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Die Erfindung betrifft eine elektrische Leistungsversorgung für die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Leistungsversorgung für die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5.
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Kraftfahrzeuge mit elektrischer Antriebsmaschine für den Traktionsbetrieb benötigen Hochleistungsbatterien, die aufgrund der in ihnen entstehenden Verlustwärme im Betrieb gekühlt werden müssen. In der Regel ist hierfür ein mit einer Flüssigkeit oder einem Gas betriebener Kühlkreislauf vorgesehen, der die Wärme insbesondere in einem Gehäuse der Batterie aufnimmt und abtransportiert, um diese Wärme in einem externen Kreislaufzweig mittels eines Wärmetauschers wieder abzugeben. Prinzipiell ist neben einem solchen geschlossenen Kühlkreislauf auch eine konvektive Kühlung mit offenem Kühlstrom, insbesondere Luftstrom, möglich.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 1 897 739 A1 schlägt vor, eine Batterie zum Antrieb eines Traktionsmotors unter dem Boden hinter einem Sitz zu positionieren und diese zusammen mit einem daneben positionierten elektrischen Gleichstromwandler mittels eines Luftstroms zu kühlen.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift 10 2010 028 728 A1 schlägt ferner vor, einen Energiespeicher für ein Antriebssystem, wie er beispielsweise in elektrisch betriebenen Straßenbahnen eingesetzt wird, um einen vorübergehenden Betrieb in einem Abschnitt ohne Oberleitungen zu ermöglichen, mittels eines Kühlkörpers zu kühlen und zwischen einer Energiespeichereinrichtung des Energiespeichers und dem Kühlkörper ein Peltier-Element anzuordnen, das als erste Kühlstufe wirkt, wohingegen der Kühlkörper als zweite Kühlstufe wirkt. Das Peltier-Element ist in üblicher Weise aus unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Materialien bzw. unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien aufgebaut und dazu ausgebildet, bei einem Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz zu erzeugen, sodass eine erste Seite des Peltier-Elements als Wärmequelle und eine entgegengesetzte zweite Seite als Wärmesenke wirkt. Zum Erzeugen des Stromflusses wird das Peltier-Element mit Hilfe von Anschlussleitungen an entsprechend geregelte Strom- bzw. Spannungsversorgungen angeschlossen.
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Nachteilig an den bekannten Ausführungsformen ist, dass der Anschluss des Peltier-Elementes an die übliche Spannungsversorgung einen zusätzlichen Stromverbrauch hieraus erzeugt und, wenn der Anschluss im Bereich des üblicherweise vorgesehenen Hochvolt-Spannungsnetzes der zu kühlenden Batterie erfolgen soll, ein entsprechender Umrichter zusätzlich eingesetzt werden muss.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Leistungsversorgung für die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere schienenungebundenen Fahrzeugs wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Bus anzugeben, bei welcher die genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondere soll eine energetisch optimale und trotzdem auch bei ungünstigen Umgebungstemperaturen stets ausreichende Kühlung der Traktionsbatterie angegeben werden. Ferner soll ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen elektrischen Leistungsversorgung dargestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine elektrische Leistungsversorgung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 5 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Leistungsversorgung für die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise reinen Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, das dann auch einen Verbrennungsmotor als zusätzliche Antriebsmaschine aufweist, wobei das Kraftfahrzeug insbesondere als nicht schienengebundenes Fahrzeug, wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Bus oder auch als Sonderfahrzeug ausgeführt ist, weist eine Batterie mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung der Batterie auf. Die Kühlvorrichtung umfasst wenigstens ein Peltier-Element, das zur Kühlung der Batterie in wärmeübertragender Verbindung mit dieser steht.
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Erfindungsgemäß ist der Batterie ein elektrischer Wandler mit einem elektrischen Energiespeicher zugeordnet und das Peltier-Element ist zu seiner Stromversorgung elektrisch mit dem elektrischen Energiespeicher des elektrischen Wandlers verbunden.
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Insbesondere ist der elektrische Wandler als Gleichspannungswandler ausgeführt. Beispielsweise kann er zwischen ein Hochvolt-Spannungsnetz mit der Batterie, die zur elektrischen Leistungsversorgung der Antriebsmaschine genutzt wird (Traktionsbatterie), und ein elektrisches Niedervolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs, das beispielsweise mit 12 V betrieben wird, wohingegen das Hochvolt-Spannungsnetz mit zum Beispiel 60 V–400 V oder mehr betrieben wird, geschaltet sein, um die Hochvoltspannung in die Niedervoltspannung zu konvertieren.
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Zwischen die Batterie (Traktionsbatterie) und die elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs ist vorteilhaft ein weiterer elektrischer Wandler geschaltet, der als Traktionswechselrichter bezeichnet wird und eine Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlung bewirkt, um die Antriebsmaschine mit Wechselstrom, insbesondere Drehstrom betreiben zu können.
