DE102015225103A1 - Antriebsstrang für ein Fahrzeug - Google Patents

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    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/24—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the combustion engines
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Abstract

Antriebsstrang (1), insbesondere für ein Fahrzeug als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine Elektromaschine (6) zum Antrieb bzw. zur Traktion des Fahrzeuges (2), einen Kältekreis (14) mit einem Klimakompressor (19), einem Verdampfer (17), einem Kondensator (18) und einem Expansionsventil (16) zur Kühlung eines Innenraumes (5) des Fahrzeuges (2), eine Antriebseinheit zum mechanischen Antrieb des Klimakompressors (19), wobei die Elektromaschine (6) mit einem mechanischen Kompressor-Kopplungsmittel (20) mit dem Klimakompressor (19) mechanisch gekoppelt ist, so dass die Elektromaschine (19) zum Antrieb bzw. zur Traktion des Fahrzeuges (2) zusätzlich zum mechanischen Antrieb des Klimakompressors (19) dient.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstranges gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
  • Stand der Technik
  • Kraftfahrzeuge die nur von einem Verbrennungsmotor angetrieben sind, das heißt mit fossilem Brennstoff, wie beispielsweise Benzin oder Gas, weisen einen hohen Kraftstoffverbrauch auf. Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist es bekannt, Kraftfahrzeuge als Fahrzeuge entweder als Hybridfahrzeuge von einem Verbrennungsmotor und/oder einer Elektromaschine anzutreiben oder Fahrzeuge als reine Elektrofahrzeuge auszubilden, die ausschließlich von einer Elektromaschine angetrieben sind. Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge weisen bei dem Antrieb mit der Elektromaschine keine ausreichende Abwärme zum Erwärmen des Innenraums auf. Aufgrund des hohen Wirkungsgrads der Elektromaschine bei einem Betrieb als Elektromotor erreicht die an der Elektromaschine als Elektromotor anfallende Abwärme nicht aus, um den Innenraum zu erwärmen. Aus diesem Grund wird der Innenraum, bei einem Antrieb des Elektrofahrzeugs oder des Hybridfahrzeugs ausschließlich mit der Elektromaschine als Elektromotor, mit einer zusätzlichen elektrischen Widerstandsheizung erwärmt. In nachteiliger Weise ist deshalb eine zusätzliche aufwendige und kostspielige elektrische Widerstandsheizung, beispielsweise ein PTC-Zuheizer, notwendig.
  • Die Elektromaschine und die Leistungselektronik sind als gesonderte Baueinheiten mit getrennten Gehäusen für die Elektromaschine und die Leistungselektronik ausgebildet. Die Leistungselektronik wandelt den Gleichstrom aus einer Batterie in Wechselstrom um zum Betrieb des Elektromotors. Aus diesem Grund ist innerhalb des Fahrzeugs eine aufwendige Stromverbindung mit entsprechenden elektrischen Steckverbindern zwischen der Elektromaschine und der Leistungselektronik notwendig. Dies erfordert in nachteiliger Weise einen zusätzlichen Montageaufwand und weitere Bauteile und Komponenten. Die Elektromaschine ist von einem Kühlkreislauf mit Kühlflüssigkeitsleitungen gekühlt. Eine Umwälzpumpe wälzt Kühlflüssigkeit in dem Kühlkreislauf bzw. in den Kühlflüssigkeitsleitungen um, sodass dadurch die Abwärme der Elektromaschine an einem Umgebungsluftwärmeübertrager an die Luft der Umgebung abgegeben werden kann. In Hybridfahrzeugen ist außer diesem Kühlkreislauf als Niedertemperaturkühlkreislauf zur Kühlung der Elektromaschine auch noch ein Hochtemperaturkühlkreislauf vorhanden zur Kühlung des Verbrennungsmotors.
  • Zur Kühlung der dem Innenraum des Fahrzeugs zuzuführenden Luft, beispielsweise im Sommer bei hohen Außentemperaturen, ist ein Kältekreis vorhanden mit einem mechanischen Klimakompressor. Der mechanische Klimakompressor ist von einem gesonderten Elektromotor ausschließlich zum Antrieb des mechanischen Klimakompressors angetrieben. Dieser Elektromotor nur zum Antrieb des mechanischen Klimakompressors wird mit elektrischer Energie aus der Batterie angetrieben. Die Batterie ist im Allgemeinen eine Hochvolttraktionsbatterie mit der auch die Elektromaschine zum Antrieb des Fahrzeuges mit elektrischer Energie versorgt ist. In nachteiliger Weise ist dadurch ein zusätzlicher Elektromotor nur zum Antrieb des Klimakompressors notwendig.
