Hybridfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs. Stand der Technik

Hybridfahrzeuge, die neben einem Verbrennungsmotor einen Elektromotor aufweisen, um den Verbrennungsmotor in bestimmten Betriebszuständen, z.B. beim Beschleunigen, zu unterstützen bzw. zu ersetzen sind im Stand der Technik be- kannt.

Systeme zur Abwärmenutzung sind bisher nur für stationäre Motoren bzw.

Großmotoren im Einsatz. Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Energieeffizienz eines Hybridfahrzeugs zu verbessern. Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein optimiertes Hybridfahrzeug und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines solchen Hybridfahrzeugs zur Verfügung gestellt.

Ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug weist einen thermodynamischen Ar- beitskreis auf, der ausgebildet ist, die Abwärme des Verbrennungsmotors in nutzbare Energie umzuwandeln.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs schließt ein, mit der Abwärme des Verbrennungsmotors einen thermodynamischen Ar- beitskreis zu betreiben, um die im Betrieb erzeugte Abwärme des Verbrennungsmotors in nutzbare Energie umzuwandeln. Die Wandlung der thermischen Energie in mechanische Energie geschieht dabei in einem thermodynamischen Arbeitskreis, z.B. einem Organic Rankine Cycle (ORC-Prozess).

In einem solchen Arbeitskreis wird ein flüssiges Arbeitsmedium bis auf einen Arbeitsdruck verdichtet und zu einem Wärmetauscher gefördert. Die Abwärme aus dem Abgas bzw. der Abgasrückführung des Verbrennungsmotors wird über den oder die Wärmetauscher an das Arbeitsmedium des ORC-Prozesses übertragen, welches dadurch verdampft wird. Der Dampf wird anschließend in einer Expansionsmaschine entspannt, wobei mechanische Energie gewonnen und an die Antriebswelle abgegeben wird. Als Expansionsmaschine kommen dabei beispielsweise eine Kolbenmaschine oder eine Turbine zum Einsatz.

Da das Angebot an Abwärme bei mobilen Anwendungen vom Fahrzustand (Verkehrssituation, Beladung, Steigung, Fahrgeschwindigkeit, usw.) abhängt, ist es starken Veränderungen unterworfen. Auch der Bedarf an Antriebsleistung sowie die Leistungsanforderung der Nebenaggregate sind starken Schwankungen unterworfen, so dass die Aufteilung der aus dem thermodynamischen Arbeitskreis gewonnenen Energie auf den Antriebsstrang und die Nebenaggregate jederzeit angepasst werden muss, um eine optimale Nutzung der mit Hilfe des thermodynamischen Arbeitskreises gewonnenen Energie zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Kombination eines Hybridantriebs mit einem thermodynamischen Arbeitskreis ermöglicht es, die von dem thermodynamischen Arbeitskreis erzeugte zusätzliche Energie effektiv und bedarfsgemäß einzusetzen. Es wird ein Fahrzeug mit einer hohen Energieeffizienz bereitgestellt.

In einer Ausführungsform weist der thermodynamische Arbeitskreis eine Expansionsmaschine auf, die als Kolbenmaschine oder als Strömungsmaschine (Turbine) ausgebildet ist.

In einer Ausführungsform ist der thermodynamische Arbeitskreis ausgebildet, einen Clausius-Rankine-Kreisprozess auszuführen. Ein Clausius-Rankine- Kreisprozess stellt einen Kreisprozess zur Verfügung, der eine effektive Umwandlung der Abwärme des Verbrennungsmotors in nutzbare mechanische Energie ermöglicht. In einer Ausführungsform weist das Hydridfahrzeug zusätzlich einen elektrischen Generator auf, und der thermodynamische Arbeitskreis ist ausgebildet, den Generator anzutreiben, um elektrische Energie zu erzeugen. Insbesondere ist der elektrische Generator mechanisch mit der Expansionsmaschine des thermody- namischen Arbeitskreises verbunden, um von dieser angetrieben zu werden.

