[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinheit zum Antreiben eines
mit elektrischer Energie antreibbaren Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1 sowie auf ein Verfahren zum Vorwärmen eines Verbrennungsmotors dieser Antriebseinheit
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6.
[0002] Mit elektrischer Energie betreibbare Fahrzeuge, sogenannte Elektrofahrzeuge oder
auch Hybridfahrzeuge, wie Kraftfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Zweiräder oder Wasserfahrzeuge,
können zum einen rein elektrisch, indem zumindest ein Elektromotor als Tranktionsmotor
den Antrieb der anzutreibenden Fahrzeugachse selbsttätig übernimmt, oder auch im Wechselbetrieb,
nämlich einmal lediglich durch den Elektromotor und ein anderes Mal mit einem mit
herkömmlichen Kraftstoffen betriebenen Verbrennungsmotor betrieben werden.
[0003] Rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge weisen bekanntermaßen keine große Reichweite
auf, so dass schon nach wenigen Kilometern - abhängig beispielsweise von der Größe
der den Elektromotor speisenden Batterie sowie der Konstruktion des Fahrzeuges - dem
Elektromotor aufgrund der Entladung der Batterie keine elektrische Energie mehr zugeführt
werden kann. In diesem Falle wird entweder ein Verbrennungsmotor, wie ein Diesel-,
Otto- oder Wankelmotor zugeschalten, welcher entweder die Aufgabe des Elektromotors
als neuer Traktionsmotor übernimmt und das Fahrzeug antreibt oder in Form eines Range
Extenders einen Generator antreibt, welcher der Batterie bzw. dem Elektromotor erzeugte
elektrische Energie zur Verfügung stellt, um das Fahrzeug weiterhin elektrisch antreiben
zu können.
[0004] In beiden Fällen ist es möglich die Reichweite des Fahrzeuges von beispielsweise
30 - 100km auf beispielsweise 200- 400km zu erhöhen.
[0005] Wird ein Verbrennungsmotor als Range Extender zur Ausweitung des unterbrechungsfreien
Fahrbetriebes bzw. zur Erhöhung der Reichweite verwendet, weist das Fahrzeug neben
dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor zusätzlich einen Generator auf, welcher
mechanisch mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist. Die Einheit aus Verbrennungsmotor
und Generator, welche auch als energieerzeugende Ladeeinrichtung bezeichnet wird,
wird zur Realisierung eines lokal emissionsfreien Betriebes vorzugsweise erst zugeschalten
bzw. aktiviert, wenn die Batterie zur Speisung des Elektromotors mit elektrischer
Energie nicht mehr ausreichend elektrische Energie zur Verfügung stellen kann.
[0006] Weiterhin ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass ein Verbrennungsmotor,
welcher als Range Extender oder auch Traktionsmotor verwendet wird, für optimale Emissions-
und Verbrauchswerte bei einer Temperatur von ca. 100°C betrieben werden sollte.
[0007] Dagegen liegt das optimale Temperaturniveau einer Leistungselektronik, welche ebenfalls
in dem Fahrzeug angeordnet ist und beispielsweise zum Steuern des Elektromotors und/oder
des Verbrennungsmotors bzw. des Generators dient, sowie beispielsweise auch eines
Elektromotors selbst bei unter 60°C. D.h., während das elektrische System, bestehend
aus der Leistungselektronik und dem Elektromotor, bei möglichst geringen bzw. tiefen
Temperaturen betrieben werden sollte, ist es dagegen für das verbrennungsmotorische
System, wie dem Verbrennungsmotor aufgrund von Emission und Verbrauch erstrebenswert
eine definierte Zieltemperatur möglichst schnell zu erreichen und aufrecht zu erhalten.
[0008] Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antriebseinheit und ein
Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels denen ein Verbrennungsmotor eines elektrisch
antreibbaren Fahrzeuges im Wesentlichen kontinuierlich während eines Betriebes des
Elektromotors durch dessen Abwärme vorgewärmt wird, um eine Optimierung des Emissions-und/oder
Kraftstoffverbrauchs zu erzielen, während vorzugsweise eine Leistungselektronikeinheit
des Fahrzeuges eine optimierte Kühlung erfährt.
[0009] Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung mittels der Antriebseinheit gemäß Anspruch
1 und dem Verfahren gemäß Anspruch 6.
[0010] Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0011] Eine erfindungsgemäße Antriebseinheit zum Antreiben eines mit elektrischer Energie
antreibbaren Fahrzeuges weist mindestens einen das Fahrzeug antreibenden Elektromotor,
mindestens einen die elektrische Energie erzeugenden Generator, mindestens einen den
Generator antreibenden Verbrennungsmotor und mindestens eine Leistungselektronikeinheit
zum Ansteuern und/oder Regeln des Elektromotors auf.
[0012] Das Fahrzeug kann dabei, wie oben erwähnt, ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug
aus den Bereichen der Kraftfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Zweiräder oder
ähnlichem sein.
[0013] Vorzugsweise wird das Fahrzeug rein elektrisch über mindestens einen Elektromotor
angetrieben, wobei auch jede Achse des Fahrzeuges einen oder mehrere Elektromotoren
zum Antreiben des Fahrzeuges aufweisen kann. Hierbei kann der Verbrennungsmotor beispielsweise
auch als Range Extender dienen, welcher lediglich dann aktiviert wird, um einen mit
dem Verbrennungsmotor verbundenen Generator derart anzutreiben, dass dieser elektrische
Energie erzeugt bzw. die ihm zugeführte mechanische Energie in elektrische Energie
umwandelt, welche entweder dem Elektromotor und/oder der Batterie zugeführt wird.
