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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektroantrieb für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einem derartigen Elektroantrieb ausgestattetes Kraftfahrzeug.
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Um stetig steigenden Umweltauflagen gerecht zu werden, muss neben einem CO2-Ausstoß auch ein Kraftstoffverbrauch zukünftig stark reduziert werden. Aus diesem Grund werden vermehrt auch Elektrofahrzeuge eingesetzt werden, bei welchen jedoch aufgrund der vorhandenen Batterietechnologien eine Reichweite begrenzt ist. So genannte Range-Extender-Konzepte, bei welchen Verbrennungsmotoren die Elektromotoren unterstützen und dadurch eine Reichweite vergrößern, sind daher auf längere Sicht unumgänglich. Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren/Brennkraftmaschinen liegt jedoch üblicherweise bei nur ca. 35–40%, was deren Einsatz in Elektrofahrzeugen zur Erzeugung von elektrischer Energie für einen Elektromotor des Elektrofahrzeugs ökologisch fragwürdig erscheinen lässt.
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Aus der
US 5,789,824 ist ein Hybridfahrzeug bekannt, bei welchem die elektrische Energie für einen elektrischen Antrieb des Hybridfahrzeuges von einem turbinengetriebenen Generator erzeugt wird.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine deutlich vergrößerte Reichweite auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Elektroantrieb für ein Kraftfahrzeug eine deutliche Reichweitensteigerung dadurch zu erreichen, dass eine aufgeladene Brennkraftmaschine vorgesehen wird, wobei die Ladeeinrichtung der Brennkraftmaschine, das heißt der Abgasturbolader, zum Laden einer Batterie und/oder zu einer direkten Versorgung eines Elektromotors des Kraftfahrzeuges mit elektrischer Energie ausgebildet ist. Ein derartiges Range-Extender-Konzept zur Reichweitensteigerung bietet den besonderen Vorteil, dass die Abgasenergie der Brennkraftmaschine doppelt genutzt werden kann, und zwar einmal zur Aufladung und Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine selbst und zum anderen zur Stromgewinnung und dadurch zur Steigerung der Leistung des Elektromotors oder zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie. Durch den von der Brennkraftmaschine erzeugte Abgasdruck und die Abgasgeschwindigkeit ist der Abgasturbolader in der Lage, nur über die Abgasenergie einen hohen Strom, das heißt eine hohe elektrische Leistung (zum Beispiel 360 V × 100 A) zu erzeugen. Wird ein Generator dabei direkt an einer Welle des Abgasturboladers angebunden, so wird kein zusätzliches Übersetzungsgetriebe bzw. keine mechanische Kopplung benötigt, was wiederum Gewichtsvorteile und damit ebenfalls eine Reichweitensteigerung bewirkt. Die Fahrzeugbatterie kann beispielsweise als Lithium-Batterie ausgebildet sein und durch den im Bereich des Abgasturboladers angeordneten Generator schnell aufgeladen werden. Insgesamt kann somit eine im Vergleich zu bisherigen rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen deutlich erhöhte Reichweite erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, ist der Generator in einem Lagergehäuse des Abgasturboladers zwischen einer Turbinenseite und einer Verdichterseite angeordnet. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass der Generator direkt mit der Welle des Abgasturboladers koppelbar ist und zudem geschützt im Lagergehäuse angeordnet werden kann. Die Anordnung des Generators im Lagergehäuse des Abgasturboladers bietet darüber hinaus Package-Vorteile, was aufgrund der immer enger werdenden Bauraumsituation in modernen Motorräumen von großem Vorteil ist. Selbstverständlich ist auch eine verdichterseitige Anordnung des Generators durch eine entsprechende Verlängerung der Welle des Abgasturboladers denkbar. Der Generator ist dabei üblicherweise als so genannter Hochgeschwindigkeitsgenerator ausgebildet und dadurch in der Lage, die im Abgasturbolader auftretenden hohen Rotationsgeschwindigkeiten ohne entsprechendes Übersetzungsgetriebe zu verarbeiten und andererseits daraus eine hohe elektrische Leistung zu erzeugen. Die Welle des Abgasturboladers kann dabei turbinen- und verdichterseitig über ein ölgeschmiertes Keramiklager und im Bereich des Generators magnetisch gelagert sein. Die magnetische Lagerung stellt dabei ein verschleißfreies Lager dar, wodurch die Lebenserwartung des Generators generell verlängert werden kann.