Die Umwandlung der von dem thermodynamischen Arbeitskreis erzeugten mechanischen Energie in elektrische Energie ermöglicht es, die Energie besonders effektiv einzusetzen. Insbesondere kann die elektrische Energie genutzt werden, um den Elektromotor des Hybridfahrzeugs zu betreiben. Die von dem thermodynamischen Arbeitskreis zur Verfügung gestellte Energie kann so sehr effektiv genutzt werden, ohne dass dazu zusätzliche mechanische Bauteile erforderlich sind.

In einer Ausführungsform ist der Generator mit einer elektrischen Speichervorrichtung verbindbar, um die von dem Generator im Betrieb erzeugte elektrische Energie zu speichern. So kann in Betriebszuständen, in denen von dem Generator, der von dem thermodynamischen Arbeitskreis angetrieben wird, mehr elektrische Energie erzeugt wird, als in diesem Moment benötigt wird, diese überschüssige elektrische Energie zur späteren Verwendung gespeichert werden. Dadurch verbessert sich die Energieeffizienz des Fahrzeugs weiter, da die in bestimmten Betriebszuständen nicht benötigte, überschüssige elektrische Energie nicht verloren geht, sondern später, insbesondere in Betriebszuständen mit einem höheren Energiebedarf, genutzt werden kann.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs schließt ein, den Elektromotor gleichzeitig mit dem Verbrennungsmotor zu betreiben, um den Verbrennungsmotor beim Antreiben des Hybridfahrzeugs zu unterstützen („Drive-Mode"). Dadurch, dass der Verbrennungsmotor in bestimmten Betriebszuständen mit hohem Energiebedarf (z. B. beim Anfahren bzw. Beschleunigen) durch den Elektromotor unterstützt wird, kann der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors gesenkt werden und/oder das Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs verbessert werden. Dadurch, dass zum Antreiben des Elektromotors erfindungsgemäß Energie genutzt wird, die aus der Abwärme des Verbrennungsmotors gewonnen wird, wird die Energieeffizienz noch weiter verbessert. Das erfindungsgemäße Verfahren schließt vorzugsweise ein, in bestimmten Be- triebszuständen zusätzlich in der Speichervorrichtung (Batterie) gespeicherte Energie zu verwenden, um den Elektromotor anzutreiben („Boost-Mode"). Dadurch wird die Energieeffizienz noch weiter verbessert, da neben der aktuell vom thermodynamischen Arbeitskreis zur Verfügung gestellten elektrischen Energie auch in früheren Betriebszuständen erzeugte und in diesen früheren Betriebszu- ständen nicht benötigte elektrische Energie, die in der Speichervorrichtung gespeichert worden ist, zum Antreiben des Elektromotors und damit des Hybridfahrzeugs genutzt wird.

Dadurch geht diese, in früheren Betriebszuständen erzeugte und vorübergehend nicht benötigte Energie nicht verloren, sondern kann in späteren Betriebszuständen, die einen höheren Energiebedarf haben, genutzt werden, um den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors zu senken und/oder die Beschleunigung des Hybridfahrzeugs zu verbessern.

In einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Elektromotor als Generator betrieben, um elektrische Energie zu erzeugen, die in der elektrischen Speichervorrichtung gespeichert wird. Dies ermöglicht es, die elektrische Speichervorrichtung aufzuladen, wenn dies notwendig ist, und die von dem Generator des thermodynamischen Arbeitskreises zur Verfügung gestellte elektrische Energie nicht ausreicht.

Der Elektromotor kann sowohl im Fahrbetrieb („Transient Mode") als auch beim Abbremsen des Fahrzeugs („Recuperation Mode") zum Erzeugen elektrischer Energie verwendet werden. Die Verwendung und Speicherung der beim Abbremsen erzeugten Energie („Recuperation mode") ist besonders effizient, da so ein Teil der zum Beschleunigen des Fahrzeugs aufgewandten Energie beim Abbremsen zurückgewonnen und in Form elektrischer Energie gespeichert wird, so dass sie später zur erneuten Beschleunigung des Fahrzeugs verwendet werden kann.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs in einem ersten Betriebszustand;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs in einem zweiten Betriebszustand;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs in einem dritten Betriebszustand; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs in einem vierten Betriebszustand.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs in einem ersten Betriebszustand;

Ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug weist einen Antriebsstrang 2 mit einem Verbrennungsmotor 22, einer Kupplung 24, einem Elektromotor 26 und einem Getriebe 28 auf, die in Reihe miteinander verbunden sind, um die von dem Verbrennungsmotor 22 und/oder dem Elektromotor 26 erzeugte mechanische Antriebsenergie an die Antriebsräder 20 des Hybridfahrzeugs zu übertragen.

