DE102018127665A1

DE102018127665A1 - Kühlvorrichtung für eine elektrische Antriebseinheit eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, Antriebseinheit sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018127665A1
Application number: DE102018127665.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Herrmann; Fabian Rattei; Thinh Nguyen-Xuan; Rene Treffler; Juntao Zhu
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2020-05-07
Also published as: WO2020094314A1; CN112640265A; US20220006353A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (9) für eine elektrische Antriebseinheit eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zum Kühlen von zumindest einer Komponente (1) der Antriebseinheit, aufweisend ein Gehäuse (10) für die zumindest eine Komponente (1) der Antriebseinheit, wobei das Gehäuse (10) zum Kühlen der zumindest einen Komponente (1) zumindest bereichsweise als ein Kühlmantel für die zumindest eine Komponente (1) ausgebildet ist und dazu zumindest einen, von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanal aufweist, und zumindest eine Kühlstruktur (14), welche als ein Einlegeteil zum Einlegen in den zumindest einen Kühlkanal ausgebildet ist und welche dazu ausgelegt ist, einen Strömungswiderstand des Kühlfluids durch Erzeugung von Turbulenzen des Kühlfluids zu erhöhen. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Antriebseinheit eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zum Kühlen von zumindest einer Komponente der Antriebseinheit. Die Erfindung betrifft außerdem eine Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise ein elektrisches Antriebssystem mit mehreren, miteinander verschalteten Antriebseinheiten auf. Die Antriebseinheiten sind beispielsweise eine elektrische Maschine bzw. E-Maschine, eine Hochvoltbatterie zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Maschine und eine Leistungselektronik, beispielsweise ein Wechselrichter, welcher zwischen die elektrische Maschine und die Hochvoltbatterie geschaltet ist. Zum Kühlen dieser Antriebseinheiten im Betrieb des Antriebssystems sind aus dem Stand der Technik bereits direkte und indirekte Kühlungsvarianten bekannt. Zu den direkten Kühlungsvarianten bei der E-Maschine zählt beispielsweise das Aufbringen bzw. Aufspritzen von Öltröpfchen auf Wickelköpfe von Wicklungen eines Stators und/oder Rotors der E-Maschine und die damit verbundene Kühlung des Stators oder/und Rotors. Diese Kühlungsvariante macht in der Regel allerdings eine direkte Kopplung bzw. Anbindung an ein Getriebe des Kraftfahrzeugs notwendig und erfordert weitere Komponenten, wie beispielsweise eine Ölpumpe.
Bei der Hochvoltbatterie zählt zu den indirekten Kühlungsvarianten beispielsweise eine an Batteriezellen der Hochvoltbatterie montierte Kühlplatte, welche für eine konvektive Kühlung der Batteriezellen sorgt. Ähnlich dazu ist die Kühlungsvariante bei der Leistungselektronik. Die indirekte Kühlung basiert im Allgemeinen auf einer Mantelstruktur, welche die zu kühlende Komponente der Antriebseinheit umgibt und welche von einem Kühlmedium bzw. Kühlfluid durchströmte Kühlkanäle aufweist. Über diese Kühlkanäle wird dabei eine von der Komponente abgegebene Wärme konvektiv abtransportiert. In der DE 10 2016 225 521 A1 sowie in der DE 10 2012 205 404 A1 werden Kühlgehäuse für Statoren elektrischer Maschinen beschrieben, welche mäanderförmige Kühlgeometrien umfassen. Diese mäanderförmigen Kühlgeometrien werden in der Regeln bei einteiligen Kühlgehäusen, die mittels Sanddruck-bzw. Druckgussverfahren hergestellt werden, verwendet. Solche Kühlgeometrien sorgen zwar für eine dauerhafte, eine ausreichende Kühlleistung gewährleistende Umlenkung des Kühlfluids, sind jedoch aufwändig herzustellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders einfach herzustellende Kühlungsvariante für eine Antriebseinheit eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung, eine Antriebseinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für eine elektrische Antriebseinheit eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs dient zum Kühlen von zumindest einer Komponente der Antriebseinheit. Die Kühlvorrichtung weist ein Gehäuse für die zumindest eine Komponente der Antriebseinheit auf, wobei das Gehäuse zum Kühlen der zumindest einen Komponente zumindest bereichsweise als ein Kühlmantel für die zumindest eine Komponente ausgebildet ist und zumindest einen, von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanal aufweist. Die Kühlvorrichtung umfasst außerdem zumindest eine Kühlstruktur, welche als ein Einlegeteil zum Einlegen in den zumindest einen Kühlkanal ausgebildet ist und welche dazu ausgelegt ist, einen Strömungswiderstand des Kühlfluids durch Erzeugung von Turbulenzen des Kühlfluids zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Antriebseinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug aufweisend zumindest eine Komponente und eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung. Die Antriebseinheit ist vorzugsweise als eine elektrische Maschine, eine Hochvoltbatterie oder eine Leistungselektronik ausgebildet. Die zumindest eine Komponente ist dabei insbesondere ein Stator der elektrischen Maschine, eine Batteriezelle der Hochvoltbatterie oder ein Leistungsschalter der Leistungselektronik.