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Zweckmäßig ist ein zweiter Generator vorgesehen, der mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist. Über eine mechanische Anbindung des zweiten Generators kann somit parallel zum abgasgetriebenen Generator auch noch die Kurbelwellenenergie der Brennkraftmaschine zur Stromgewinnung herangezogen werden, wodurch die Abgasenergie und zugleich auch die mechanische Rotationsenergie der Brennkraftmaschine zur Stromgewinnung genutzt werden können. Beide Generatoren können dabei alternativ oder parallel aktiv geschaltet werden und im aktiv geschalteten, das heißt im stromerzeugenden, Zustand den Elektromotor und/oder die Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie versorgen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, sind der Abgasturbolader und der Generator und/oder der zweite Generator in die Brennkraftmaschine integriert. Hierdurch lässt sich ein besonders großer Package-Vorteil erzielen, der darüber hinaus lange und damit aufwändige und teure Leitungen, beispielsweise Strom- oder Abgasführung erübrigt. Von besonderem Vorteil ist hierbei auch, dass im Wartungsfall die gesamte Baugruppe, bestehend aus Brennkraftmaschine, Abgasturbolader und Generatoren komplett und damit einfach ausgetauscht und gewartet werden können. Die Brennkraftmaschine weist üblicherweise ca. 100–800 cm3 Hubraum sowie einen bis drei Zylinder auf und ist bezüglich ihres optimalen Arbeitspunktes derart ausgelegt, dass in diesem sowohl der Abgasturbolader als auch zumindest einer der beiden Generatoren ein Leistungsmaximum aufweisen. Hierdurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad und damit eine deutliche Steigerung der Reichweite eines mit einem derartigen Elektroantrieb ausgestatteten Kraftfahrzeuges erreicht werden.
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Die vergleichsweise kleine Brennkraftmaschine ist dabei üblicherweise nicht zu einem direkten mechanischen Antrieb des Kraftfahrzeuges ausgelegt, sondern lediglich zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen, kann jedoch unter Umständen bei einer entsprechenden Auslegung auch zum mechanischen, das heißt verbrennungsmotorischen Antrieb, des Kraftfahrzeuges genutzt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen erfindungsgemäßen Elektroantrieb für ein Elektrofahrzeug,
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2 eine Draufsicht auf eine Verbrennungsmotor-Abgasturbolader-Generatorbaugruppe,
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3 eine Schnittdarstellung durch die Baugruppe gemäß der 2.
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Entsprechend den 1–3, weist ein erfindungsgemäßer Elektroantrieb 1 für ein lediglich ausschnittsweise dargestelltes Kraftfahrzeug 2 einen Elektromotor 3 zum Antrieb des Kraftfahrzeuges 2 auf sowie eine durch wenigstens einen Abgasturbolader 4 aufgeladene Brennkraftmaschine 5 zur Reichweitensteigerung bzw. -vergrößerung. Erfindungsgemäß ist dabei ein mit dem Abgasturbolader 4 antriebsgekoppelter Generator 6 vorgesehen, der zum Laden einer Fahrzeugbatterie 7 und/oder zu einer direkten Versorgung des Elektromotors 3 mit elektrischer Energie ausgebildet ist. Ein Abgasstrang 8 der Brennkraftmaschine 5 ist mit einer Turbine 9 des Abgasturboladers 4 verbunden, wobei der Generator 6 in einem Lagergehäuse 10 des Abgasturboladers 4, also zwischen einer Turbine 9 und einem Verdichter 11 angeordnet ist. Der Abgasstrang 8 ist darüber hinaus über ein Abgasrückführventil 12 mit einer Frischluftseite der Brennkraftmaschine 5 verbunden, ebenso wie eine Ausgangsseite des Verdichters 11. Zusätzlich kann selbstverständlich noch ein Ladeluftkühler 13 bzw. ein Luftfilter 14 vorgesehen sein. Die Turbine 9 ist ausgangsseitig mit einem Katalysator 15 und gegebenenfalls mit einem Nachkatalysator 15' strömungsverbunden.
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Die Reichweitensteigerung liegt darin begründet, dass das Abgas der Brennkraftmaschine 5, die beispielsweise zwischen 100 und 800 cm3 Hubraum und ca. 1–3 Zylindern aufweist, sowohl zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine 5 selbst als auch zur Erzeugung von elektrischer Energie durch den im Bereich des Abgasturboladers 4 angeordneten Generator 6 genutzt werden kann. Dabei muss der Generator 6 nicht, wie gemäß der 1 gezeigt ist, zwischen der Turbine 9 und dem Verdichter 11 angeordnet sein, sondern kann vielmehr auch hinter dem Verdichter 11 angeordnet werden. Der Generator 6 ist dabei vorzugsweise als so genannter Hochgeschwindigkeitsgenerator ausgebildet und dadurch in der Lage einerseits die im Abgasturbolader 4 auftretenden hohen Drehzahlen problemlos aufzunehmen und aus diesen eine hohe elektrische Energie zu erzeugen. Mit dem erfindungsgemäß im Bereich des Abgasturboladers 4 angeordneten Generators 6 kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 5 deutlich gesteigert und die Reichweite eines mit einem derartigen Elektroantrieb ausgestatten Kraftfahrzeugs 2 durch die vom Generator 6 erzeugte elektrische Energie deutlich gesteigert werden.