  • Die DE 10 2009 060 860 A1 zeigt ein Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug mit zumindest einem Kältemittelkreis und zumindest einem Temperierkreislauf zum Temperieren eines Fahrzeuginnenraums und zumindest einer Fahrzeugkomponente, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, wobei zumindest eine Einrichtung zur Wärmeaufnahme von dem Temperierkreislauf und zumindest eine Einrichtung zur Wärmeabgabe an den Temperierkreislauf vorgesehen sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäßer Antriebsstrang, insbesondere für ein Fahrzeug als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine Elektromaschine zum Antrieb bzw. zur Traktion des Fahrzeuges, einen Kältekreis mit einem Klimakompressor, einem Verdampfer, einem Kondensator und einem Expansionsventil zur Kühlung eines Innenraumes des Fahrzeuges, eine Antriebseinheit zum mechanischen Antrieb des Klimakompressors, wobei die Elektromaschine zum Antrieb bzw. zur Traktion des Fahrzeuges mit einem mechanischen Kompressor-Kopplungsmittel mit dem Klimakompressor mechanisch gekoppelt ist, so dass die Elektromaschine zusätzlich zum mechanischen Antrieb des Klimakompressors dient und/oder die Elektromaschine, das Getriebe, der Klimakompressor, das Kompressor-Kopplungsmittel, vorzugsweise das Antriebs-Kopplungsmittel und vorzugsweise eine Leistungselektronik für die Elektromaschine zu einer Baueinheit zusammengefasst sind und/oder die Elektromaschine, das Getriebe, der Klimakompressor, das Kompressor-Kopplungsmittel, vorzugsweise das Antriebs-Kopplungsmittel und vorzugsweise die Leistungselektronik für die Elektromaschine innerhalb eines ein- oder mehrteiligen, gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind und/oder der Antriebsstrang einen hydraulischen Kühlkreislauf zur Kühlung der Elektromaschine umfasst und der Kühlkreislauf eine Kühlflüssigkeitsleitung zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit, eine Umwälzpumpe, einen Elektromaschinenwärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus der Elektromaschine in die Kühlflüssigkeit und einen Umgebungswärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus der Kühlflüssigkeit an die Umgebungsluft umfasst und/oder der Verdampfer des Kältekreises thermisch mit der Leistungselektronik verbunden ist zum Leiten von Abwärme aus der Leistungselektronik zu dem Verdampfer bzw. zum Kühlen der Leistungselektronik mit dem Verdampfer. Die Elektromaschine kann dadurch nicht nur zum Antrieb bzw. zur Traktion des Fahrzeugs eingesetzt werden, sondern zusätzlich auch zum Antrieb des mechanischen Klimakompressors. In vorteilhafter Weise ist dadurch kein zusätzlicher Elektromotor zum ausschließlichen Antrieb des Klimakompressors notwendig. Dadurch können die Kosten reduziert und das Gewicht des Antriebsstrangs verkleinert werden.
  • In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst das mechanische Kompressor-Kopplungsmittel eine Kompressor-Kupplung, so dass die mechanische Koppelung zwischen der Elektromaschine und dem Klimakompressor ein- und ausschaltbar ist und/oder das mechanische Kompressor-Kopplungsmittel umfasst eine Kompressorwelle. Die mechanische Kopplung zwischen dem Klimakompressor und der Elektromaschine zum Antrieb des Fahrzeugs kann damit ein- und ausgeschaltet werden bzw. ist einkuppelbar und auskuppelbar. Sofern bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen der Kältekreis zur Kühlung des Innenraums nicht benötigt wird und damit auch ein mechanischer Antrieb des Klimakompressors nicht notwendig ist, kann die mechanische Kopplung zwischen der Elektromaschine und dem Klimakompressor getrennt werden, sodass die von der Elektromaschine zur Verfügung gestellte mechanische Energie nicht zum Antrieb des Klimakompressors eingesetzt wird. Die mechanische Kopplung zwischen der Elektromaschine und dem Klimakompressor ist somit nur dann notwendig und vorhanden, falls der Klimakompressor betrieben wird.
  • In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst der Antriebsstrang ein mechanisches Antriebs-Kopplungsmittel zur mechanischen Koppelung der Elektromaschine mit wenigstens einem Antriebsrad.
  • Zweckmäßig umfasst das mechanische Antriebs-Kopplungsmittel ein mechanisches Getriebe und/oder eine Antriebswelle und/oder eine Antriebs-Kupplung. Die mechanische Koppelung zwischen der Elektromaschine und dem wenigstens einen Antriebsrad ist mit der Antriebs-Kupplung ein- und ausschaltbar.
  • In einer zusätzlichen Variante ist bei einer ausgekuppelten Antriebs-Kupplung und einer eingekuppelten Kompressor-Kupplung mit der mechanischen Energie der Elektromaschine ausschließlich der Klimakompressor antreibbar. Während des Parkens des Fahrzeugs, das heißt einem Stand des Fahrzeugs und einem Bedarf an Kühlung in dem Innenraum kann somit während der ausgekuppelten Antriebs-Kupplung und der eingekoppelten Kompressor-Kupplung die mechanische Energie der Elektromaschine ausschließlich an den Klimakompressor übertragen werden. Damit ist auch während des Parkens oder Stopps des Fahrzeugs eine Kühlung des Innenraums mittels des Kältekreises möglich, der von dem Klimakompressor angetrieben ist.