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Der elektrische Wandler, insbesondere Gleichspannungswandler, aus welchem das wenigstens eine Peltier-Element mit Strom versorgt wird, weist als elektrischen Energiespeicher vorteilhaft einen Kondensator und/oder eine Spule auf oder der Energiespeicher umfasst eine Vielzahl von Kondensatoren und/oder Spulen.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass die Kühlvorrichtung ferner eine konvektive Kühleinrichtung und/oder einen ein Kühlmedium führenden Kühlkreislauf aufweist, die/der hinsichtlich der Wärmeübertragung aus der Batterie parallel oder in Reihe zu dem wenigstens einen Peltier-Element geschaltet ist. Die konvektive Kühleinrichtung, die insbesondere mit einem Luft- oder Gasstrom eine Kühlwirkung erzeugt, oder der ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder CO2, führende Kreislauf kann beispielsweise als Rückkühler für das wenigstens eine Peltier-Element verwendet werden. Insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen kann es jedoch auch günstig sein, das Peltier-Element als Rückkühler für die konvektive Kühleinrichtung und/oder den Kühlkreislauf zu verschalten.
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Selbstverständlich kann eine Vielzahl von Peltier-Elementen vorgesehen sein, um die Batterie direkt oder indirekt zu kühlen. Die Peltier-Elemente können hinsichtlich der Wärmeübertragung ebenfalls parallel oder in Reihe zueinander geschaltet sein.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Leistungsversorgung, bei welcher die Batterie mittels wenigstens eines Peltier-Elementes direkt oder indirekt gekühlt wird, sieht vor, die Bestromung des wenigstens einen Peltier-Elementes zumindest teilweise mit in dem elektrischen Wandler gespeicherter Energie auszuführen. Somit kann Strom, der als Reserve im insbesondere als Gleichstromwandler ausgeführten Wandler bei der Rekuperation gespeichert wird, beispielsweise, wenn das Fahrzeug abgebremst wird, erfolgen und es ist kein zusätzlicher Stromverbrauch für die Bestromung des wenigstens einen Peltier-Elementes oder der Vielzahl von Peltier-Elementen notwendig.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass die Bestromung des wenigstens einen Peltier-Elementes in Abhängigkeit einer erfassten oder berechneten Temperatur der Batterie erfolgt. Beispielsweise kann bei einer erfassten oder berechneten vergleichsweise niedrigen Temperatur, beispielsweise bei einer langzeitzulässigen Batterietemperatur, die unterhalb eines vorgegebenen konstanten oder variablen Grenzwertes liegt, die Bestromung des wenigstens einen Peltier-Elementes in regelmäßigen oder unregelmäßigen Intervallen oder gepulst erfolgen, und bei einer vergleichsweise hohen Temperatur, das heißt bei einer Temperatur der Batterie gleich dem oder größer als der Grenzwert, eine dauerhafte Bestromung des wenigstens einen Peltier-Elementes erfolgen. Hierdurch wird einerseits eine effiziente Kühlung der Batterie erreicht, da nur vergleichsweise wenig Abwärme an den Peltier-Elementen erzeugt wird und der Stromverbrauch gering ist, und zugleich kann die Kühlung der Batterie auch bei ungünstigen Randbedingungen gesichert werden.
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Günstig ist es, wenn die Leistungsabgabe und/oder die Leistungsaufnahme der Batterie variabel einstellbar ist, und die Temperaturdifferenz zwischen einer warmen Seite und einer kalten Seite des wenigstens einen Peltier-Elementes berechnet oder erfasst wird.
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Die Leistungsabgabe und/oder die Leistungsaufnahme der Batterie kann dann in Abhängigkeit der erfassten oder berechneten Temperaturdifferenz eingestellt werden.
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Wenn die Batterie neben der Kühlung durch das wenigstens eine Peltier-Element auch mittels einer konvektiven Kühleinrichtung und/oder mittels eines ein Kühlmedium führenden Kühlkreislauf direkt oder indirekt gekühlt wird, ist es ebenfalls günstig, wenn die Temperaturdifferenz zwischen einer warmen Seite und einer kalten Seite des wenigstens eine Peltier-Elementes berechnet oder erfasst wird. Die Kühlleistung der konvektiven Kühleinrichtung und/oder des Kühlkreislaufs kann dann in Abhängigkeit dieser Temperaturdifferenz eingestellt werden. Wenn beispielsweise die Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der warmen Seite mit der Zeit kleiner wird, so kann die Betriebsleistung (Leistungsabgabe und/oder Leistungsaufnahme) der Batterie reduziert werden und/oder der konvektive Wärmeübergang und/oder die Wärmeabfuhr über den Kühlkreislauf kann erhöht werden.