Die Kühlvorrichtung der Antriebseinheit weist das Gehäuse auf, welches die zumindest eine Komponente der Antriebseinheit zumindest bereichsweise mantelartig umgibt und welches den Kühlmantel für die zumindest einen Komponente ausbildet. Das Gehäuse kann jedoch beispielsweise nicht nur zur Kühlung, sondern auch zum Halten bzw. Fixieren der zumindest einen Komponente in einer bestimmungsgemäßen Lage und/oder zum Schutz der zumindest einen Komponente ausgelegt sein. Beispielsweise kann das Gehäuse die zumindest eine Komponente vor Umwelteinflüssen, z.B. Feuchtigkeit oder Schmutz, oder vor mechanischer Belastung, z.B. bei aufprallbedingten Stößen auf die Antriebseinheit, schützen. Das Gehäuse kann beispielsweise ein Statorgehäuse für den Stator der elektrischen Maschine, ein Batteriegehäuse für eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen der Hochvoltbatterie oder ein Schaltergehäuse für die Leistungsschalter der Leistungselektronik sein.
Das Gehäuse weist zum Ausbilden des Kühlmantels den zumindest einen Kühlkanal auf. Der Kühlkanal ist dazu ausgelegt, das Kühlfluid, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, entlang zumindest einer Seite der zumindest einen Komponente zu leiten und dadurch eine von der zumindest einen Komponente im Betrieb der Antriebseinheit abgegebene Wärme abzuführen. Zum Bereitstellen des zumindest einen Kühlkanals kann das Gehäuse beispielsweise zumindest bereichsweise doppelwandig ausgebildet sein. Das Kühlfluid kann beispielsweise von einem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. Das Gehäuse kann einen mit dem zumindest einen Kühlkanal fluidisch gekoppelten Kühlfluidanschluss aufweisen, welcher beispielsweise mit Kühlfluidleitungen des Kühlkreislaufs gekoppelt werden kann. Der Kühlfluidanschluss kann einen Fluideinlass, über welche Kühlfluid in den zumindest einen Kühlkanal eingeleitet werden kann, und einen Fluidauslass, über welchen Kühlfluid aus dem zumindest einen Kühlkanal abgelassen werden kann, aufweisen. Der Fluideinlass und der Fluidauslass, welche beispielsweise als Stutzen ausgebildet sind, können sich beispielsweise in axialer Richtung, welche einer Erstreckungsrichtung der Seite der zu kühlenden Komponente sowie einer Strömungsrichtung des Kühlfluids entspricht, gegenüberliegen. Der Kühlkanal kann beispielsweise spaltförmig ausgebildet sein und sich in der axialen Richtung von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass erstrecken und somit eine im Wesentlichen laminare Strömung des Kühlfluids von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass entlang der Seite der zu kühlenden Komponente bereitstellen.
