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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinheit zum Antreiben eines mit elektrischer Energie antreibbaren Fahrzeuges gemäß Anspruch 1 sowie auf ein Verfahren zum Vorwärmen eines Verbrennungsmotors dieser Antriebseinheit gemäß Anspruch 6.
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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.
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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.
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In beiden Fällen ist es möglich die Reichweite des Fahrzeuges von beispielsweise 30–100 km auf beispielsweise 200–400 km zu erhöhen.
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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 zugeschaltet bzw. aktiviert, wenn die Batterie zur Speisung des Elektromotors mit elektrischer Energie nicht mehr ausreichend elektrische Energie zur Verfügung stellen kann.
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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.
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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.
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JP 10238345 A offenbart zwar ein Kühlsystem für ein Hybridfahrzeug mit zwei zueinander trennbaren Kühlkreisläufen, wobei an dem ersten Kühlkreislauf eine Verbrennungsmaschine und an dem zweiten Kühlkreislauf ein Generator, ein Elektromotor sowie eine Leistungseinheit angeordnet sind, wobei beide Kühlkreisläufe jeweils einen eigenständigen Kühler aufweisen. Jedoch kann weder bei geöffneten noch bei geschlossenen Ventilen die Abwärme des Elektromotors zur Vorwärmung der Verbrennungsmaschine verwendet werden, da diese Abwärme in jedem Zustand der Ventile (offen/geschlossen/geschalten) lediglich an den Kühler des zweiten Kühlsystems übertragen und von diesem abgeführt wird. Des Weiteren ist kein dritter gemeinsamer Kühlkreislauf ausgebildet, welcher die Bestandteile des ersten und des zweiten Kühlkreislaufes aufweist.
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DE 10 2007 005 391 A beschreibt eine Kühleranordnung für Komponenten eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs mit zwei Kühlmittelkreisläufen, welche jeweils einen eigenen Kühler aufweisen, jedoch wird über Verbindungsleitungen ein dritter Kreislauf gebildet, welcher keinen Kühlkreislauf mit einem entsprechender Kühler darstellt, sondern lediglich den Elektromotor und den Verbrennungsmotor derart miteinander verbindet, dass die durch den Elektromotor abgegebene Wärme zu dem Verbrennungsmotor geleitet werden kann, um diesen folglich vorzuwärmen.
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DE 10 2010 000 342 A1 beschreibt nur einen dritten Kreislauf, welcher im Wesentlichen eigenständig zu dem ersten Kühlkreislauf und dem zweiten Kühlkreislauf gebildet wird, um eine reine Wärmeübertragung von einem ISC (Wechselrichter-Controller) zu einem Verbrennungsmotor zu realisieren.
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US 5 251 588 zeigt einen ersten Kühlkreislauf, zugeordnet einem Verbrennungsmotor, einen zweiten Kühlkreislauf, zugeordnet einer Leistungselektronik und einen dritten Kühlkreislauf, der einem Elektromotor zugeordnet ist. Jeder dieser Kühlkreisläufe weist dabei eine Kühleinrichtung auf. Um die Abwärme des Elektromotors zum Wärmen des Verbrennungsmotors nutzen zu können, können die Kühlkreisläufe gekoppelt werden, wobei keine der Kühleinrichtungen in diesem gekoppelten Kreislauf vorgesehen sind. Es wird dadurch kein gemeinsamer dritter Kühlkreislauf ausgebildet, der aus dem ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors und dem zweiten Kühlkreislauf der Leistungselektronik besteht. Hierdurch ist es nicht möglich, eine effiziente Kühlung der Leistungselektronik zu gewährleisten.
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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 eine Leistungselektronikeinheit des Fahrzeuges eine optimierte Kühlung erfährt.
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Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung mittels der Antriebseinheit gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren gemäß Anspruch 6.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Antriebseinheit zum Antreiben eines mit elektrischer Energie an treibbaren 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.
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Das Fahrzeug kann dabei, wie oben erwähnt, ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug aus den Bereichen der Kraftfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Zweiräder oder ähnlichem sein.
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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.
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Demzufolge findet ein zeitlich versetzter Betrieb von elektromotorischem Betrieb und verbrennungsmotorischem Betrieb statt. Vorzugsweise ist der Elektromotor auch bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors aktiv.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ebenfalls eine eigene Kühleinrichtung aufweist.
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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.
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D. h., aufgrund unterschiedlicher optimaler Temperaturbereiche des Verbrennungsmotors und der Leistungselektronikeinheit werden in dem Fahrzeug unterschiedliche Kühlkreisläufe mit unterschiedlichen Temperaturniveaus verbaut.
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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.
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Der dritte Kühlkreislauf setzt sich folglich aus dem ersten und dem zweiten Kühlkreislauf sowie dem Verbindungselement zusammen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 des 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.
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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.
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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.
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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.
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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 der 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.
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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.
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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.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Generator zusammen mit dem Elektromotor mit dem ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors oder mit dem zweiten Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinhalt verbunden.
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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.
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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.
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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.
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Demzufolge wäre beispielsweise der Generator mit dem ersten Kühlkreislauf des Verbrennungsmotor und der Elektromotor mit dem zweiten Kühlkreislauf der Leistungselektronikeinheit oder anders herum verbunden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Infolgedessen sind die Leistungselektronikeinheit, der Elektromotor und auch der Verbrennungsmotor gleichermaßen mit dem dritten Kühlkreislauf verbunden.
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Es ist 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit; und
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2 eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine zur Kühleinrichtung 6 vergleichbare Kühleinrichtung 7 sowie auch eine Leistungselektronikeinheit 5 sind gemäß der 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.
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Insbesondere bei einem geschlossenen bzw. deaktivierten Ventil 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß der Ausführungsform der 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.
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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.
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In der 2 ist eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 gezeigt, welche sich von der Ausführungsform der 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.
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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.
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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.
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Gemäß der Ausführungsform der 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.
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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.
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Dies ist ebenso bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebseinheit 1 gemäß der 1 möglich.
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Vorzugsweise wird der erste Kühlkreislauf 10 als Hochtemperaturkreislauf 10 und der zweite Kühlkreislauf 20 als Niedertemperaturkreislauf 20 bezeichnet.
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Der Hochtemperaturkreislauf 10 kann vorzugsweise ein höheres Temperaturniveau aufweisen, als der Niedertemperaturkreislauf 20.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Generator
- 4
- Elektromotor
- 5
- Leistungselektronikeinheit
- 6, 7
- Kühleinrichtung
- 8
- Ventilelement
- 9
- Verbindungselement
- 10
- erster Kühlkreislauf
- 11, 12
- Lüftungselement
- 20
- zweiter Kühlkreislauf
- 30
- dritter Kühlkreislauf