  • In einer ergänzenden Variante sind die Elektromaschine, das Getriebe, der Klimakompressor, das Kompressor-Kopplungsmittel, vorzugsweise das Antriebs-Kopplungsmittel und vorzugsweise eine Leistungselektronik für die Elektromaschine zu einer Baueinheit zusammengefasst und/oder die Elektromaschine, das Getriebe, der Klimakompressor, das Kompressor-Kopplungsmittel, vorzugsweise das Antriebs-Kopplungsmittel und vorzugsweise die Leistungselektronik für die Elektromaschine sind innerhalb eines ein- oder mehrteiligen, gemeinsamen Gehäuses angeordnet. In vorteilhafter Weise sind dadurch gesonderte Gehäuse, beispielsweise für die Elektromaschine das Getriebe, den Klimakompressor und die Leistungselektronik nicht notwendig. In dieser Baueinheit besteht auch bereits eine elektrische Verbindung zwischen der Leistungselektronik und der Elektromaschine, sodass zusätzliche Leitungen und elektrische Steckverbinder dadurch an dem Kraftfahrzeug außerhalb der Baueinheit hierfür nicht anfallen. Die Montage des Kraftfahrzeugs bzw. des Fahrzeugs kann dadurch erleichtert werden.
  • In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst der Antriebsstrang einen hydraulischen Kühlkreislauf zur Kühlung der Elektromaschine und der Kühlkreislauf umfasst eine Kühlflüssigkeitsleitung zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit, eine Umwälzpumpe, einen Elektromaschinenwärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus der Elektromaschine in die Kühlflüssigkeit und einen Umgebungswärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus der Kühlflüssigkeit an die Umgebungsluft. Der Kühlkreislauf zur Kühlung der Elektromaschine ist ein Niedertemperaturkühlkreislauf.
  • In einer ergänzenden Ausgestaltung ist in den Kühlkreislauf ein Heizungswärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus der Kühlflüssigkeit an in den Innenraum des Fahrzeuges einzuleitende Luft eingebaut. Die von der Elektromaschine abgegebene Abwärme kann dadurch mittels des Heizungswärmeübertragers an die in den Innenraum des Fahrzeugs einzuleitende Luft abgegeben werden. Die Abwärme der Elektromaschine kann damit in vorteilhafter Weise zum Heizen des Innenraums des Fahrzeugs verwendet werden, sodass dadurch elektrische Energie eingespart werden kann.
  • In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Steuerung und/oder Regelung der Elektromaschine mittels der Leistungselektronik bei einer vorgegebenen konstanten Drehzahl und einem konstanten Drehmoment der Elektromaschine dahingehend veränderbar, dass die von der Elektromaschine abgegebene Abwärme veränderbar, insbesondere vergrößerbar, ist, um ausreichend Abwärme aus der Elektromaschine für das Erwärmen der in den Innenraum des Fahrzeuges einzuleitenden Luft zu erhalten. Die von der Elektromaschine abgegebene Abwärme kann dadurch bei einem konstanten Betriebszustand der Elektromaschine verändert werden bzw. ist veränderbar und damit an den Wärmebedarf für den Innenraum des Fahrzeugs angepasst werden bzw. ist anpassbar. Dadurch steht aus der Abwärme der Elektromaschine genügend Wärme zum Erwärmen des Innenraums zur Verfügung, sodass dadurch in vorteilhafter Weise keine zusätzliche elektrische Widerstandsheizung zum Erwärmen der dem Innenraum zugeführten Luft notwendig ist. Sofern kein Bedarf an Wärme zum Erwärmen des Innenraums besteht oder die vorhandene Abwärme der Elektromaschine zum Erwärmen des Innenraums ausreichend ist, wird die Elektromaschine dahingehend betrieben, dass aus der zur Verfügung gestellten elektrischen Energie mit einem maximalen Wirkungsgrad ein Maximum an mechanischer Energie abgegeben wird. Sofern jedoch in diesem bezüglich der mechanischen Energie optimierten bzw. maximierten Steuerung und/oder Regelung der Elektromaschine die Abwärme der Elektromaschine zum Erwärmen des Innenraums nicht mehr ausreichend ist, wird von der Leistungselektronik die Steuerung und/oder Regelung der Elektromaschine dahingehend verändert, dass die Elektromaschine eine größere Abwärmemenge zur Verfügung stellt. Dies erfolgt durch eine entsprechende beispielsweise veränderte Bestromung der Elektromagnete des Stators, sodass dadurch bei gleichbleibender abgegebener mechanischer Energie mehr Abwärme an den Elektromagneten und/oder an dem Rotor zur Verfügung steht. In der Leistungselektronik und/oder in einer entsprechenden Recheneinheit ist hierzu eine entsprechende Software hinterlegt zur bedarfsweisen verlustleistungsmaximierten Steuerung und/oder Regelung der Elektromaschine. Konstruktiv ist die Elektromaschine, insbesondere der Stator durch eine entsprechenden Wicklung der Elektromagnete als Spulen und/oder geometrische Anordnung der Spulen zu dem Rotor, dahingehend ausgebildet, dass durch eine entsprechende Veränderung der Steuerung und/oder Regelung der Elektromaschine, insbesondere der Bestromung der Elektromagnete des Stators, eine Veränderung der von der Elektromaschine abgegebenen Abwärme steuerbar und/oder ausführbar ist und/oder ausgeführt wird.
  • In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Verdampfer des Kältekreises thermisch mit der Leistungselektronik verbunden zum Leiten von Abwärme aus der Leistungselektronik zu dem Verdampfer bzw. zum Kühlen der Leistungselektronik mit dem Verdampfer. Die Kühlung der Leistungselektronik mit dem Kältekreis ermöglicht eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Leistungselektronik sowie eine Verlängerung der Lebensdauer. Auch bei hohen Außentemperaturen, beispielsweise im Sommer, kann die Leistungselektronik auf eine optimierte Temperatur gekühlt werden, sodass Komponenten der Leistungselektronik, beispielsweise Leistungshalbleiter und/oder ein Rechner und/oder ein Folienkondensator, nur gering thermisch beansprucht werden und dadurch der höhere Wirkungsgrad und die längere Lebensdauer der Leistungselektronik erreicht wird.