Eine durch die Kühlvorrichtung bereitgestellte Kühlleistung hängt dabei unter anderem von einer Geometrie des zumindest einen Kühlkanals ab, durch welche eine Art der Strömung des Kühlfluids und damit ein Strömungswiderstand des Kühlfluids beeinflusst werden. Während mäanderförmige, jedoch aufwändig zu fertigende Kühlkanäle aufgrund der erzeugten turbulenten Strömung des Kühlfluids eine hohe Kühlleistung bereitstellen, ist die Kühlleistung bei einfachen Kühlkanälen, welche eine im Wesentlichen laminare Strömung des Kühlfluids bedingen, geringer bzw. sogar unzureichend. Solche Kühlkanäle mit einfachen Geometrien können, wie bereits beschrieben, spaltförmig sein und große freie Strömungsquerschnitte aufweisen, wobei diese Kühlkanäle das Kühlfluid insbesondere hauptsächlich axial entlang der Komponente leiten, also das Kühlfluid nicht oder nur kaum umlenken.
Um zur Steigerung der Kühlleistung Turbulenzen der Strömung des Kühlfluids zu erzeugen, wird die als Einlegeteil ausgebildete Kühlstruktur verwendet. Durch die Ausgestaltung der Kühlstruktur als Einlegeteil ist diese ein zu dem Gehäuse separates Bauteil. Das Einlegeteil kann also in den Kühlkanal eingesteckt bzw. eingelegt werden und beispielsweise auch zerstörungsfrei wieder aus dem Kühlkanal entnommen werden. Im angeordneten Zustand des Einlegeteils in dem Kühlkanal lenkt die Kühlstruktur entlang der Strömungsrichtung des Kühlfluids die Kühlfluidströmung permanent um und erzeugt damit Turbulenzen des Kühlfluids. Dadurch wird der Strömungswiderstand des Kühlfluids erhöht. Durch diesen erhöhten Strömungswiderstand erhöht sich auch die Kühlleistung der Kühlvorrichtung. Die turbulente Strömung führt damit, auch aufgrund einer Homogenisierung der Strömungsverteilung des Kühlfluids, zu einer besseren Kühlung der zumindest einen Komponente als eine laminare Kühlfluidströmung.
Durch ein solches Einlegeteil kann auf konstruktiv einfache Weise eine Kühlgeometrie innerhalb des Kühlkanals bereitgestellt werden, ohne den Kühlkanal selbst fertigungstechnisch mit einer Kühlgeometrie, beispielsweise mit mäanderförmigen Verschlingungen, auszustatten. Durch die Verwendung des Einlegeteils, welches beispielsweise als Massenware hergestellt werden kann, können bei der Herstellung und Fertigung der Kühlvorrichtung Kosten reduziert werden, da die Kühlkanäle selbst mit einer vereinfachten Geometrie, also beispielsweise spaltförmig, mit großen freien Strömungsquerschnitten hergestellt werden können.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn sich die Kühlstruktur in eingelegten Zustand in dem Kühlkanal entlang einer Strömungsrichtung des Kühlfluids über eine vorbestimmte Länge des Kühlkanals, insbesondere über eine gesamte Länge des Kühlkanals, zum Leiten des Kühlfluids entlang der Kühlstruktur erstreckt. Die Kühlstruktur weist also in Strömungsrichtung, welche entlang der axialen Richtung der Komponente orientiert ist, eine Länge auf, welche insbesondere einer Länge des Kühlkanas entspricht. Die Kühlstruktur erstreckt sich also parallel zu zwei einander gegenüberliegenden, sich entlang der Strömungsrichtung erstreckenden Wänden des Kühlkanals. Dadurch fließt das Kühlfluid entlang der Kühlstruktur durch den zumindest einen Kühlkanal, welche dabei die Turbulenzen des Kühlfluids erzeugt.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass eine Querschnittsform und/oder Querschnittsgröße des Einlegeteils einem durch den Kühlkanal bereitgestellten Strömungsquerschnitt entspricht. Abmessungen des Einlegeteils quer zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids entsprechen also Abmessungen des zumindest einen Kühlkanals quer zur Strömungsrichtung. Beispielsweise entspricht eine Breite und/oder Dicke des Einlegeteils einem Durchmesser des zumindest einen Kühlkanals. Das Einlegenteil liegt also an den sich entlang der Strömungsrichtung erstreckenden Wänden des Kühlkanals an und ist an einen Querschnitt des zumindest einen Kühlkanals angepasst. Hierdurch erstreckt sich das Einlegeteil vollständig über einen Strömungsquerschnitt des Kühlfluids in dem Kühlkanal. Somit existiert in vorteilhafter Weise kein freier Strömungsquerschnitt zwischen Einlegeteil und den Wänden des Kühlkanals, durch welchen das Kühlfluid ungehindert durchströmen könnte.
