein Massenausgleich erreicht werden. Daher ist bevorzugt kein zusätzlicher Massenausgleich durch Ausgleichsgewichte an der Welle notwendig. Ferner kann, ebenfalls in Abhängigkeit von der Konfiguration des Range-Extenders, durch die verschiedenartige Anordnung dieser Elemente eine erhöhte Laufruhe sowie ein gleichmäßiger Momentenverlauf erreicht werden.

[0024] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Zündkerzen der ersten Verbrennungskraftmaschine und die Zündkerzen der zweiten Verbrennungskraftmaschine in der Weise angeordnet, dass der Zündungstakt gleichzeitig erfolgt.

[0025] Hierdurch kann erreicht werden, dass die beiden Verbrennungskraftmaschinen absolut synchron laufen und nicht durch eine unterschiedliche Taktung Schwingungen erzeugt werden.

[0026] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Zündkerze der ersten Verbrennungskraftmaschine und die Zündkerze der zweiten Verbrennungskraftmaschine in der Weise angeordnet, dass der Zündungstakt zeitlich versetzt erfolgt.

[0027] Durch das zeitliche Versetzen der Zündungstakte kann ein gleichmäßigerer Momentenverlauf des Range-Extenders erreicht werden, da das besonders hohe Drehmoment durch die Zündung in beiden Verbrennungskraftmaschinen nicht in demselben Takt erfolgt, sondern in zwei zeitlich versetzten Takten, Das heißt, dass in den vier Takten, welche die beiden Verbrennungskraftmaschinen durchlaufen, bevorzugt zweimal zu unterschiedlichen Zeitpunkten gezündet wird.

[0028] Obiges sowie weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

[0029] Darin zeigt [0030] Figur 1 eine schematische Darstellung eines Range-Extenders gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung.

[0031] Bezug nehmend auf Figur 1 wird eine Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Die Erfindung wird dabei am Beispiel eines Range-Extenders 1 mit einer Rotationskolbenmaschine mit im Wesentlichen dreieckigen Rotationskolben bzw. Rotoren beschrieben. Die Scheiben 2, 3 der Rotationskolbenmaschine bilden dabei jeweils eine erste und eine zweite Verbrennungskraftmaschine und sind in der Figur 1 in der Weise dargestellt, dass die Scheiben 2, 3 jeweils in die Bildebene gedreht sind, wodurch sowohl die Dreiecksform der Rotoren 6, 7, wie auch die Trochoidenform der Scheiben 2, 3 sichtbar wird.

[0032] Der Range-Extender 1 weist eine erste Scheibe 2 einer Rotationskolbenmaschine und eine zweite Scheibe 3 einer Rotationskolbenmaschine auf, die wellengleich sind, d.h., deren Rotoren 6, 7 mit derselben Welle 5 verbunden sind. Die Rotoren 6, 7 bewegen sich dabei planetenartig um das Wellengehäuse. Die Welle 5 verbindet beide Scheiben 2, 3. Zwischen den beiden Scheiben 2, 3 der Rotationskolbenmaschine ist auf der Welle 5 der Rotor 10 eines elektromechanischen Energiewandlers angeordnet. Um diesen Rotor 10 des elektromechanischen Energiewandlers 4 ist ein Stator 9a, 9b des elektromechanischen Energiewandlers 4 angeordnet.

[0033] Der elektromechanische Energiewandler 4 ist eine permanent erregte Synchronmaschine, bevorzugt eine Innenpolmaschine, bevorzugter eine Außenpolmaschine, noch bevorzugter eine Asynchronmaschine und besonders bevorzugt eine Reluktanzmaschine.

[0034] Der elektromechanische Energiewandler 4 ist elektrisch mit einer Leistungselektronik 11 verbunden, die dazu dient, den elektromechanischen Energiewandler 4 zu steuern und gegebenenfalls den Wechsel- oder Drehstrom, welcher von diesem erzeugt wird, in Gleichstrom umzurichten, so dass dieser in einen Stromkreis, bevorzugterweise einen Gleichstromzwi-schenkreis, eingespeist werden kann. Umgekehrt kann dieser über den Gleichrichter der Leistungselektronik auch im Motormodus mit elektrischer Energie versorgt werden.

[0035] In der Figur 1 ist eine symmetrische Anordnung der Trochoiden der Scheiben 2, 3 in Bezug auf eine Mittelebene M des elektromechanischen Energiewandlers 4 gezeigt. Insbesondere sind die Trochoiden gleich ausgerichtet. Auch der Abstand der Scheiben 2, 3 von der Mittelebene M ist gleich dargestellt. Es könnte jedoch auch vorgesehen sein, dass die Scheiben 2, 3 asymmetrisch angeordnet sind. Bevorzugt könnten die Trochoiden der Scheiben 2, 3 asymmetrisch ausgerichtet sein und der Abstand von der Mitteleben M der beiden Scheiben 2, 3 könnte unterschiedlich sein.