  • In einer ergänzenden Variante ist der Verdampfer thermisch mit einem Zusatzkühlkreislauf mit der Leistungselektronik verbunden oder der Kältekreis umfasst einen Verdampfer zum Kühlen der in den Innenraum des Fahrzeuges einzuleitenden Luft und einen im Bereich der Leistungselektronik angeordneten Zusatzverdampfer und/oder mit dem Antriebsstrang ist ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar und/oder der Antriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor und/oder der Antriebsstrang umfasst eine Batterie zur Versorgung der Elektromaschine mit elektrischer Energie. Mittels des Verbrennungsmotors kann wenigstens ein Antriebsrad des Fahrzeugs zusätzlich auch mit mechanischer Energie des Verbrennungsmotors angetrieben werden. Das wenigstens eine Antriebsrad ist somit mit mechanischer Energie von dem Verbrennungsmotor und/oder mit mechanischer Energie von der Elektromaschine antreibbar. Der Verbrennungsmotor ist mit einem separaten Hochtemperaturkühlkreislauf gekühlt.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Hochtemperaturkühlkreislauf für den Verbrennungsmotor Hochtemperatur-Kühlflüssigkeitsleitungen, eine Hochtemperatur-Umwälzpumpe, einen Hochtemperatur-Verbrennungsmotorwärmeübertrager, einen Hochtemperatur-Umgebungsluftwärmeübertrager und einen Hochtemperatur-Heizungsluftwärmeübertrager.
  • Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstranges, insbesondere eines Antriebsstrang für ein Fahrzeug als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, mit den Schritten: Umwandeln von elektrischer Energie in einer Elektromaschine als Elektromotor in mechanische Energie und Antrieb des Fahrzeuges mit der von der Elektromaschine erzeugten mechanischen Energie, Umwandeln von mechanischer Energie in der Elektromaschine als Generator in elektrische Energie in einem Rekuperationsbetrieb des Fahrzeuges, Antreiben eines Klimakompressors eines Kältekreises mit mechanischer Energie und Kühlen der einem Innenraum eingeleiteten Luft mit einem Verdampfer des Kältekreises, wobei der Klimakompressor mit von der Elektromaschine als Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeuges erzeugten mechanischen Energie angetrieben wird und/oder Abwärme der Elektromaschine mittels eines hydraulischen Kühlkreislaufes an in den Innenraum des Fahrzeuges eingeleitete Luft abgegeben wird und/oder mit der, vorzugsweise nur einen, Elektromaschine zum Antrieb des Fahrzeuges das Fahrzeug und/oder der Klimakompressor angetrieben wird.
  • In einer ergänzenden Ausgestaltung wird während eines thermischen Rekuperationsbetriebes der Klimakompressor mit kinetischer Energie des Fahrzeuges angetrieben und/oder mit der mechanischen Energie der Elektromaschine als Elektromotor, insbesondere gleichzeitig, das Fahrzeug und der Klimakompressor angetrieben werden. Der Klimakompressor kann mit dem Kompressor-Kopplungsmittel mit der Elektromaschine mechanisch gekoppelt werden. In einem Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs kann somit mit der Elektromaschine elektrische Energie erzeugt werden und/oder es kann mit der mechanischen Energie aufgrund der mechanischen Kopplung mit dem Klimakompressor dadurch mittels kinetischer Energie des Fahrzeugs der Klimakompressor angetrieben werden und dadurch eine Kühlung des Innenraums des Fahrzeugs mit kinetischer Energie des Fahrzeugs während des thermischen Rekuperationsbetriebs ausgeführt werden. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs zusätzlich optimiert werden.
  • In einer ergänzenden Ausgestaltung wird Abwärme der Elektromaschine mittels eines hydraulischen Kühlkreislaufes an in den Innenraum des Fahrzeuges eingeleitete Luft abgegeben. Die Abwärme der Elektromaschine kann dadurch auch zum Erwärmen des Innenraums eingesetzt werden. Dadurch ist eine zusätzliche Optimierung des Wirkungsgrads des Fahrzeugs möglich.
  • In einer ergänzenden Variante wird während einer konstanten Drehzahl und eines konstanten von der Elektromaschine abgegebenen Drehmomentes die von der Elektromaschine an den Kühlkreislauf abgegebene Abwärme verändert, insbesondere vergrößert, um ausreichend Abwärme aus der Elektromaschine für das Erwärmen der in den Innenraum des Fahrzeuges einzuleitenden Luft zu erhalten und/oder die von dem Kühlkreislauf an den Umgebungsluftwärmeübertrager und/oder den Heizungswärmeübertrager abgegebenen Wärmemenge wird mit einem Steuerungs- und/oder Regelungsmittel gesteuert und/oder geregelt und/oder das Verfahren wird mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Antriebsstrang ausgeführt. Die Abwärme der Elektromaschine kann bei einem konstanten Betriebszustand verändert werden und damit an dem Wärmebedarf zum Erwärmen des Innenraums angepasst werden. Eine zusätzliche elektrische Widerstandsheizung zum Erwärmen der dem Innenraum zuzuführenden Luft ist dadurch in vorteilhafter Weise nicht notwendig. Die von dem Kühlkreislauf an den Umgebungsluftwärmeübertrager und/oder an den Heizungswärmeübertrager abgegebene Wärmemenge kann mit dem Steuerungs- und/oder Regelungsmittel, beispielsweise wenigstens eines Rückschlagventils oder eines 3-Wege-Ventils, gesteuert und/oder geregelt werden. Je nach Bedarf an Wärme zum Erwärmen des Innenraums kann die Abwärme aus der Elektromaschine dadurch entweder dem Heizungswärmeübertrager und/oder dem Umgebungsluftwärmeübertrager zugeführt werden. Sofern kein Bedarf an Wärme zum Erwärmen des Innenraums besteht, wird somit die gesamte Abwärme der Elektromaschine mittels des Umgebungsluftwärmeübertragers an die Luft in der Umgebung abgegeben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstranges,
  • 2 eine stark vereinfachte Schnitt durch eine Baueinheit mit einer Elektromaschine, einem Getriebe, einem Klimakompressor, einem Kompressor-Kopplungsmittel, einem Antriebs-Kopplungsmittel und einer Leistungselektronik für die Elektromaschine,
  • 3 eine Ansicht eines Fahrzeuges als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Ein in 3 dargestelltes Fahrzeug 2 weist einen Antriebsstrang 1 zum Antrieb bzw. zur Traktion des Fahrzeugs 2 auf. Eine Batterie 13 als eine Hochvoltbatterie 13, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie 13, dient zur Versorgung des Antriebsstrangs 1 mit elektrischer Energie. Sofern der Antriebsstrang 1 sowohl eine Elektromaschine 6 als auch einen Verbrennungsmotor 45 zum Antrieb des Fahrzeugs 2 aufweist, ist das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug 4 und sofern der Antriebsstrang 1 nur eine Elektromaschine 6 zum Antrieb des Fahrzeugs 2 aufweist, ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug 3.
  • In 1 ist der Antriebsstrang 1 stark schematisiert dargestellt. Die Elektromaschine 6 umfasst einen Rotor 9 sowie einen Stator 10 mit Elektromagneten. Die Elektromaschine 6 kann als Elektromotor 7 elektrische Energie aus der Batterie 13 in mechanische Energie umwandeln oder als Generator 8 in einem Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs 2 mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln zum Aufladen der Batterie 13 in dem Rekuperationsbetrieb. Innerhalb eines Elektromaschinengehäuses 11 der Elektromaschine 6 ist außerdem ein Elektromaschinenwärmeübertrager 37 angeordnet. An einer Seite des Rotors 9 ist eine Kompressorwelle 22 als ein Kompressor-Kopplungsmittel 20 befestigt. An der Kompressorwelle 22 ist außerdem eine Kompressor-Kupplung 21 vorhanden und die Kompressorwelle 22 ist mit einem Klimakompressor 19 eines Kältekreises 14 mechanisch gekoppelt. Bei einer eingekuppelten Kompressor-Kupplung 21 besteht eine mechanische Kopplung bzw. Verbindung zwischen dem Rotor 9 und dem mechanischen Klimakompressor 19, sodass mittels mechanischer Energie, welche von dem Rotor 9 und der Kompressorwelle 22 auf den Klimakompressor 19 übertragen wird, der Klimakompressor 19 angetrieben wird. Bei einem ausgekoppelten Zustand der Kompressor-Kupplung 21 besteht keine mechanische Kopplung zwischen dem Rotor 9 bzw. der Elektromaschine 6 und dem Klimakompressor 19.
  • Der Kältekreis 14 umfasst neben dem Klimakompressor 19 bzw. Verdichter 19, Kältemittelleitungen 15, ein Expansionsventil 16, einen Verdampfer 17, einen Kondensator 18, ein Zusatzexpansionsventil 43 und einen Zusatzverdampfer 42. Der Verdampfer 17 ist innerhalb einer Klimaanlage 41 angeordnet und dient zur Kühlung der einem Innenraum 5 des Fahrzeugs 2 einzuleitenden bzw. eingeleiteten Luft. Mittels des Verdampfers 17 kann damit der Innenraum 5 gekühlt werden.
  • An einer anderen Seite des Rotors 9 ist der Rotor 9 mit einem Antriebs-Kopplungsmittel 23 mit einem Antriebsrad 44 verbunden. Das Antriebs-Kopplungsmittel 23 umfasst dabei eine Antriebswelle 25, ein mechanisches Getriebe 24, beispielsweise ein Differentialgetriebe 24, und eine Antriebs-Kupplung 26. In einem eingekoppelten Zustand der Antriebs-Kupplung 26 besteht eine mechanische Koppelung zwischen dem Rotor 9 der Elektromaschine 6 und dem Antriebsrad 44. Bei einer ausgekuppelten Antriebs-Kupplung 26 besteht keine mechanische Kopplung bzw. Verbindung zwischen der Elektromaschine 6 und dem Antriebsrad 44. Der Antriebsstrang 1 umfasst außerdem optional einen Verbrennungsmotor 45, der mit einer Verbrennungsmotorwelle 47 und einer Verbrennungsmotor-Kupplung 46 jeweils mechanisch mit dem Getriebe 24 und damit auch mit dem Antriebsrad 44 des Fahrzeugs 2 mechanisch gekoppelt ist oder bei einer ausgekuppelten Verbrennungsmotor-Kupplung 46 die mechanische Koppelung zwischen dem Verbrennungsmotor 45 und dem wenigstens einen Antriebsrad 44 unterbrochen ist.
  • Während des Betriebs der Elektromaschine 6 wird von der Elektromaschine 6 Abwärme abgegeben. Die Abwärme wird dabei von dem Elektromaschinenwärmeübertrager 37 innerhalb des Elektromaschinengehäuses 11 an einen Kühlkreislauf 34 abgegeben. Der Kühlkreislauf 34 umfasst Kühlflüssigkeitsleitungen 35 mit Kühlflüssigkeit und die Kühlflüssigkeit wird von einer Umwälzpumpe 36 umgewälzt. Der Kühlkreislauf 34 umfasst außerdem einen Umgebungsluftwärmeübertrager 38 zum Übertragen von Abwärme in der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufes 34 an die Umgebungsluft. In dem Kühlkreislauf 34 ist außerdem ein Heizungswärmeübertrager 40 eingebaut, sodass mittels des Heizungswärmeübertragers 40 die Abwärme der Elektromaschine 6 an die in den Innenraum 5 eingeleitete Luft abgegeben wird. Der Heizungswärmeübertrager 40 ist zusammen mit dem Verdampfer 17 innerhalb der Klimaanlage 41 angeordnet. Die Aufteilung der Abwärme aus der Elektromaschine 6, welche mittels des Umgebungsluftwärmeübertragers 38 an die Luft der Umgebung und/oder mittels des Heizungswärmeübertragers 40 an die Luft in dem Innenraum 5 abgegeben wird, kann mittels eines Steuerungs- und/oder Regelungsmittels 48 gesteuert und/oder geregelt werden. Das Steuerungs- und/oder Regelungsmittel 48 umfasst zwei Rückschlagventile 39 sowie die Umwälzpumpe 36. In der in 1 dargestellten Pumprichtung der Umwälzpumpe 36 wird die aus der Elektromaschine 6 austretende Kühlflüssigkeit ausschließlich in den Heizungswärmeübertrager 40 eingeleitet und von dort wieder zurück zu der Elektromaschine 6 geleitet. Die Umwälzpumpe 36 kann auch in einer Förderrichtung entgegengesetzt zu der Darstellung in 1 Kühlflüssigkeit durch den Kühlkreislauf 34 leiten, sodass dadurch aufgrund der Ausbildung der beiden Rückschlagventile 39 in dieser entgegengesetzten Richtung (nicht dargestellt) die aus der Elektromaschine 6 austretende Kühlflüssigkeit ausschließlich in den Umgebungsluftwärmeübertrager 38 eingeleitet wird. Durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Zeiten, in welcher die Umwälzpumpe 36 entweder die Kühlflüssigkeit in der in 1 dargestellten Förderrichtung fördert oder der Zeit entgegengesetzt zu der in 1 dargestellten Förderrichtung, kann somit die Aufteilung der Abwärme aus der Elektromaschine 6 auf den Umgebungsluftwärmeübertrager 38 und/oder den Heizungswärmeübertrager 40 gesteuert und/oder geregelt werden. Abweichend hiervon (nicht dargestellt) kann das Steuerungs- und/oder Regelmittel 48 auch ein entsprechendes 3-Wege-Ventil sein, mit welchem der Volumenstrom der aus der Elektromaschine 6 austretenden Kühlflüssigkeit auf den Umgebungsluftwärmeübertrager 38 und/oder den Heizungswärmeübertrager 40 aufgeteilt werden kann, sodass in dieser nicht dargestellten Variante die Umwälzpumpe 36 in nur einer Förderrichtung zu betreiben ist.
  • Bei einem ausgekoppelten Antriebs-Kopplungsmittel 23 und einer eingekoppelten Kompressor-Kupplung 21 kann mittels der Elektromaschine 6 auch beim Parken oder Stopp des Fahrzeugs 2 der Klimakompressor 19 angetrieben werden. Sofern kein Bedarf an Kühlung in dem Innenraum 5 besteht, kann mit einer ausgekoppelten Kompressor-Kupplung 21 und einem eingekoppelten Antriebs-Kopplungsmittel 23 die mechanische Energie der Elektromaschine 6 ausschließlich zum Antrieb des Fahrzeugs 2 verwendet werden. In einem Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs 2 während einer eingekuppelten Kompressor-Kupplung 21 und einem eingekuppelten Antriebs-Kopplungsmittel 23 kann in einem thermischen Rekuperationsbetrieb die kinetische Energie des Fahrzeugs auch zum Antrieb des Klimakompressors 19 eingesetzt werden und dadurch der Wirkungsgrad des Fahrzeugs 2 zusätzlich verbessert werden. Im thermischen Rekuperationsbetrieb besteht somit ein Bedarf zur Kühlung des Innenraums 5. Mittels des Kältekreises 14 sowie des Zusatzverdampfers 42 an einer Leistungselektronik 12 zur Bestromung der Elektromaschine 6 sowie dem Zusatzexpansionsventil 43 kann mit dem Kältekreis 14 zusätzlich auch die Leistungselektronik 12 gekühlt werden. In den Kältekreis 14 ist ein entsprechendes Ventil (nicht dargestellt) angeordnet, mittels dessen das Kältemittel des Kältekreises 14 entweder nur durch den Verdampfer 17, nur durch den Zusatzverdampfer 42 oder gleichzeitig durch den Verdampfer 17 und den Zusatzverdampfer 42 leitbar ist.
  • Die Elektromaschine 6, der Klimakompressor 19, das Getriebe 14, das Kompressor-Kopplungsmittel 20, das Antriebs-Kopplungsmittel 23 und die Leistungselektronik 12 sind in einer Baueinheit 27 mit einem gemeinsamen Gehäuse 28 angeordnet (2). Das Gehäuse 28 ist zweiteilig und umfasst ein erstes Teil 29 und ein zweites Teil 30. Die beiden Teile 29, 30 des Gehäuses 28 sind mit einem Verbindungsmittel 31, beispielsweise Schraubverbindungen, miteinander verbunden. Durch das Gehäuse 28 der Baueinheit 27 ist sowohl die Antriebswelle 25 als auch die Kompressorwelle 23 durchgeführt. Ferner sind außenseitig an dem Gehäuse 28 auch zwei Schnittstellen 32 zur Verbindung der Baueinheit 27 mit zwei Kältemittelleitungen 15 des Kältekreises 14 ausgebildet. Außerdem sind zwei Schnittstellen 33 zur hydraulischen Verbindung der Baueinheit 27 mit zwei Kühlflüssigkeitsleitungen 35 des Kühlkreislaufes 34 vorhanden. Die Schnittstellen 32, 33 sind beispielsweise Anschlussstutzen und/oder Schraubverbindung und/oder Bajonettverbindungen. In der Herstellung und Montage des Fahrzeugs 2 ermöglicht dies eine hohe Integration der Komponenten 6, 12, 19, 20, 23, 24. Die Sicherheit an dem Fahrzeug 2 aufgrund der Integration von Komponenten mit Hochvolt, das heißt der Leistungselektronik 12 und der Elektromaschine 6, kann dadurch verbessert werden.
  • Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Antriebsstrangs 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Elektromaschine 6 kann auch zum Antrieb des Klimakompressors 19 eingesetzt werden und dies ist auch während eines Stopps des Fahrzeugs 2 möglich. Dadurch ist in vorteilhafter Weise kein zusätzlicher Elektromotor zum ausschließlichen Antrieb des Klimakompressors 19 notwendig. Dadurch können Kosten und Gewicht in vorteilhafter Weise für die Herstellung des Antriebsstrangs 1 eingespart werden. Aufgrund der Steuerbarkeit und/oder Regelbarkeit der von der Elektromaschine 6 erzeugten Abwärme ist die von der Elektromaschine 6 erzeugte Abwärme ausreichend zum Erwärmen des Innenraums 5, sodass dadurch keine zusätzliche elektrische Widerstandsheizung zum Erwärmen der in den Innenraum 5 eingeleiteten Luft notwendig ist. Dadurch können zusätzliche Kosten und Gewicht eingespart werden, da keine elektrische Widerstandsheizung zur Erwärmung der in den Innenraum 5 eingeleiteten Luft notwendig ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009060860 A1 [0005]

Claims (15)

  1. Antriebsstrang (1), insbesondere für ein Fahrzeug (2) als Elektrofahrzeug (3) oder Hybridfahrzeug (4), umfassend – eine Elektromaschine (6) zum Antrieb bzw. zur Traktion des Fahrzeuges (2), – einen Kältekreis (14) mit einem Klimakompressor (19), einem Verdampfer (17), einem Kondensator (18) und einem Expansionsventil (16) zur Kühlung eines Innenraumes (5) des Fahrzeuges (2), – eine Antriebseinheit zum mechanischen Antrieb des Klimakompressors (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (6) zum Antrieb bzw. zur Traktion des Fahrzeuges (2) mit einem mechanischen Kompressor-Kopplungsmittel (20) mit dem Klimakompressor (19) mechanisch gekoppelt ist, so dass die Elektromaschine (6) zusätzlich zum mechanischen Antrieb des Klimakompressors (19) dient.
  2. Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Kompressor-Kopplungsmittel (20) eine Kompressor-Kupplung (21) umfasst, so dass die mechanische Koppelung zwischen der Elektromaschine (6) und dem Klimakompressor (19) ein- und ausschaltbar ist und/oder das mechanische Kompressor-Kopplungsmittel (20) eine Kompressorwelle (22) umfasst.
  3. Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1) ein mechanisches Antriebs-Kopplungsmittel (23) zur mechanischen Koppelung der Elektromaschine (6) mit wenigstens einem Antriebsrad (44) umfasst.
  4. Antriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Antriebs-Kopplungsmittel (23) ein mechanisches Getriebe (24) und/oder eine Antriebswelle (25) und/oder eine Antriebs-Kupplung (26) umfasst.
  5. Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ausgekuppelten Antriebs-Kupplung (26) und einer eingekuppelten Kompressor-Kupplung (21) mit der mechanischen Energie der Elektromaschine (6) ausschließlich der Klimakompressor (19) antreibbar ist.
  6. Antriebsstrang nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (6), das Getriebe (24), der Klimakompressor (19), das Kompressor-Kopplungsmittel (20), vorzugsweise das Antriebs-Kopplungsmittel (23) und vorzugsweise eine Leistungselektronik (12) für die Elektromaschine (6) zu einer Baueinheit (27) zusammengefasst sind und/oder die Elektromaschine (6), das Getriebe (24), der Klimakompressor (19), das Kompressor-Kopplungsmittel (20), vorzugsweise das Antriebs-Kopplungsmittel (23) und vorzugsweise die Leistungselektronik (12) für die Elektromaschine (19) innerhalb eines ein- oder mehrteiligen, gemeinsamen Gehäuses (28) angeordnet sind.
  7. Antriebsstrang nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1) einen hydraulischen Kühlkreislauf (34) zur Kühlung der Elektromaschine (6) umfasst und der Kühlkreislauf (34) eine Kühlflüssigkeitsleitung (35) zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit, eine Umwälzpumpe (36), einen Elektromaschinenwärmeübertrager (37) zur Übertragung von Wärme aus der Elektromaschine (6) in die Kühlflüssigkeit und einen Umgebungswärmeübertrager (38) zur Übertragung von Wärme aus der Kühlflüssigkeit an die Umgebungsluft umfasst.
  8. Antriebsstrang nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlkreislauf (34) ein Heizungswärmeübertrager (40) zur Übertragung von Wärme aus der Kühlflüssigkeit an in den Innenraum (5) des Fahrzeuges (2) einzuleitende Luft eingebaut ist.
  9. Antriebsstrang nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung der Elektromaschine (6) mittels der Leistungselektronik (12) bei einer vorgegebenen konstanten Drehzahl und einem konstanten Drehmoment der Elektromaschine (6) dahingehend veränderbar ist, dass die von der Elektromaschine (6) abgegebene Abwärme veränderbar, insbesondere vergrößerbar, ist, um ausreichend Abwärme aus der Elektromaschine (6) für das Erwärmen der in den Innenraum (5) des Fahrzeuges (2) einzuleitenden Luft zu erhalten.
  10. Antriebsstrang nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (17) des Kältekreises (14) thermisch mit der Leistungselektronik (12) verbunden ist zum Leiten von Abwärme aus der Leistungselektronik (12) zu dem Verdampfer (17) bzw. zum Kühlen der Leistungselektronik (12) mit dem Verdampfer (17).
  11. Antriebsstrang nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreis (14) einen Verdampfer (17) zum Kühlen der in den Innenraum (5) des Fahrzeuges (2) einzuleitenden Luft und einen im Bereich der Leistungselektronik (12) angeordneten Zusatzverdampfer (42) umfasst und/oder mit dem Antriebsstrang (1) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 12 bis 15 ausführbar ist und/oder der Antriebsstrang (1) einen Verbrennungsmotor (45) umfasst und/oder der Antriebsstrang (1) eine Batterie (13) zur Versorgung der Elektromaschine (6) mit elektrischer Energie umfasst.
  12. Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstranges (1), insbesondere eines Antriebsstrang (1) für ein Fahrzeug (2) als Elektrofahrzeug (3) oder Hybridfahrzeug (4), mit den Schritten: – Umwandeln von elektrischer Energie in einer Elektromaschine (6) als Elektromotor (7) in mechanische Energie und Antrieb des Fahrzeuges (2) mit der von der Elektromaschine (6) erzeugten mechanischen Energie, – Umwandeln von mechanischer Energie in der Elektromaschine (6) als Generator (8) in elektrische Energie in einem Rekuperationsbetrieb des Fahrzeuges (2), – Antreiben eines Klimakompressors (19) eines Kältekreises (14) mit mechanischer Energie und Kühlen der einem Innenraum (5) eingeleiteten Luft mit einem Verdampfer (17) des Kältekreises (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Klimakompressor (19) mit von der Elektromaschine (6) als Elektromotor (7) zum Antrieb bzw. zur Traktion des Fahrzeuges (2) erzeugten mechanischen Energie angetrieben wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass während eines thermischen Rekuperationsbetriebes der Klimakompressor (19) mit kinetischer Energie des Fahrzeuges (2) angetrieben wird und/oder mit der mechanischen Energie der Elektromaschine (6) als Elektromotor (7), insbesondere gleichzeitig, das Fahrzeug (2) und der Klimakompressor (19) angetrieben werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Abwärme der Elektromaschine (6) mittels eines hydraulischen Kühlkreislaufes (34) an in den Innenraum (5) des Fahrzeuges (2) eingeleitete Luft abgegeben wird.
  15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während einer konstanten Drehzahl und eines konstanten von der Elektromaschine (6) abgegebenen Drehmomentes die von der Elektromaschine (6) an den Kühlkreislauf abgegebene Abwärme verändert, insbesondere vergrößert, wird, um ausreichend Abwärme aus der Elektromaschine (6) für das Erwärmen der in den Innenraum (5) des Fahrzeuges (2) einzuleitenden Luft zu erhalten und/oder die von dem Kühlkreislauf (14) an den Umgebungsluftwärmeübertrager (38) und/oder den Heizungswärmeübertrager (40) abgegebenen Wärmemenge mit einem Steuerungs- und/oder Regelungsmittel (48) gesteuert und/oder geregelt wird und/oder das Verfahren mit einem Antriebsstrang (1) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 11 ausgeführt wird.
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