Besonders bevorzugt ist die Kühlstruktur als ein Fasergewebe aufweisend eine Struktur aus gekreuzten Fasern ausgebildet. Das Einlegeteil ist also faserstrukturiert ausgebildet. Unter dem Fasergewebe bzw. Fasergeflecht bzw. Fasergestrick ist hier ein Maschen aufweisendes, durch Verschlingungen von Fasern hergestelltes Gebilde zu verstehen. Beispielsweise kann das Fasergewebe zweilagig, aus zumindest zwei Fasersystemen hergestellt werden. Diese Fasersysteme werden verkreuzt, sodass die Maschen entstehen. Falls die Fasern innerhalb eines Fasersystems beispielsweise parallel zueinander verlaufend angeordnet sind und die Fasersysteme rechtwinklig verkreuzt werden, entstehen rechteckförmige Maschen. Die Fasern können aber auch zu jedem anderen Geflecht, beispielsweise einem Sechseckgeflecht, verschlungen werden.
Das gewebeförmige Einlegeteil wird dabei derart in den Kühlkanal eingelegt, dass sich die Gewebestruktur entlang der Strömungsrichtung erstreckt. Die Strömung nimmt also nicht den kürzesten, direkten Weg von dem Fluideinlass in Richtung des Fluidauslasses, sondern wird auf ihrem Weg entlang der Gewebestruktur umgelenkt. Dadurch wird die Strömung gleichmäßiger über den Kühlmantel verteilt. Darüber hinaus sorgt das Fasergewebe sogar für eine bessere Kühlung der Antriebseinheit als beispielsweise ein Kühlkanal mit Mäanderstruktur des Kühlkanals. Über die Struktur des Fasergewebes, wie beispielsweise über den Faserdurchmesser, eine Anzahl an Lagen, eine Weite bzw. Größe der Maschen, usw. kann auf einfache Weise der gewünschte Strömungswiderstand eingestellt werden, um eine optimale Kühlwirkung zu erzielen.
Die Fasern können dabei aus einem beliebigen Material hergestellt werden. Insbesondere bestehen die Fasern des Einlegeteils aus Metall, Keramik und/oder Kunststoff. Besonders vorteilhaft ist eine metallische Faser bzw. ein Draht, da diese bzw. dieser besonders einfach und kostengünstig zu einem Drahtgewebe bzw. Drahtgestrick verdrillt bzw. verflochten werden können. Ein solches Fasergewebe kann in vorteilhafter Weise besonders kostengünstig und in großer Stückzahl gefertigt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Gehäuse mehrteilig ausgebildet und weist zumindest ein, der Komponente zugewandtes Innengehäuseteil und zumindest ein, zu dem Innengehäuseteil unter Ausbildung eines Spaltes beabstandet angeordnetes Außengehäuseteil auf. Die zumindest eine Kühlstruktur ist in den Spalt, welcher den zumindest einen Kühlkanal ausbildet, einlegbar. Durch die mehrteilige, beispielsweise zweiteilige, Ausbildung des Gehäuses kann der Kühlkanal besonders einfach gefertigt werde. Es müssen also keine aufwändigen Geometrien in Gehäusewänden des Gehäuses, beispielsweise durch Fräsen, Sanddruckverfahren oder Druckgussverfahren, hergestellt werden. Vielmehr genügt es, die Gehäuseteile, also das Innengehäuseteil und das Außengehäuseteil, unter Ausbildung des Spaltes bzw. Zwischenraums beabstandet zueinander anzuordnen. Die Gehäuseteile können einfache Bleche oder Kunststoffteile sein, welche beispielsweise lediglich an eine Form der Komponente angepasst werden müssen. Da eine solche Spaltkühlung, bei welcher das Kühlfluid durch den Spalt axial hindurchfließt, die laminare Strömung bedingt und daher eine geringe Kühlleistung bereitstellt, wird die Kühlstruktur in den Spalt eingelegt bzw. eingeführt. Diese erzeugt die Turbulenzen in dem