[0014] Demzufolge findet ein zeitlich versetzter Betrieb von elektromotorischem Betrieb
und verbrennungsmotorischem Betrieb statt. Vorzugsweise ist der Elektromotor auch
bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors aktiv.
[0015] Es ist jedoch auch denkbar, dass das Fahrzeug im Wechselbetrieb betrieben wird. D.h.,
dass das Fahrzeug während der ersten Kilometer des Fahrbetriebes des Fahrzeuges rein
elektrisch, lediglich durch den Elektromotor oder eine Vielzahl von Elektromotoren
angetrieben wird und der Verbrennungsmotor erst den Antrieb des Fahrzeuges und eventuell
auch eine gleichzeitige Aufladung der Batterie übernimmt, wenn die Batterie derart
entladen ist, dass diese dem Elektromotor keine elektrische Energie mehr zur Verfügung
stellen kann.
[0016] Die Leistungselektronikeinheit bzw. Leistungselektronik weist vorzugsweise Komponenten,
wie Steuergeräte zur Ansteuerung und /oder Regelung der elektrischen Maschine bzw.
des Elektromotors auf. Diese Steuergeräte beinhalten beispielsweise Wechsel- und Gleichrichter
für Drehfeld- und Gleichstrommaschinen bzw. -motoren, wie z.B. zum Antrieb von Pumpen,
Ventilatoren und für Positionieraufgaben etc. Ebenfalls können Gleichspannungswandler
im Fahrzeug integriert sein, um vorzugsweise Verbraucher mit unterschiedlichem Spannungsniveau
im elektrischen Energienetz betreiben zu können.
[0017] Bei der erfindungsgemäßen Antriebseinheit sind zumindest der Verbrennungsmotor und
die Leistungselektronikeinheit mit jeweils einem eine eigene Kühleinrichtung aufweisenden
Kühlkreislauf verbunden, wobei der erste Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors und
der zweite Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit über ein Verbindungselement
in Wirkverbindung zur Ausbildung eines gemeinsamen dritten Kühlkreislaufes miteinander
stehen und zumindest der Elektromotor derart mit einem der Kühlkreisläufe verbunden
ist, dass die durch den Betrieb des Elektromotors entstehende und über mindestens
einen der Kühlkreisläufe transportierte Abwärme zum Vorwärmen des Verbrennungsmotors
verwendbar ist.
[0018] D.h., dass der Verbrennungsmotor mit einem eigenen Kühlkreislauf mit einer in dem
Kühlkreislauf angeordneten Kühleinrichtung verbunden ist, wobei dieser Kühlkreislauf
des Verbrennungsmotors als erster Kühlkreislauf bezeichnet wird.
[0019] Zudem ist die Leistungselektronik ebenfalls mit einem eigenen, nicht dem ersten Kühlkreislauf
des Verbrennungsmotors zugeordneten und eigenständig wirkenden Kühlkreislauf verbunden,
welcher als zweiter Kühlkreislauf bezeichnet wird und vorzugsweise ebenfalls eine
eigene Kühleinrichtung aufweist.
[0020] Folglich weist die Antriebseinheit des Fahrzeuges zwei voneinander unabhängig agierende
Kühlkreisläufe, nämlich den ersten Kühlkreislauf und den zweiten Kühlkreislauf auf,
um den Verbrennungsmotor und die Leistungselektronikeinheit getrennt voneinander auf
eine definierte Temperatur kühlen bzw. auf einem definierten Temperaturniveau halten
zu können.
[0021] D.h., aufgrund unterschiedlicher optimaler Temperaturbereiche des Verbrennungsmotors
und der Leistungselektronikeinheit werden in dem Fahrzeug unterschiedliche Kühlkreisläufe
mit unterschiedlichen Temperaturniveaus verbaut.
[0022] Erfindungsgemäß ist der erste Kühlkreislauf, nämlich der Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors
mit dem zweiten Kühlkreislauf, nämlich dem Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit
über ein Verbindungselement koppelbar bzw. verbindbar. Dieses Verbindungselement ist
beispielsweise eine Zuleitung bzw. Ableitung und besteht bevorzugt aus zwei Leitungen
zum Bilden eines dritten Kühlkreislaufes.
[0023] Der dritte Kühlkreislauf setzt sich folglich aus dem ersten und dem zweiten Kühlkreislauf
sowie dem Verbindungselement zusammen.
[0024] Vorzugsweise ist an dem Verbindungselement ein Ventilelement angeordnet, um die Wirkverbindung
zwischen dem ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors und dem zweiten Kühlkreislauf
der Leistungselektronikeinheit zu unterbrechen bzw. zu ermöglichen.
[0025] D.h. wird das Ventilelement bzw. das Ventil geöffnet, wirken der erste Kühlkreislauf
und der zweite Kühlkreislauf als ein dritter Kühlkreislauf zusammen, so dass in einem
rein elektrischen Betrieb des Fahrzeuges, d.h. während des Betriebes des Fahrzeuges
ausschließlich mit dem Elektromotor, zumindest die Leistungselektronikeinheit und
vorzugsweise auch zusätzlich der Elektromotor mittels zweier Kühleinrichtungen aus
zwei Kühlkreisläufen gekühlt werden können. Damit wird das elektrische System, welches
die Leistungselektronikeinheit und den Elektromotor aufweist, aufgrund der höheren
Wärmekapazität der miteinander verbundenen Kühlkreisläufe längere Zeit bei niedrigen
Temperaturen und somit bei besseren Wirkungsgraden betrieben, als wenn dem elektrischen
System lediglich ein Kühlkreislauf, wie beispielsweise lediglich der zweite Kühlkreislauf,
zu Verfügung stehen würde.