Erfindungsgemäß weist das Hybridfahrzeug einen thermodynamischen Arbeitskreis 3 mit einer Expansionsmaschine 32 auf. Im Betrieb des thermodynamischen Arbeitskreises 3 wird die Expansionsmaschine 32 durch die von dem Verbrennungsmotor 22 im Betrieb z.B. über den Abgasstrang abgegebene Abwärme 30 angetrieben. Die Expansionsmaschine 32 wandelt die thermische Abwärme 30 in mechanische Energie 36 um, die zum Antreiben eines elektrischen Generators 34 verwendet wird, der mechanisch mit der Expansionsmaschine 32 gekoppelt ist.

Der elektrische Generator 34 erzeugt elektrische Energie 40, die durch einen Spannungswandler 42 und einen elektrischen Inverter 44 geeignet umgewandelt wird, um den im Antriebsstrang 2 des Hybridfahrzeugs angeordneten Elektromotor 26 anzutreiben und so den Verbrennungsmotor 22 beim Antreiben der Antriebsräder 20 des Hybridfahrzeugs zu unterstützen oder zu ersetzen. Da die bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor ungenutzt über den Abgasstrang abgegebene Abwärme 30 zusätzlich zum Antreiben der Antriebsräder 20 genutzt wird, kann der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 22 gesenkt werden. Aufgrund der Hybridisierung des Fahrzeugs ist der zum Antreiben der Antriebsräder 20 genutzte Elektromotor 26 bereits vorhanden.

Fig. 2 zeigt schematisch einen zweiten Betriebszustand eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs. Im zweiten Betriebszustand („Recuperation mode") wird das Fahrzeug abgebremst, so dass die Leistung des Verbrennungsmotors 22 auf ein Minimum reduziert ist (Leerlauf). Es ist daher nicht nötig und erwünscht, die von dem thermo- dynamischen Arbeitskreis 3 erzeugte elektrische Energie 40 zum Antreiben des Elektromotors 26 zu verwenden, da ein Antreiben der Antriebsräder 20 in diesem Betriebszustand nicht erwünscht ist.

Die von dem thermodynamischen Arbeitskreis 3 erzeugte elektrische Energie 40 wird daher nach der Spannungswandlung im Spannungswandler 42 in einer elektrischen Speichervorrichtung 46 (Batterie) zur späteren Verwendung gespei- chert.

Zusätzlich wird der Elektromotor 26 durch die beim Abbremsen des Fahrzeugs frei werdende kinetische Energie des Fahrzeugs mechanisch angetrieben. Der Elektromotor 26 wird dabei als Generator betrieben, der elektrische Energie 50 bereitstellt, die nach einer entsprechenden Umwandlung durch den Inverter 44, der in diesem Betriebszustand im Vergleich zu dem in Fig. 1 gezeigten Betriebszustand invers betrieben wird, ebenfalls in der elektrischen Speichervorrichtung 46 gespeichert wird. Die thermische Energie des im Leerlauf betriebenen Verbrennungsmotors 22 und die beim Abbremsen des Fahrzeugs frei werdende mechanische Energie, die in einem herkömmlichen Fahrzeug durch die Erwärmung der mechanischen Bremsen ungenutzt als Abwärme abgegeben wird, wird zur späteren Verwendung in der elektrischen Speichervorrichtung 46 gespeichert.