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Wenn die Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der warmen Seite mit der Zeit größer wird, kann beispielsweise die Betriebsleistung der Batterie erhöht werden und/oder die Wärmeabfuhr mit der konvektiven Kühleinrichtung oder dem Kühlkreislauf vermindert werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur exemplarisch erläutert werden.
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1 zeigt eine elektrische Leistungsversorgung, die gemäß der Erfindung ausgeführt ist, und bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann.
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Im Einzelnen ist in der 1 die elektrische Leistungsversorgung für eine Antriebsmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Antriebsmaschine 1 ist beispielsweise als Drehstrommotor ausgeführt und wird die über einen Traktionswechselrichter 14 aus einem Hochvolt-Spannungsnetz 11 mit einer Batterie 2 versorgt. Das Hochvolt-Spannungsnetz 11 ist über einen elektrischen Wandler 5, der als Gleichstromwandler ausgeführt ist, mit einem Niedervolt-Bordnetz 13 des Kraftfahrzeugs verbunden, damit auch das Niedervolt-Bordnetz 13 aus der Batterie 2 versorgt werden kann.
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Im Motorbremsbetrieb des Kraftfahrzeugs kann die Batterie 2 mit dem von der Antriebsmaschine 1 erzeugten Strom aufgeladen werden. Ebenso ist es möglich, den elektrischen Energiespeicher 6 des elektrischen Wandlers 5 mit Strom aufzuladen, der als Reserve gespeichert wird. Zur Speicherung im elektrischen Energiespeicher 6 des elektrischen Wandlers 5 sind hier beispielhaft ein Kondensator 7 und eine Spule 8 dargestellt. Jedoch ist es nicht zwingend notwendig, eine Spule und einen Kondensator als Energiespeicher vorzusehen und es können auch mehrere Kondensatoren und/oder mehrere Spulen oder einer oder mehrere andere Stromspeicher vorgesehen sein.
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Die Batterie 2 weist ein Gehäuse 16 auf, in dessen Innenraum eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen 15 zu einem Stapel zusammengefügt sind. Die Batterieeinzelzellen 15 sind geeignet miteinander elektrisch kontaktiert, entweder in einer Reihenschaltung oder in einer Parallelschaltung.
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Zur Kühlung des Innenraums des Gehäuses 16 der Batterie 2 ist ein Kühlkreislauf 9 in den Innenraum des Gehäuses 16 hineingeführt. Über den Kühlkreislauf 9, in welchem ein Kühlmedium zirkuliert, wird Wärme nach außen abgeführt.
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Ferner ist es möglich, die Batterie 2 bzw. deren Gehäuse 16 mit einer konvektiven Kühleinrichtung zu kühlen, hier mit 10 bezeichnet.
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Erfindungsgemäß sind Peltier-Elemente 4 zur Kühlung der Batterie 2 vorgesehen, die vorliegend außen auf dem Gehäuse 16 montiert sind. Alternativ oder zusätzlich wäre es jedoch auch möglich, Peltier-Elemente 4 im Innenraum des Gehäuses 16 zu positionieren.
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Die Stromversorgung der Peltier-Elemente 4 erfolgt aus dem elektrischen Energiespeicher 6 des elektrischen Wandlers 5, hier exemplarisch dargestellt durch eine elektrische Verbindung des einen Peltier-Elementes 4 mit dem Kondensator 7 und des anderen Peltier-Elementes 4 mit der Spule 8. Dies kann natürlich auch anders ausgeführt sein. Insbesondere können mehrere Peltier-Elemente 4 aus derselben Stromquelle, beispielsweise Kondensator 7 oder Spule 8, versorgt werden.
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Obwohl dies hier nicht dargestellt ist, ist es prinzipiell möglich, dass die Peltier-Elemente 4 auch aus dem Niedervolt-Bordnetz 13 und/oder dem Hochvolt-Spannungsnetz 11 und/oder einer anderen Stromquelle zusätzlich versorgt werden, insbesondere für den Fall, dass der elektrische Energiespeicher 6 im elektrischen Wandler 5 entladen ist.
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Obwohl die hier dargestellte Kühlvorrichtung 3 der Batterie 2 sowohl einen Kühlkreislauf 9 als auch eine konvektive Kühleinrichtung 10 aufweist, ist dies nicht zwingend notwendig. Vielmehr könnte nur eine der beiden Einrichtungen vorgesehen sein oder eine andere Art von Kühleinrichtung vorgesehen sein. Auch ist es möglich, ganz ohne diese zusätzlichen Kühleinrichtungen auszukommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1897739 A1 [0003]
- DE 102010028728 A1 [0004]