[0026] Lediglich durch eine optimierte Kühlung des elektrischen Systems im Gegensatz zu
herkömmlich gekühlten elektrischen Systemen wird beispielsweise eine Wirkungsgradsteigerung
von ca. bis zu 5 % erreicht, wodurch dementsprechend auch die Reichweite des Fahrzeuges
bzw. die Zeit des unterbrechungsfreien Fahrbetriebes erhöht wird.
[0027] In einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest der Elektromotor mit dem ersten
Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors zum im Wesentlichen direkten Vorwärmen des Verbrennungsmotors
oder mit dem zweiten Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit zum im Wesentlichen
indirekten Vorwärmen des Verbrennungsmotors über den dritten Kühlreislauf verbunden.
[0028] D.h., dass der Elektromotor entweder mit dem ersten Kühlkreislauf, d.h. dem Kühlkreislauf
des Verbrennungsmotors oder mit dem zweiten Kühlkreislauf, d.h. mit dem Kühlkreislauf
der Leistungselektronikeinheit verbunden sein kann.
[0029] Ist der Elektromotor mit dem ersten Kühlkreislauf verbunden, wird die Abwärme des
Elektromotors, welche während des Betriebes des Elektromotors entsteht, direkt in
den ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors eingeleitet, wodurch das Temperaturniveau
des ersten Kühlkreislaufes steigt. Somit wird der Verbrennungsmotor im Wesentlichen
direkt durch die Abwärme bzw. Verlustwärme eines mit demselben Kühlkreislauf verbundenen
aktiven Verbrauchers vorgewärmt, indem der gesamte Kühlkreislauf ein definiertes Temperaturniveau
erreicht.
[0030] Da vorzugsweise ein Elektromotor, wie auch eine Leistungselektronikeinheit bei Temperaturen
unter 60°C betrieben werden sollten, wäre es denkbar, dass das Temperaturniveau des
ersten Kühlkreislaufes auf bis zu 60°C ansteigt und vorzugsweise auf diesem Temperaturniveau
reguliert wird. Dadurch wird der Verbrennungsmotor auf 60°C vorgeheizt und bedarf
relativ kurzer Zeit bis zum Erreichen seiner optimalen Betriebstemperatur von beispielsweise
100°C, so dass die Verbrauchs- und Emissionswerte des Verbrennungsmotor ab Betrieb
desselben deutlich, im Vergleich zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, welcher nicht
vorgewärmt wurde, reduziert werden können.
[0031] Es ist jedoch auch bekannt, dass es Elektromotoren und Leistungselektronikeinheiten,
d.h. elektrische Systeme gibt, welche bei höheren Temperaturen, wie beispielsweise
über 60 bis 100°C und höher betrieben werden können. Bei Vorliegen derartiger elektrischer
Systeme ist es folglich möglich den Verbrennungsmotor über den ersten Kühlkreislauf
bis 100°C und mehr vorzuwärmen, so dass dieser schon zu Beginn seines Betriebes ein
optimales Temperaturniveau aufweist.
[0032] Bei einem Verbinden des Elektromotors mit dem ersten Kühlkreislauf ist es denkbar,
dass der zweite Kühlkreislauf durch Aktivierung des Ventilelementes von dem ersten
Kühlkreislauf getrennt wird, um eine schnelle und ausreichende Steigung des Temperaturniveaus
des ersten Kühlkreislaufes und damit ein optimales Vorwärmen des Verbrennungsmotors
zu ermöglichen.
[0033] Es ist jedoch auch möglich, dass beide Kühlkreisläufe eins und zwei miteinander verbunden
sind, d.h., dass das Ventilelement geöffnet ist, um den ersten Kühlkreislauf und den
zweiten Kühlkreislauf zu dem dritten Kühlkreislauf zu verbinden. Dann erwärmen der
Elektromotor und die Leistungselektronikeinheit, welche mit dem zweiten Kühlkreislauf
verbunden ist, den dritten Kühlkreislauf gemeinsam bis zu einem definierten Temperaturniveau
durch Abgabe deren Abwärme während ihres Betriebes, um somit den sich nicht in Betrieb
befindlichen Verbrennungsmotor vorzuwärmen.
[0034] Andererseits ist es auch möglich, dass der Elektromotor mit dem zweiten Kühlkreislauf,
d.h. dem Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit verbunden ist. In diesem Fall
ist vorzugsweise das Ventilelement derart geöffnet, dass eine Wirkverbindung zwischen
dem ersten Kühlkreislauf und dem zweiten Kühlkreislauf entsteht. Beide, d.h. die Leistungselektronikeinheit
und der Elektromotor, werden folglich im reinen elektrischen Betrieb des Fahrzeuges
von zwei Kühleinrichtungen, nämlich der Kühleinrichtung des ersten Kühlkreislaufes
und der zweiten Kühleinrichtung des zweiten Kühlkreislaufes gekühlt und erhöhen gemeinsam
mittels deren Abwärme das Temperaturniveau des dritten Kühlkreislaufes, um dem Verbrennungsmotor
vorzuwärmen.
[0035] Demzufolge wird der Verbrennungsmotor indirekt über Verbraucher, welche an einem
anderen Kühlkreislauf, als dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors angeordnet sind,
über einen sich bildenden gemeinsamen dritten Kühlkreislauf vorgewärmt.