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Um dabei eine möglichst lange Lebensdauer des Abgasturboladers 4 und des Generators 6 erreichen zu können, kann eine Welle 16 des Abgasturboladers 4 turbinen- und verdichterseitig über ein ölgeschmiertes Keramiklager und im Bereich des Generators 6 magnetisch, das heißt verschleißfrei, gelagert sein.
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Generell kann der Generator 6 auch als so genannter Asynchrongenerator ausgebildet sein. Ebenfalls denkbar ist, dass ein zweiter Generator 6' vorgesehen ist, der mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 5 antriebsverbunden ist. Wie dabei insbesondere die 2 und 3 zeigen, können der Abgasturbolader 4 und der Generator 6 und/oder der zweite Generator 6' in die Brennkraftmaschine 5 integriert sein bzw. eine gemeinsame Baugruppe bilden, wodurch die Wartung und die Montage vereinfacht werden können. Zumindest einer der Generatoren 6, 6', vorzugsweise zumindest der Generator 6 im Bereich des Abgasturboladers 4, ist dabei wassergekühlt und insbesondere an einen Kühlkreislauf 17 angeschlossen, der zugleich auch den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 5 bildet. Durch die Einbindung des Generators 6 und/oder des Generators 6' in den Kühlkreislauf 17 der Brennkraftmaschine 5 kann ein Motorthermomanagement dargestellt werden, welches es ermöglicht, in einem erhöhten Temperaturbereich zu arbeiten und dadurch zusätzlich das Abgasverhalten zu verbessern.
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Die Brennkraftmaschine 5 erzeugt nur über ihren Abgasdruck und ihre Abgasgeschwindigkeit eine hohe elektrische Leistung (zum Beispiel 360 V × 100 A), wobei zugleich die Brennkraftmaschine 5 mechanisch über ihre Kurbelwelle und den damit verbundenen Generator 6' ebenfalls Strom erzeugen kann. Zur Ansteuerung des Stromgenerators 6 wird darüber hinaus kein Übersetzungsgetriebes bzw. keine mechanische Kopplung zur Kurbelwelle benötigt, wobei die hohe elektrische Leistung bei einem gleichzeitigen geringen CO2-Ausstoss und einem zugleich minimalen Kraftstoffverbrauch erreicht werden kann. Durch die hohe elektrische Leistung ist es generell möglich, den Elektromotor 3 direkt zu bestromen und/oder die Fahrzeugbatterie 7 schnell nachzuladen.
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Durch die Integration des Abgasturboladers 4 und der Generatoren 6 und 6' in einen Motorblock, das heißt in die Brennkraftmaschine 5, sind sehr kompakte und effiziente Range-Extender-Konzepte darstellbar. Über die mechanische Anbindung des zweiten Generators 6' kann darüber hinaus parallel zum abgasgetriebenen Generator 6 auch noch die Kurbelwellenenergie zur Stromgewinnung herangezogen werden, wodurch ebenfalls der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 5 verbessert werden kann. Die vergleichsweise klein dimensionierte Brennkraftmaschine 5 dient vorzugsweise ausschließlich zur Erzeugung elektrischer Energie üblicherweise nicht zum direkten, das heißt verbrennungsmotorischen, Antrieb des Kraftfahrzeuges 2. Bei einer entsprechenden Auslegung bzw. Dimensionierung der Brennkraftmaschine 5, kann diese jedoch in der Art eines Hybridantriebs ebenfalls eingesetzt werden. Betrieben wird die Brennkraftmaschine 5 beispielsweise mit Diesel, Benzin oder Gas. Eine optimale Drehzahl der Brennkraftmaschine 5 beträgt zum Beispiel ca. 2000 U/min, wogegen die Rotationsgeschwindigkeit des Abgasturboladers 4 bzw. der Welle 16 desselben auf ca. 30000 U/min ausgelegt ist. Durch die Ausbildung des Generators 6 als Asynchrongenerator ist ein besonders hoher Wirkungsgrad von ca. 94% darstellbar.
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Mit dem erfindungsgemäßen Elektroantrieb 1 kann somit eine Reichweite eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs 2 deutlich gesteigert werden, wobei zugleich der CO2-Ausstoß sowie der Kraftstoffverbrauch minimiert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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