Fig. 3 zeigt das Antriebssystem eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs in einem dritten Betriebszustand. Im dritten Betriebszustand („Boost-Mode") wird zusätzlich zu der von dem ther- modynamischen Arbeitskreis 3 erzeugten elektrischen Energie 40 in der elektrischen Speichervorrichtung 46 gespeicherte elektrische Energie 52 zum Antreiben des Elektromotors 26 verwendet. Der Elektromotor 26 kann so mit einer be- sonders hohen Leistung, welche über die von dem thermodynamischen Arbeitskreis 3 zur Verfügung gestellten Leistung hinausgeht, betrieben werden, um den Verbrennungsmotor 22 zu unterstützen. Dieser Betriebsmodus ist insbesondere für eine besonders starke Beschleunigung des Hybridfahrzeugs, z. B. beim Anfahren oder Einleiten eines Überholvorgangs, geeignet. Die z.B. im zuvor be- schriebenen zweiten Betriebsmodus in der elektrischen Speichervorrichtung 46 gespeicherte Energie wird dabei genutzt, um den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 22 zu reduzieren.

Fig. 4 zeigt ein Antriebssystem eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs in ei- nem vierten Betriebszustand.

Im vierten Betriebszustand wird der Verbrennungsmotor 22 des Antriebsstrangs 2 betrieben, um eine mechanische Leistung zum Antreiben der Antriebsräder 20 des Hybridfahrzeugs zu erzeugen.

Die von dem Verbrennungsmotor 22 im Betrieb erzeugte Abwärme 30 wird wie im zuvor beschriebenen zweiten Betriebszustand von dem thermodynamischen Arbeitskreis 3 in elektrische Energie 40 umgewandelt und nach entsprechender Umwandlung durch den Spannungswandler 42 in der elektrischen Speichervor- richtung 46 gespeichert.

Zusätzlich wird durch den Elektromotor 26, der anders als im zweiten Betriebszustand nicht durch das Abbremsen des Hybridfahrzeugs sondern durch den Verbrennungsmotor 22 angetrieben wird, elektrische Energie 50 erzeugt, welche nach entsprechender Umwandlung durch den Inverter 44 ebenfalls in der elektrischen Speichervorrichtung 46 gespeichert wird.

Im vierten Betriebszustand wird die elektrische Speichervorrichtung 46 besonders effizient und schnell aufgeladen. Der vierte Betriebszustand wird daher vor- zugsweise gewählt, wenn der Ladezustand der Speichervorrichtung 46 eine schnelle Ladung erfordert. Durch Verwenden des in einem Hybridfahrzeug vorhandenen Elektromotors 26 zum Aufladen der elektrischen Speichervorrichtung 46 kann auf einen zusätzlichen, vom Verbrennungsmotor 22 mechanisch angetriebenen Generator verzichtet werden.

Die Erfindung ermöglicht es, die thermische Energie, die beim Betrieb eines Verbrennungsmotors 22 erzeugt wird, mit möglichst geringen Verlusten zum Antreibe des Fahrzeugs zu nutzen und als mechanische Energie an die Antriebsräder 20 des Fahrzeugs abzugeben. Dadurch wird die energetische Gesamtbilanz des Fahrzeugs optimiert. Durch die erfindungsgemäße Kombination der Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors 22 mit der Hybridtechnologie kann eine optimale Anpassung an das Betriebsverhalten und den Einsatzbereich des Fahrzeugs erreicht werden. Insbesondere kann die an die Antriebsräder 20 übertragene mechanische Energie bedarfsgemäß eingestellt werden. Zeitweise nicht benötigte Energie kann zur späteren Verwendung in einer elektrischen Speichervorrichtung 46 gespeichert werden.

Die thermische Trägheit des thermodynamischen Arbeitskreises 3 kann so ausgeglichen werden.

Wird die Speichervorrichtung 46 durch häufiges Bremsen wiederholt aufgeladen ("Stop-and-go-Betrieb"), kann ungeachtet der thermischen Trägheit des thermodynamischen Arbeitskreises 3 ein großer Anteil der kinetischen Energie des Fahrzeugs beim Abbremsen zurückgewonnen und genutzt oder gespeichert werden.

Die Erfindung stellt ein Hybridfahrzeug mit einer besonders effektiven Energiebilanz zur Verfügung.