[0036] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Generator zusammen mit dem
Elektromotor mit dem ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors oder mit dem zweiten
Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit verbunden.
[0037] Wie oben beschrieben, weist die Antriebseinheit auch einen Generator zur Erzeugung
von elektrischer Energie auf, welcher vorzugsweise mechanisch mit dem Verbrennungsmotor
verbunden ist. Jedoch muss der Generator nicht mit demselben Kühlkreislauf wie der
Verbrennungsmotor verbunden sein.
[0038] Der Generator gibt im rein elektrischen Betrieb, d.h., wenn lediglich der Elektromotor
im Betrieb und der Verbrennungsmotor noch deaktiviert ist, keine Abwärme ab, da er
sich vorzugsweise erst bei einer Aktivierung des Verbrennungsmotors ebenfalls aktiviert,
um elektrische Energie zu erzeugen bzw. mechanische Energie in elektrische Energie
umzuwandeln.
[0039] Andererseits ist es denkbar, dass der Generator getrennt von dem Elektromotor mit
dem ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors oder mit dem zweiten Kühlkreislauf
der Leistungselektronikeinheit verbunden ist.
[0040] Demzufolge wäre beispielsweise der Generator mit dem ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotor
und der Elektromotor mit dem zweiten Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit
oder anders herum verbunden.
[0041] Des Weiteren wird ein Verfahren zum Vorwärmen eines Verbrennungsmotors einer Antriebseinheit
zum Antreiben eines mit elektrischer Energie antreibbaren Fahrzeuges beansprucht,
wobei die Antriebseinheit zudem mindestens einen die elektrische Energie erzeugenden
Generator und mindestens eine Leistungselektronikeinheit zum Ansteuern und/oder Regeln
des Elektromotors aufweist.
[0042] Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zumindest der Verbrennungsmotor
und die Leistungselektronikeinheit mit jeweils einem eine eigene Kühleinrichtungen
aufweisenden Kühlkreislauf verbunden, wobei der erste Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors
und der zweite Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit über ein Verbindungselement
in Wirkverbindung zur Ausbildung eines gemeinsamen dritten Kühlkreislaufes miteinander
stehen und zumindest der Elektromotor derart mit einem der Kühlkreisläufe verbunden
wird, dass die durch den Betrieb des Elektromotors entstehende Abwärme über mindestens
einen der Kühlkreisläufe transportiert und zum Vorwärmen des Verbrennungsmotors verwendet
wird.
[0043] D.h., dass die Abwärme der Verbraucher, wie vorzugsweise dem Elektromotor und/oder
auch der Leistungselektronikeinheit, welche je nach Ausgestaltung der Antriebseinheit
mit einem der Kühlkreisläufe verbunden sind, über vorzugsweise den dritten Kühlkreislauf
oder auch lediglich den ersten Kühlkreislauf zum Verbrennungsmotor transportiert wird,
um diesen auf eine definierte Temperatur bzw. ein definiertes Temperaturniveau zu
erwärmen.
[0044] D.h., dass der Elektromotor in einer bevorzugten Ausführungsform bei einer Verbindung
mit dem ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors den Verbrennungsmotor im Wesentlichen
direkt über den ersten Kühlkreislauf erwärmt, sofern zumindest ein sich an dem Verbindungselement
angeordnetes Ventilelement geschlossen ist und damit eine Wirkverbindung zwischen
dem ersten Kühlkreislauf und dem zweiten Kühlkreislauf verhindert.
[0045] Ist ein an dem Verbindungselement befindliches bzw. angeordnetes Ventilelement geöffnet
und ermöglicht eine Wirkverbindung zwischen dem ersten Kühlkreislauf und dem zweiten
Kühlkreislauf, ist der Elektromotor folglich nicht nur mit dem ersten Kühlkreislauf,
sondern auch mit dem dritten Kühlkreislauf verbunden.
[0046] Folglich wird die Abwärme des Elektromotors nicht nur über den ersten Kühlkreislauf,
sondern auch über den dritten Kühlkreislauf, welcher sich aus dem ersten Kühlkreislauf,
dem zweiten Kühlkreislauf und dem Verbindungselement ergibt, ermöglicht.
[0047] In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, gemäß welcher der Elektromotor mit
dem zweiten Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit verbunden ist, erwärmt der
Elektromotor den Verbrennungsmotors im Wesentlichen indirekt über den dritten Kühlkreislauf.
[0048] D.h., dass das Ventilelement derart geöffnet sein muss, um eine Wirkverbindung zwischen
dem ersten Kühlkreislauf und dem zweiten Kühlkreislauf zu ermöglichen, wodurch ein
dritter Kühlkreislauf gebildet wird, um folglich die Abwärme des Elektromotors und
vorzugsweise zusätzlich die Abwärme der Leistungselektronik, welche ebenfalls mit
dem zweiten Kühlkreislauf verbunden ist, bis zum ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors
und insbesondere direkt zum Verbrennungsmotor transportieren zu können und zusätzlich
eine optimierte Kühlung des elektrischen Systems zu gewährleisten.
[0049] Infolgedessen sind die Leistungselektronikeinheit, der Elektromotor und auch der
Verbrennungsmotor gleichermaßen mit dem dritten Kühlkreislauf verbunden.
[0050] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es denkbar, dass ein an dem Verbindungselement
angeordnetes Ventilelement während eines reinen Betriebes des Elektromotors geöffnet
wird, um zumindest die Leistungselektronikeinheit zusätzlich mit dem ersten Kühlkreislauf
des Verbrennungsmotors zu kühlen.