[0036] Auch die Drehstellung der Rotoren 6, 7 der Scheiben 2, 3 der Rotationskolbenmaschine sind in der Figur 1 um 180° versetzt dargestellt. Die Drehstellung könnte jedoch auch nur um 90° oder 45° oder um jeden Winkel 10 bis 180° versetzt sein. Ferner könnten die Rotoren 6, 7 auch symmetrisch zur Mittelebene M des ersten elektromechanischen Energiewandlers 4 angeordnet sein, das bedeutet, dieselbe Drehstellung aufweisen.

[0037] Die Zündkerze 8a der ersten Scheibe 2 und die Zündkerze 8b der zweiten Scheibe 3 der Rotationskolbenmaschine sind in der Figur 1 in der Weise angeordnet, dass der Zündungstakt der beiden Scheiben 2, 3 der Rotationskolbenmaschine gleichzeitig erfolgt. Es könnte bevorzugt aber auch vorgesehen sein, dass diese so angeordnet sind, dass der Zündungstakt zeitlich versetzt erfolgt.

[0038] Im Generatormodus treiben die beiden Scheiben 2, 3 der Rotationskolbenmaschine den elektromechanischen Energiewandler 4 an, so dass dieser als Generator elektrische Energie erzeugt. Im Motormodus des elektromechanischen Energiewandlers 4 startet dieser die beiden Scheiben 2, 3 der Rotationskolbenmaschine gleichzeitig. Vorzugsweise kann der elektromechanische Energiewandler aber auch nur eine Scheibe 2 starten, die den Range-Extender dann allein antreibt.

[0039] Erfindungsgemäße Range-Extender können auch in Häusern als Blockheizkraftwerk oder als Generatoreinheiten bei anderen mobilen Anwendungen dienen. BEZUGSZEICHENLISTE:

Range-Extender 1

Erste Verbrennungskraftmaschine 2

Zweite Verbrennungskraftmaschine 3

Elektromechanischer Energiewandler 4

Welle 5

Rotor der ersten Verbrennungskraftmaschine 6

Rotor der zweiten Verbrennungskraftmaschine 7 Zündkerze 8a, 8b

Stator des elektromechanischen Energiewandlers 9a, 9b

Rotor des elektromechanischen Energiewandlers 10

Leistungselektronik 11

Claims

Patentansprüche

1. Range-Extender (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, aufweisen: eine erste Verbrennungskraftmaschine (2); eine zweite Verbrennungskraftmaschine (3) und einen elektromechanischen Energiewandler (4), der zwischen der ersten und der zweiten Verbrennungskraftmaschine (2, 3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbrennungskraftmaschine (2), die zweite Verbrennungskraftmaschine (3) und der elektromechanische Energiewandler (4) zur Leistungsübertragung gekoppelt sind.
2. Range-Extender (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Verbrennungskraftmaschine (2) und die zweite Verbrennungskraftmaschine (3) eine erste Scheibe und eine zweite Scheibe einer Rotationskolbenmaschine sind.
3. Range-Extender (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kopplung durch eine gemeinsame Welle (5) erfolgt.
4. Range-Extender (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste und die zweite Scheibe der Rotationskolbenmaschine (2, 3) im Wesentlichen symmetrisch oder exakt symmetrisch zueinander bezüglich einer Mittelebene (M) des elektromechanischen Energiewandlers (4) angeordnet sind.
5. Range-Extender (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste und die zweite Scheibe (2, 3) der Rotationskolbenmaschine asymmetrisch zueinander bezüglich einer Mittelebene (M) des elektromechanischen Energiewandlers (4) angeordnet sind.
6. Range-Extender (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Rotor (6) der ersten Scheibe (2) und der Rotor (7) der zweiten Scheibe (3) der Rotationskolbenmaschine dieselbe Drehstellung in Bezug aufeinander aufweisen, wobei die Kopplung (5) die Drehachse ist.
7. Range-Extender (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Rotor (6) der ersten Scheibe (2) und der Rotor (7) der zweiten Scheibe (3) der Rotationskolbenmaschine eine im Wesentlichen 1 bis 180°, bevorzugt 4,5°, noch bevorzugter 90° und besonders bevorzugt 180° versetzte Drehstellung in Bezug aufeinander aufweisen, wobei die Kopplung (5) die Drehachse ist.
8. Range-Extender (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Zündkerze (8a) der ersten Verbrennungskraftmaschine (2) und die Zündkerze (8b) der zweiten Verbrennungskraftmaschine (3) in der Weise angeordnet sind, dass der Zündungstakt gleichzeitig erfolgt.
9. Range-Extender (1) nach einer Ansprüche 2 bis 7, wobei die Zündkerze (8a) der ersten Verbrennungskraftmaschine (2) und die Zündkerze (8b) der zweiten Verbrennungskraftmaschine (3) in der Weise angeordnet sind dass der Zündungstakt zeitlich versetzt erfolgt.
10. Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug mit einem Range-Extender nach einer der Ansprüche 1 bis 9. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen