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Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Fahrzeug-Elektroantriebs mit schwingungsdämpfenden Lagerungsmitteln und einer Vielzahl funktionaler Module, welche jeweils Teilfunktionen eines Elektroantriebs bereitstellen und jeweils ein formstabiles Gehäuse umfassen. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer solchen Anordnung.
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Elektrofahrzeuge benötigen für den Elektroantrieb eine Vielzahl funktionaler Module, um die einzelnen Teilfunktionen des Elektroantriebs bereitzustellen. Zu diesen funktionalen Modulen zählen beispielsweise ein Elektromotor, ein Elektroantrieb, ein Umrichter bzw. Leistungselektronik, eine Steuerung, Kühlmittelpumpen und -kompressoren, ein Ladegerät und eine Batterie. Insbesondere können dabei mehrere solcher Module eines Typs benötigt werden, beispielsweise mehrere Kühlmittelpumpen unterschiedlicher Durchflussrate und Kühlleistung.
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Die
DE 44 42 867 C2 beschreibt eine Antriebsanordnung für ein Elektrofahrzeug, bei dem mehrere voneinander separierbare Modul-Baueinheiten fest miteinander verbunden sind, um Elektroantriebe im Baukastensystem für eine Vielzahl von Elektrofahrzeugen bereitstellen zu können. Die Modul-Baueinheiten sind in ihrer Form aufeinander abgestimmt und axial aneinander anreihbar. Einzelne Modul-Baueinheiten enthalten Kühlmittel-Schnittstellenanschlüsse, sodass ein einheitlicher Kühlmittelkanal für die Anordnung bereitgestellt wird. Die Anordnung kann insbesondere an einer Drehwelle im Bereich der Radaufhängung gelagert werden.
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Durch die Bedeutung der Elektromobilität als Schlüsseltechnologie des 21 Jahrhunderts erfährt dieses Gebiet der Technik derzeit eine besonders dynamische Entwicklung. Während langfristig eine zunehmende Systemintegration der verschiedenen funktionalen Module in einen Block wünschenswert ist, muss kurz- und mittelfristig eine Anordnung mit kommerziell auf dem Markt verfügbarer Komponenten bereitgestellt werden. Einerseits würde eine komplette Neuentwicklung beträchtliche Entwicklungszeiten und -kosten verursachen, andererseits sind die Kompetenzen zur Verbesserung der diversen Komponenten über viele Firmen und Einrichtungen verteilt, sodass allein schon deshalb eine komplette Neuentwicklung aus Sicht des Projektmanagements aufwändig wäre. Ferner ist durch die unterschiedlichen Innovationszyklen der einzelnen Module eine Annordnung mit einzeln auf dem Markt verfügbaren Komponenten relativ flexibel anpassbar.
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Nach derzeitiger Praxis werden daher die einzelnen, für einen Fahrzeug-Elektroantrieb benötigten Module diverser Hersteller jeweils an geeigneter Stelle im Motorraum verbaut und entsprechend der funktionalen Verknüpfung elektrisch oder kühlmitteltechnisch miteinander verbunden. Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, verschiedene Module auf einen Hilfsrahmen schwingungsdämpfend zu lagern und zu montieren.
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In der 6 ist eine solche Anordnung 100 eines Fahrzeug-Elektroantriebs dargestellt, bei dem nach dem Stand der Technik verschiedene funktionale Module auf einem Hilfsrahmen 101 montiert sind. Die funktionalen Module stellen für die Funktionsweise des Elektroantriebs notwendigen Funktionen bereit, wobei nicht alle Module auch auf dem Hilfsrahmen 101 montiert sein müssen. Auf dem Hilfsrahmen 101 sind beispielhaft ein DC/DC-Wandler 113, ein Modul für die Leistungselektronik 114 und ein Steuergerät 119 mit einzelnen für die Module vorgesehene Kühlmittelpumpen 117A, 117B dargestellt. Weitere Module können auf dem Hilfsrahmen 101 oder an anderer freier und geeigneter Stelle im Fahrzeug, z. B. dem Motorraum, verbaut sein (nicht dargestellt). Zwischen dem Hilfsrahmen 101 und den Modulen sind schwingungsdämpfende Lagerungsmittel vorgesehen (nicht dargestellt). Die schwingungsdämpfende Lagerung ist deshalb so wichtig, weil einerseits Fahrzeugschwingungen einzelne Module, z. B. Pumpen, in ihrer Funktion beeinträchtigen können. Andererseits würden sich Vibrationen der funktionalen Module ihrerseits auf die Fahrzeugkarosserie negativ auswirken.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine schwingungsdämpfend gelagerte Anordnung eines Fahrzeug-Elektroantriebs der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche kostengünstig herzustellen ist und leicht zu montieren oder gegebenenfalls leicht nachrüstbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 und ein Fahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Module mittels einer Ummantelung, bei welcher an der Außenseite die schwingungsdämpfenden Lagerungsmittel ausgebildet sind, aneinander fixiert sind. Der von der Ummantelung gebildete Block kann als Ganzes gelagert werden, wodurch insbesondere die Montage vereinfacht wird. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht auch eine Integration gegebenenfalls herstellerabhängiger Module in einen Block. Solche Module können dabei vorgefertigt sein, sodass ihre Gehäuseformen nicht aufeinander abgestimmt sind. In diesem Fall werden die Module dicht aneinander angeordnet und/oder gestapelt und durch die Ummantelung derart fixiert, dass zwischen ihnen keine relativen Bewegungen oder Schwingungen auftreten können. Der Block kann allenfalls als Ganzes schwingen.
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Die Ummantelung ist vorzugsweise formstabil aus einem unelastischen Material gefertigt. Die Vielzahl der funktionalen Module wird dabei derart von der Ummantelung umgeben, dass diese in fixen Positionen relativ zueinander gehalten werden. Die Lagerungsmittel sind dabei beispielsweise einstückig mittels einer Gussverbindung mit der Ummantelung ausgebildet. Dies erhöht die Stabilität der Anordnung und ist leicht zu fertigen. Die Lagerung kann in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Art und Weise erfolgen, z. B. durch eine 2-Punkt-, 3-Punkt- oder 4-Punkt-Lagerung oder eine Pendellagerung. Bevorzugt sind lediglich drei Befestigungspunkte vorzusehen.
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Die Gehäuse der funktionalen Module stehen insbesondere in direktem physischem Kontakt miteinander. Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Oberfläche der Gehäuse der funktionalen Module unelastisch sind und zwischen zwei beliebigen funktionalen Modulen keine zusätzliche Dämpfungsmittel oder Lagerungsmittel ausgebildet sind, sodass durch Kontaktpunkte oder Kontaktflächen zwischen den unelastischen Oberflächen ein physischer Kontakt der funktionalen Module gebildet wird. Die Kombination der physischen Beschaffenheit und der Art der Anordnung der Module bewirkt, dass sich die Module durch ihre unelastischen, formstabilen Gehäuse in physischem Kontakt gegenseitig in fixer Position zueinander halten.
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Die physische Beschaffenheit ”unelastisch” ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die auftretenden Beschleunigungen und Vibrationen, die im gewöhnlichen Betrieb des Fahrzeugs auf die Anordnung wirken oder von ihr selber ausgehen, durch die Unelastizität der Oberflächen der Gehäuse oder der Ummantelung in Zusammenwirken mit dem physischen Kontakt untereinander und mit den Lagerungsmitteln eine zu alternativen, nach dem Stand der Technik bekannten Lagerungsmitteln vergleichbare Schwingungsdämpfung erzeugt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen wenigstens zwei der funktionalen Module einen gemeinsamen Stromkreis und/oder einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf auf. Hierdurch können Verbindungsteile zwischen den funktionalen Modulen und damit Kosten reduziert werden. Des Weiteren führt dies zu einer Vereinfachung der Anordnung innerhalb der Ummantelung, wobei insbesondere im Falle eines gemeinsamen Stromkreises die Kabelführung übersichtlicher wird und damit die Abschirmmaßnahmen für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) vereinfacht werden. Im Falle eines gemeinsamen Kühlmittelkreislaufs kann die Anzahl der Kühlmittelpumpen reduziert werden, was wiederum die Kosten reduziert und eine Effizienzsteigerung des gesamten Elektroantriebs bewirkt.
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Dabei können vorteilhafterweise die wenigstens zwei funktionalen Module mit gemeinsamen Kreislauf derart angeordnet sein, dass die Leitungslänge des gemeinsamen Stromkreises und/oder des gemeinsamen Kühlmittelkreislaufes im Bereich eines Minimums der Leitungslänge liegt. Dies kann die Materialkosten weiter senken und die Abschirmmaßnahmen für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) weiter vereinfachen.
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Eine Minimierung der Leitungslänge liegt im Sinne der Erfindung dann vor, wenn alternative Anordnungen, die unter kleinen Verschiebungen und/oder Drehungen der betreffenden Module untersucht werden, zu keiner Wesentlichen Verkleinerung der Leitungslänge führen. Dabei sei darauf hingewiesen, dass ”im Wesentlichen keine Verkleinerung” relativ geringe Verkleinerungen zulassen. Eine dazugehörige Anordnung kann beispielsweise aus anderen Gründen unvorteilhafter sein, z. B. weil dadurch die Form der Anordnung, insbesondere die Ausdehnung in eine Richtung, oder die elektromagnetische Ausstrahlcharakteristik Verschlechtert wird.
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Die Vielzahl der funktionalen Module können insbesondere in wenigstens zwei Dimensionen, besser noch in drei Dimensionen angeordnet werden. Dies erleichtert es, die funktionalen Module platzsparend anzuordnen und die Leitungslängen zu minimieren. Die Länge eines Leitungsabschnitts kann derart minimiert werden, dass der Leitungsabschnitt zwischen zwei funktionalen Modulen als Steckverbindung oder als Flansch ausgeführt ist, welches den Zusammenbau der Anordnung erleichtert und im Falle elektrischer Leitungen die elektromagnetische Verträglichkeit weiter steigert.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist in der Ummantelung ein Anschluss, insbesondere für Strom, Kühlmittel und/oder Steuerung, vorgesehen. Es können insbesondere je ein Anschluss einer dieser Kategorien vorgesehen sein, die beispielsweise in die Ummantelung gegossen sind. Dies vereinfacht den Aufbau der Anordnung nach außen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der Anschlüsse einer bestimmten Kategorie in der Ummantelung kleiner ist als die Anzahl der funktionalen Module mit einem entsprechenden Anschluss der jeweiligen Kategorie. Es werden in der Ummantelung beispielsweise nur ein einziger Anschluss für Strom und nur ein oder gegebenenfalls zwei Anschlüsse für den Kühlkreislauf vorgesehen. Dies ist nicht nur kostengünstig herzustellen, sondern macht die Anordnung auch übersichtlicher und vereinfacht die Montage.
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Die Gehäuse der funktionalen Module und/oder die Ummantelung sind beispielsweise aus einem unelastischen Kunststoff und/oder Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Diese Materialien sind für den genannten Einsatz zweckmäßig, da sie einerseits in Standardverfahren kostengünstig verarbeitet werden können, andererseits die nötigen Voraussetzungen bezüglich der Unelastizität mitbringen.
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Des Weiteren ist ein Fahrzeug mit einer solchen Anordnung ausgestattet, wobei die Anordnung mittels der Lagerungsmittel, insbesondere bei drei Befestigungspunkten, an einem Innenbereich der Karosserie gelagert ist.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug zu den Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Teil-Anordnung eines Fahrzeug-Elektroantriebs in einer ersten Phase des Zusammenbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung,
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2 zeigt die Teil-Anordnung des Fahrzeug-Elektroantriebs aus der 1 in einer zweiten Phase des Zusammenbaus gemäß dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung,
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3 zeigt die Anordnung des Fahrzeug-Elektroantriebs aus der 2 mit schematisch angedeuteter Ummantelung gemäß dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung,
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4 zeigt die Anordnung des Fahrzeug-Elektroantriebs aus der 2 in zusammengebautem Zustand mit Ummantelung und abgewandelten Lagerungsmitteln gemäß dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung,
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5 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit der in der 4 dargestellten Anordnung des Fahrzeug-Elektroantriebs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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6 zeigt eine Anordnung eines Fahrzeug-Elektroantriebs, bei dem nach dem Stand der Technik verschiedene funktionale Module auf einem Hilfsträger montiert sind.
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In den 1 bis 4 ist eine Anordnung 10 eines Fahrzeug-Elektroantriebs in verschiedenen Phasen des Zusammenbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Wie zuvor in Bezug zu der 6 in der Einleitung bereits erwähnt, handelt es sich nicht um eine vollständige funktionale Darstellung aller für den Elektroantrieb benötigten Module 11–19.
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Die Module 11–19 können ohne vorherige Designanpassung von verschiedenen Herstellern bezogen werden. Sie umfassen alle ein formstabiles Gehäuse aus einem unelastischen Kunststoff oder aus einer Aluminiumlegierung. Die Materialstärke der Gehäuse sowie das Elastizitätsmodul des Materials, insbesondere der Oberflächen der Gehäuse, ist dabei so bemessen, dass sich bei unbeabstandeter Anordnung dieser Module 11–19 bei einer Krafteinwirkung in der Größenordnung der durch Vibrationen und Fahrzeugbewegung zu erwartenden Kräfte weder die Gehäuse noch deren Oberflächen mehr als ein zulässiges Maß elastisch deformieren.
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In der 1 und 2 sind Teil-Anordnungen 10 des Fahrzeug-Elektroantriebs in einer ersten und zweiten Phase des Zusammenbaus gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die funktionalen Module 11–19 sind dreidimensional in physischem Kontakt aneinander angeordnet, sodass sich direkte Kontaktflächen K zwischen ihnen gebildet werden. Die Ansicht der 2 ist gegenüber der Ansicht der 1 gedreht dargestellt, sodass einzelne Module aus dem jeweiligen Blickwinkel verdeckt sein können. Zwischen den Module 11–19 sind keine zusätzlichen Dämpfungsmittel oder Lagerungsmittel angebracht.
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Ein Elektromotor 11 und ein Getriebe 12 sind in Längsrichtung der Antriebswelle 30 des Elektromotors 11 miteinander verbunden. Des Weiteren werden ein DC/DC-Wandler 13, ein Modul für Leistungselektronik 14, ein Unterdruckbehälter 15, ein Ladegerät 16, wenigstens eine Kühlmittelpumpe 17, ein Klimakompressor 18 und wenigstens ein Steuergerät 19 unter folgenden Vorgaben angeordnet:
Die funktionalen Module 11–19 sind so angeordnet, dass die Anschlüsse einer bestimmten Kategorie zwischen der Gesamtheit der Module 11–19 möglichst nahe beieinander liegen. Exemplarisch sind die Kühlmittelanschlüsse 25A, 25B sowie die Elektroanschlüsse 27A, 27B des Elektromotors 11 bzw. des Moduls der Leistungselektronik 14 dargestellt. Diese weisen z. B. einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf und einen gemeinsamen Stromkreis auf, sodass die Minimierung der Abstände der Anschlüsse zugleich eine Minimierung der Leitungslängen und somit eine Systemverbesserung und eine Kostenreduktion ermöglicht.
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Auch wenn die Verwendung von frei am Markt verfügbarer Module 11–19 ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, können die Gehäuse einzelner Module 11–19 durchaus. aufeinander abgestimmt sein, sodass Leitungslängen beispielsweise derart minimiert werden können, dass sie als Flansch 29 ausgeführt werden können und dabei auf externe Kabel- und Schlauchverbindungen verzichtet werden kann.
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Bei der so gestellten Minimierungsaufgabe kann beispielsweise eine Zielfunktion mit Strafpunkten gebildet werden, bei der je nach entstehender Leitungslänge zwischen zwei benachbarten Anschlüssen derselben Kategorie Strafpunkte vergeben werden. Des Weiteren kann die Zielfunktion auch das Volumen einer glatten Einhüllenden berechnen und auch hierfür Strafpunkte verteilen. Ferner kann auch für die aus der gegenseitigen Ausrichtung und Positionierung der Module 11–19 resultierende elektromagnetische Ausstrahlcharakteristik Strafpunkte verteilt werden. Die Optimierung kann dann z. B. mittels einer Computersimulation berechnet werden und somit eine optimale Anordnung erzielt werden.
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Bei der Anordnung können die Module 11–19 dabei zunächst vorfixiert werden, damit sich ihre Positionen auch ohne Ummantelung 20, auf die nun im Folgenden mit Bezug zu den 3 und 4 eingegangen wird, wenigstens für den Fall nicht verändert, wenn keine selbst erzeugten Vibrationen und von außen wirkende Kräfte durch die Fahrzeugbewegung auftreten.
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Die funktionalen Module 11–19 der Anordnung 10 werden nun gemäß 3 mittels einer Ummantelung 20 umgeben, sodass sie aneinander fixiert sind. Die Ummantelung 20 (in der 3 nur schematisch als transparente Hülle um Module 11–19 angedeutet) ist für diesen Zweck formstabil aus einem unelastischen Material gefertigt. Die Ummantelung 20 weist dabei insbesondere eine hinreichend große Wandstärke auf, dass sie einen adäquaten Gegendruck auf die in physischem Kontakt angeordneten Module 11–19 ausüben kann, wenn auf die Anordnung 10 Vibrationen während des Betriebs des Elektroantriebs und/oder Beschleunigungen während der Fahrt des Fahrzeugs 1, das durch den Elektroantrieb angetrieben wird, wirken. Die Ummantelung 20 ist z. B. mittels eines Scharniers aufklappbar (nicht dargestellt), sodass die Module 11–19 darin aneinander fixiert eingeführt werden können und anschließend die Ummantelung 20 unter Andruck verschlossen werden kann.
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An der Außenseite der Ummantelung 20 sind schwingungsdämpfende Befestigungselemente 21A–21C ausgebildet, sodass die gesamte Anordnung 10 als Ganzes lediglich über eine 3-Punkt-Lagerung im Fahrzeug 1 befestigbar ist. Dabei sind auch andere Lagerungen möglich, beispielsweise 2-Punkt-, 4-Punkt- oder Pendellagerungen. In der 4 ist beispielsweise das Befestigungselement 21C durch zwei seitliche Befestigungselemente 21D, 21E ersetzt.
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In der Ummantelung 20 sind zwei Anschlüsse 26 für Kühlmittel vorgesehen, die in die Ummantelung 20 gegossen sind. Die Kühlmittelkreisläufe mehrerer Module 11–19 können innerhalb der Ummantelung 20 miteinander verbunden sein und von Innen an die Anschlüsse 26 angeschlossen werden, sodass über den Anschluss 26 die gesamte Anordnung 10 von außen an einen Kühlmittelkreislauf anschließbar ist. Die Zahl der von außen anschließbaren Kühlmittelkreisläufe richtet sich dabei nach den jeweiligen Spezifikationen der einzelnen Kühlkreisläufe. Es können ein Kühlkreislauf oder auch mehrere Kühlkreisläufe vorgesehen sein, je nachdem, ob die benötigten Durchflussraten und Kühltemperaturen der einzelnen Module 11–19 miteinander vereinbar sind.
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In der Ummantelung 20 sind ferner mehrere Anschlüsse 28 für Strom vorgesehen, die als Anschlussblock in die Ummantelung 20 gegossen sind. Hierüber können elektrische Leitungen von außen angeschlossen werden, sodass die elektrischen Leitungen zwischen den Modulen 11–19 innerhalb der Ummantelung 20 geführt werden können.
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Die Anzahl der Anschlüsse 26, 28 ist geringer als die Anzahl der Anschlüsse des jeweiligen Typs innerhalb der Ummantelung 20. Die Anschlusszahl kann somit insgesamt verringert werden. Außerdem ist die Integration der Anschlüsse 26, 28 in die Ummantelung 20 vorteilhaft für die Montage, weil die Anordnung 10 als Ganzes gegebenenfalls z. B. gegen ein Antriebsaggregat eines Verbrennungsmotors ausgetauscht werden kann.
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In der 5 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung 10 dargestellt, die mittels der Befestigungselemente 21A, 21B an einem Innenbereich der Karosserie eines Fahrzeugs 1 gelagert ist. Die Anordnung 10 kann im Fahrzeug 1 an jeder Position eingebaut werden, an der auch ein Verbrennungsmotor üblicherweise verbaut würde, z. B. unter der Frontkühlerhaube oder im Heck des Fahrzeugs 1, ohne die Einbauposition hierauf zu beschränken.