[0051] D.h., dass die Leistungselektronikeinheit nicht nur mit dem Kühleinrichtung des zweiten
Kühlkreislaufes, mit welchem die Leistungselektronik verbunden ist, gekühlt bzw. auf
ein definiertes Temperaturniveau geregelt wird, sondern auch mit Unterstützung des
ersten Kühlkreislaufes des Verbrennungsmotors. Demzufolge wird die Leistungselektronikeinheit,
die demnach mit dem dritten Kühlkreislauf verbunden ist, mittels mindestens zweier
Kühleinrichtungen des dritten Kühlkreislaufes gekühlt, wodurch eine optimierte Kühlung
der Leistungselektronik und gegebenenfalls des Elektromotors erfolgt, um den Wirkungsgrad
des elektrischen Systems zu erhöhen.
[0052] Des Weiteren ist es denkbar, dass ein an dem Verbindungselement angeordnetes Ventilelement
geschlossen wird, wenn der zweite Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit während
des Betriebes des Verbrennungsmotors eine Temperatur oberhalb eines definierten Maximaltemperaturniveaus
aufweist.
[0053] Dies bietet die Möglichkeit eine Überhitzung der Leistungselektronik und gegebenenfalls
des Elektromotors, sofern dieser mit dem zweiten Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit
verbunden ist, zu verhindern, indem der Verbrennungsmotor vom zweiten Kühlkreislauf
der Leistungselektronikeinheit abgekoppelt wird. Dadurch wird keine Abwärme des Verbrennungsmotors
mehr über den dritten Kühlkreislauf an die Leistungselektronik und gegebenenfalls
den Elektromotor übertragen, so dass die Kühleinrichtung des zweiten Kühlkreislaufes
die Temperatur der Leistungselektronikeinheit bzw. das Temperaturniveau des zweiten
Kühlkreislaufes wieder auf einen optimalen Wert regulieren kann.
[0054] Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden anhand
nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher beispielhaft
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit mindestens zwei Kühlkreisläufen
dargestellt wird.
[0055] Komponenten, welche in den Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer
Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet
sein, wobei diese Komponenten nicht in allen Figuren gekennzeichnet und erläutert
sein müssen.
[0056] In den Figuren zeigen:
- Fig.1
- eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit;
und
- Fig.2
- eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
[0057] Fig.1 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Antriebseinheit 1, welche einen Verbrennungsmotor 2, einen Generator 3, einen Elektromotor
4, eine Leistungselektronikeinheit 5, eine erste Kühleinrichtung 6 und eine zweite
Kühleinrichtung 7 aufweist.
[0058] Der Verbrennungsmotor 2, die Kühleinrichtung 6 sowie der Elektromotor 4 und der Generator
3 sind gemeinsam mit einem ersten Kühlkreislauf 10 verbunden. In diesem ersten Kühlkreislauf
10 wird über entsprechende Leitungen 10a bis 10d ein Kühlmedium, welches einen flüssigen
oder gasförmigen Aggregatzustand aufweisen kann, transportiert, um Abwärme der Verbraucher
2, 3, 4 aufzunehmen und der Kühleinrichtung 6 zu übertragen, welche die Wärme aufnimmt
und an die Umgebung abgibt.
[0059] Während eines Betriebes des Elektromotors 4 sowie des Verbrennungsmotors 2 und folglich
auch des Generators 3 wird Abwärme erzeugt, welche, sofern diese nicht zur Erhöhung
des Temperaturniveaus des ersten Kühlkreislaufes 10 genutzt werden soll, beispielsweise
über in den Leitungen 10a und 10b fließendes Kühlmedium der Kühleinrichtung 6 zugeführt
und von dieser an die Umgebung abgegeben wird. Hierbei arbeitet die Kühleinrichtung
6 als eine Art Wärmetauscher. Das von der Kühleinrichtung 6 abgekühlte Kühlmedium,
welchem folglich die Abwärme der Verbraucher 2, 3, 4 entzogen wurde, fließt nun über
beispielsweise die Leitungen 10c und 10d zu den Verbrauchern 2, 3, 4 zurück, um von
diesen wieder Abwärme aufnehmen zu können und diese folglich zu kühlen bzw. deren
Temperatur zu regulieren.
[0060] Vorzugsweise vor Aktivierung des Verbrennungsmotors 2 wird die Abwärme des sich in
Betrieb befindlichen Elektromotors 4 - der Generator 3 ist ebenfalls deaktiviert -
nicht über die Kühleinrichtung 6 an die Umgebung abgegeben, sondern zur Erhöhung des
Temperaturniveaus des ersten Kühlkreislaufes 10 verwendet. D.h., dass das Kühlmedium
die von dem Elektromotor 4 abgegebene Abwärme bis zum Erreichen eines definierten
Temperaturniveaus aufnimmt und vorzugsweise an den Verbrennungsmotor 2 abgibt, um
diesen im Wesentlichen kontinuierlich auch während eines Nichtbetriebes des Verbrennungsmotors
2 vorzuwärmen.
[0061] Eine zur Kühleinrichtung 6 vergleichbare Kühleinrichtung 7 sowie auch eine Leistungselektronikeinheit
5 sind gemäß der Fig.1 mit dem zweiten Kühlkreislauf 20 verbunden. Über Leitungen
20a und 20b wird ein Kühlmedium zwischen der Kühleinrichtung 7 und der Leistungselektronikeinheit
5 transportiert, um beispielsweise durch den Betrieb der Leistungselektronikeinheit
5 erzeugte Abwärme aufzunehmen und über die Leitung 20a zu der Kühleinrichtung 7 zu
transportieren.
[0062] Insbesondere bei einem geschlossenen bzw. deaktivierten Ventil 8 bzw. Ventilelement
8 findet keine Wirkverbindung über das Verbindungselement 9 zwischen dem ersten Kühlkreislauf
10 und dem zweiten Kühlkreislauf 20 statt. Somit wird die von der Leistungselektronikeinheit
5 erzeugte Abwärme direkt an die Kühleinrichtung 7 mittels des Kühlmediums transportiert
und von diesem an die Umgebung abgegeben. Demnach arbeitet auch die Kühleinrichtung
7 des zweiten Kühlkreislaufes 20 als eine Art Wärmetauscher, um die dem Kühlmedium
entzogen Wärme an die Umgebung abzugeben, damit das Kühlmedium beispielsweise über
die Leitung 20b zurück zum Verbraucher 5, d.h. der Leistungselektronikeinheit 5 transportiert
werden kann, um dort erneut Abwärme der Leistungselektronikeinheit 5 aufnehmen zu
können.
[0063] Der dritte Kühlkreislauf 30 bildet sich vornehmlich bei einem aktivierten bzw. geöffneten
Ventilelement 8, welches eine Wirkverbindung, d.h. einen Fluss bzw. eine Bewegung
des Kühlmediums aus dem ersten Kühlkreislauf 10 zum zweiten Kühlkreislauf 20 und zurück
bzw. aus dem zweiten Kühlkreislauf 20 zum ersten Kühlkreislauf 10 und zurück ermöglicht.
[0064] Dabei fließen die Kühlmedien der Kühlkreisläufe 10 und 20 über ein Verbindungselement
9, welches vorzugsweise aus zwei die Kühlmedien transportierende Leitungen 9a und
9b aufweist.
[0065] Infolgedessen besteht der dritte Kühlkreislauf 30 aus dem ersten Kühlkreislauf 10,
dem zweiten Kühlkreislauf 20 und dem Verbindungselement 9 und dementsprechend aus
den Leitungen 10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b, 9a, 9b der Kühlkreisläufe 10, 20, 30.
[0066] Zur Messung von Temperaturen an den Verbrauchern 2, 3, 4,5 bzw. Temperaturniveaus
der Kühlkreisläufe 10, 20, 30 werden vorzugsweise Wärmesensoren (hier nicht gezeigt)
verwendet, welche entweder direkt im Bereich eines Verbrauchers 2, 3, 4, 5 oder an
einer Leitung 10a, 10b, 10c, 10d, 20a, 20b, 9a, 9b einer der Kühlkreisläufe 10, 20,
30 angeordnet sein können.
[0067] Des Weiteren können Lüftungselemente 11, 12 an den Kühlkreisläufen 10, 20, 30 und
vorzugsweise im Bereich der Kühleinrichtungen 6 und 7 angeordnet sein, um beispielsweise
die von den Kühleinrichtungen 6 und 7 an die Umgebung abgegebene Wärme derart zu verteilen
bzw. wegzuleiten, dass diese nicht in Richtung der Verbraucher 2, 3, 4, 5 bewegt wird,
welche gegebenenfalls gekühlt werden sollen.
[0068] Gemäß der Ausführungsform der Fig.1 wird in einem rein elektrischen Betrieb, d.h.
während der Zeitdauer, in welcher lediglich der Elektromotor 4 aktiv ist, die Abwärme
des Elektromotors 4 bei einem geschlossenen Ventilelement 8 über den ersten Kühlkreislauf
10 und bei einem geöffneten Ventilelement 8 über den dritten Kühlkreislauf 30 an den
Verbrennungsmotor 2 übertragen, um diesen vorzuwärmen. Ebenfalls wird die Abwärme
der Leistungselektronikeinheit 5 bei einem geöffneten Ventilelement 8 über den dritten
Kühlkreislauf 30 ebenso an den Verbrennungsmotor 2 zum Vorwärmen des Letzteren übertragen.
[0069] Der Elektromotor 4 und die Leistungselektronikeinheit 5 werden bei einem geöffneten
Ventilelement 8 zudem durch zwei Kühleinrichtungen 6 und 7 gekühlt, wodurch der Wirkungsgrad
dieser Verbraucher 4 und 5 erhöht werden kann.
[0070] In der Fig.2 ist eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Antriebseinheit 1 gezeigt, welche sich von der Ausführungsform der Fig.1 dahingehend
unterscheidet, dass der Elektromotor 4 und der Generator 3 mit dem zweiten Kühlkreislauf
20 der Leistungselektronikeinheit 5 verbunden sind. Über ein auch durch die entsprechenden
Leitungen 20b, 20d des zweiten Kühlkreislaufes 20 fließendes Kühlmedium wird die Abwärme
der sich in Betrieb befindlichen Verbraucher 3 und/oder 4 an die Kühleinrichtung 7
transportiert.
[0071] Befindet sich lediglich der Elektromotor 4 und die Leistungselektronik 5 in Betrieb,
um das Fahrzeug anzutreiben, wird beispielsweise das Ventilelement 8 geöffnet, um
eine Wirkverbindung mit dem ersten Kühlkreislauf 10 herzustellen, mit welchem nun
lediglich der Verbrennungsmotor 2 verbunden ist.
[0072] Der Elektromotor 4 und die Leistungselektronik 5 sind folglich über den dritten Kühlkreislauf
30 mit dem Verbrennungsmotor 2 verbunden, um diesen mittels deren Abwärme, welche
über das Kühlmedium bzw. die Kühlmedien transportiert wird, vorzuwärmen und demzufolge
gleichzeitig mittels zweier Kühlkreisläufe gekühlt zu werden.
[0073] Gemäß der Ausführungsform der Fig.2 wird der Verbrennungsmotor 2 folglich im Wesentlichen
indirekt über den dritten Kühlkreislauf durch die Abwärme der Verbraucher 4 und 5
vorgewärmt, um bei einer Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 2 optimierte Emissions-und
Verbrauchswerte zu ermöglichen.
[0074] Nach Erreichen einer Maximaltemperatur des zweiten Kühlkreislaufes 20, wird das Ventilelement
8 vorzugsweise geschlossen und der erste Kühlkreislauf 10 von dem zweiten Kühlkreislauf
20 getrennt bzw. abgekoppelt, um eine Überhitzung des elektrischen Systems 4, 5 bzw.
der Leistungselektronikeinheit 5 und/oder der Elektromotors 4 zu verhindern.
[0075] Dies ist ebenso bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 gemäß
der Fig.1 möglich.
[0076] Vorzugsweise wird der erste Kühlkreislauf 10 als Hochtemperaturkreislauf 10 und der
zweite Kühlkreislauf 20 als Niedertemperaturkreislauf 20 bezeichnet.
[0077] Der Hochtemperaturkreislauf 10 kann vorzugsweise ein höheres Temperaturniveau aufweisen,
als der Niedertemperaturkreislauf 20.
[0078] Die Anmelderin behält sich vor sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten
Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination
gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste
[0079]
- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Generator
- 4
- Elektromotor
- 5
- Leistungselektronikeinheit mit
- 6, 7
- Kühleinrichtung
- 8
- Ventilelement
- 9
- Verbindungselement
- 10
- erster Kühlkreislauf
- 11, 12
- Lüftungselement
- 20
- zweiter Kühlkreislauf
- 30
- dritter Kühlkreislauf
1. Antriebseinheit (1) zum Antreiben eines mit elektrischer Energie antreibbaren Fahrzeuges
mit mindestens einem das Fahrzeug antreibenden Elektromotor (4), mindestens einem
die elektrische Energie erzeugenden Generator (3), mindestens einem den Generator
(3) antreibenden Verbrennungsmotor (2) und mindestens einer Leistungselektronikeinheit
(5) zum Ansteuern und/oder Regeln des Elektromotors (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest der Verbrennungsmotor (2) und die Leistungselektronikeinheit (5) mit jeweils
einem eine eigene Kühleinrichtung (6, 7) aufweisenden Kühlkreislauf (10, 20) verbunden
sind, wobei der erste Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors (2) und der zweite
Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) über ein Verbindungselement
(9) in Wirkverbindung zur Ausbildung eines gemeinsamen dritten Kühlkreislaufes (30)
miteinander stehen und zumindest der Elektromotor (4) derart mit einem der Kühlkreisläufe
(10, 20, 30) verbunden ist, dass die durch den Betrieb des Elektromotors (4) entstehende
und über mindestens einen der Kühlkreisläufe (10, 20, 30) transportierte Abwärme zum
Vorwärmen des Verbrennungsmotors (2) verwendbar ist.
2. Antriebseinheit gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem Verbindungselement (9) ein Ventilelement (8) angeordnet ist, um die Wirkverbindung
zwischen dem ersten Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors (2) und dem zweiten
Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) zu unterbrechen bzw. zu ermöglichen.
3. Antriebseinheit gemäß einem der Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest der Elektromotor (4) mit dem ersten Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors
(2) zum im Wesentlichen direkten Vorwärmen des Verbrennungsmotors (2) oder mit dem
zweiten Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) zum im Wesentlichen
indirekten Vorwärmen des Verbrennungsmotors (2) über den dritten Kühlkreislauf (30)
verbunden ist.
4. Antriebseinheit gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generator (3) zusammen mit dem Elektromotor (4) mit dem ersten Kühlkreislauf (10)
des Verbrennungsmotors (2) oder mit dem zweiten Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit
(5) verbunden ist.
5. Antriebseinheit gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generator (3) getrennt von dem Elektromotor (4) mit dem ersten Kühlkreislauf (10)
des Verbrennungsmotors (2) oder mit dem zweiten Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit
(5) verbunden ist.
6. Verfahren zum Vorwärmen eines Verbrennungsmotors (2) einer Antriebseinheit (1) zum
Antreiben eines mit elektrischer Energie antreibbaren Fahrzeuges, wobei die Antriebseinheit
(1) zudem mindestens einen die elektrische Energie erzeugenden Generator (3) und mindestens
eine Leistungselektronikeinheit (5) zum Ansteuern und/oder Regeln des Elektromotors
(4) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest der Verbrennungsmotor (2) und die Leistungselektronikeinheit (5) mit jeweils
einem eine eigene Kühleinrichtungen (6, 7) aufweisenden Kühlkreislauf (10, 20) verbunden
werden, wobei der erste Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors (2) und der zweite
Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) über ein Verbindungselement
(9) in Wirkverbindung zur Ausbildung eines gemeinsamen dritten Kühlkreislaufes (30)
miteinander stehen und zumindest der Elektromotor (4) derart mit einem der Kühlkreisläufe
(10, 20, 30) verbunden wird, dass die durch den Betrieb des Elektromotors (4) entstehende
Abwärme über mindestens einen der Kühlkreisläufe (10, 20, 30) transportiert und zum
Vorwärmen des Verbrennungsmotors (2) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (4) bei einer Verbindung mit dem ersten Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors
(2) den Verbrennungsmotor (2) im Wesentlichen direkt über den ersten Kühlreislauf
(10) erwärmt.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (4) bei einer Verbindung mit dem zweiten Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit
(5) den Verbrennungsmotor (2) im Wesentlichen indirekt über den dritten Kühlkreislauf
(30) erwärmt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein an dem Verbindungselement (9) angeordnetes Ventilelement (8) während eines reinen
Betriebes des Elektromotors (4) geöffnet wird, um zumindest die Leistungselektronikeinheit
(5) zusätzlich mit dem ersten Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors (2) zu kühlen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein an dem Verbindungselement (9) angeordnetes Ventilelement (8) geschlossen wird,
wenn der zweite Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) während des
Betriebes des Verbrennungsmotors (2) eine Temperatur oberhalb eines definierten Maximaltemperaturniveaus
aufweist.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 137(2) EPÜ.
1. Antriebseinheit (1) zum Antreiben eines mit elektrischer Energie antreibbaren Fahrzeuges
mit mindestens einem das Fahrzeug antreibenden Elektromotor (4), mindestens einem
die elektrische Energie erzeugenden Generator (3), mindestens einem den Generator
(3) antreibenden Verbrennungsmotor (2) und mindestens einer Leistungselektronikeinheit
(5) zum Ansteuern und/oder Regeln des Elektromotors (4), wobei
zumindest der Verbrennungsmotor (2) und die Leistungselektronikeinheit (5) mit jeweils
einem eine eigene Kühleinrichtung (6, 7) aufweisenden Kühlkreislauf (10, 20) verbunden
sind, wobei der erste Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors (2) und der zweite
Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) über ein Verbindungselement
(9) in Wirkverbindung zur Ausbildung eines gemeinsamen dritten Kühlkreislaufes (30)
miteinander stehen und zumindest der Elektromotor (4) derart mit einem der Kühlkreisläufe
(10, 20, 30) verbunden ist, dass die durch den Betrieb des Elektromotors (4) entstehende
und über mindestens einen der Kühlkreisläufe (10, 20, 30) transportierte Abwärme zum
Vorwärmen des Verbrennungsmotors (2) verwendbar ist
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generator (3) zusammen mit dem Elektromotor (4) mit dem ersten Kühlkreislauf (10)
des Verbrennungsmotors (2) oder mit dem zweiten Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit
(5) verbunden ist und/oder der Generator (3) getrennt von dem Elektromotor (4) mit
dem ersten Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors (2) oder mit dem zweiten Kühlkreislauf
(20) der Leistungselektronikeinheit (5) verbunden ist.
2. Antriebseinheit gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem Verbindungselement (9) ein Ventilelement (8) angeordnet ist, um die Wirkverbindung
zwischen dem ersten Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors (2) und dem zweiten
Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) zu unterbrechen bzw. zu ermöglichen.
3. Antriebseinheit gemäß einem der Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest der Elektromotor (4) mit dem ersten Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors
(2) zum im Wesentlichen direkten Vorwärmen des Verbrennungsmotors (2) oder mit dem
zweiten Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) zum im Wesentlichen
indirekten Vorwärmen des Verbrennungsmotors (2) über den dritten Kühlkreislauf (30)
verbunden ist.
4. Verfahren zum Vorwärmen eines Verbrennungsmotors (2) einer Antriebseinheit (1) zum
Antreiben eines mit elektrischer Energie antreibbaren Fahrzeuges, wobei die Antriebseinheit
(1) zudem mindestens einen die elektrische Energie erzeugenden Generator (3) und mindestens
eine Leistungselektronikeinheit (5) zum Ansteuern und/oder Regeln des Elektromotors
(4) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest der Verbrennungsmotor (2) und die Leistungselektronikeinheit (5) mit jeweils
einem eine eigene Kühleinrichtungen (6, 7) aufweisenden Kühlkreislauf (10, 20) verbunden
werden, wobei der erste Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors (2) und der zweite
Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) über ein Verbindungselement
(9) in Wirkverbindung zur Ausbildung eines gemeinsamen dritten Kühlkreislaufes (30)
miteinander stehen und zumindest der Elektromotor (4) derart mit einem der Kühlkreisläufe
(10, 20, 30) verbunden wird, dass die durch den Betrieb des Elektromotors (4) entstehende
Abwärme über mindestens einen der Kühlkreisläufe (10, 20, 30) transportiert und zum
Vorwärmen des Verbrennungsmotors (2) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (4) bei einer Verbindung mit dem ersten Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors
(2) den Verbrennungsmotor (2) im Wesentlichen direkt über den ersten Kühlreislauf
(10) erwärmt.
6. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (4) bei einer Verbindung mit dem zweiten Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit
(5) den Verbrennungsmotor (2) im Wesentlichen indirekt über den dritten Kühlkreislauf
(30) erwärmt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein an dem Verbindungselement (9) angeordnetes Ventilelement (8) während eines reinen
Betriebes des Elektromotors (4) geöffnet wird, um zumindest die Leistungselektronikeinheit
(5) zusätzlich mit dem ersten Kühlkreislauf (10) des Verbrennungsmotors (2) zu kühlen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein an dem Verbindungselement (9) angeordnetes Ventilelement (8) geschlossen wird,
wenn der zweite Kühlkreislauf (20) der Leistungselektronikeinheit (5) während des
Betriebes des Verbrennungsmotors (2) eine Temperatur oberhalb eines definierten Maximaltemperaturniveaus
aufweist.