strömenden Kühlfluid und sorgt somit für einen erhöhten, die Kühlleistung steigernden Strömungswiderstand. Eine Querschnittsform des Einlegeteils ist dabei an eine Querschnittsform des Spalts angepasst. Beispielswiese können Einlegeteil und Spalt einen ringförmigen, einen rechteckförmigen oder einen beliebigen anderen Querschnitt aufweisen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Stators einer elektrischen Maschine ausgebildet, wobei das Innengehäuseteil und das Außengehäuseteil zum Anordnen an einem hohlzylinderförmigen Blechpaket des Stators jeweils als hohlzylinderförmige Mantelwandelemente ausgebildet sind und unter Ausbildung eines, einen ringförmigen Strömungsquerschnitt bereitstellenden Spalts zwischen dem Innengehäuseteil und dem Außengehäuseteil im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind. Insbesondere ist die Kühlstruktur als ein hohlzylinderförmiges Einlegeteil zum Einschieben in den Spalt ausgebildet. Die Antriebseinheit ist somit eine elektrische Maschine, welche die Kühlvorrichtung zum Kühlen der als Stator ausgebildeten Komponente umfasst. Der Stator umfasst das hohlzylinderförmige Blechpaket mit einer einem Hohlraum zugewandten Innenseite und mit einer der Innenseite radial gegenüberliegenden Außenseite. In der Innenseite des Blechpakets können Wicklungsnuten ausgebildet sein, welche sich axial entlang einer Höhe des Blechpakets erstrecken und in welchen Statorwicklungen angeordnet sind.
An der Außenseite des Blechpakets kann das Innengehäuseteil angeordnet werden und das Blechpaket somit in einer Umfangsrichtung des Blechpakets mantelartig umgeben. Das Außengehäuseteil umgibt das Innengehäuseteil unter Ausbildung eines hohlzylinderförmigen Spaltes. Das Gehäuse ist also als ein hohler, doppelwandiger Zylindermantel ausgebildet. Die Strömungsrichtung erstreckt sich dabei in axialer Richtung entlang der Außenseite des Blechpakets von einer ersten Stirnseite der Gehäuseteile zu einer zweiten Stirnseite der Gehäuseteile. An der ersten Stirnseite kann beispielsweise der Fluideinlass und an der zweiten Stirnseite kann der Fluidauslass angeordnet sein. In den hohlzylinderförmigen Spalt, durch welchen der ringförmige Strömungsquerschnitt für das Kühlfluid bereitgestellt wird, wird nun die Kühlstruktur eingelegt. Die Kühlstruktur ist ebenfalls hohlzylinderförmig und weist somit einen mit dem Strömungsquerschnitt korrespondierenden Querschnitt auf. Beispielsweise kann die Kühlstruktur axial in den Spalt zwischen dem Innengehäuseteil und dem Außengehäuseteil eingesteckt bzw. eingeführt werden. Das Blechpaket, das Innengehäuseteil, die Kühlstruktur und das Außengehäuseteil sind also konzentrisch zueinander angeordnet. Eine Höhe des hohlzylinderförmigen Einlegeteils in axialer Richtung entspricht insbesondere einer Höhe der Gehäuseteile. Eine radiale Dicke des hohlzylinderförmigen Einlegeteils in radialer Richtung entspricht einem Abstand zwischen dem Innengehäuseteil und dem Außengehäuseteil und damit einem Spaltdurchmesser.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Kühlvorrichtung zum Kühlen von zumindest einer Batteriezelle einer Hochvoltbatterie ausgebildet, wobei das Gehäuse zum Aufnehmen der zumindest einen Batteriezelle der Hochvoltbatterie kastenförmig ausgebildet ist. Das Innengehäuseteil und das Außengehäuseteil sind als plattenförmige, zueinander planparallel angeordnete Gehäusewandelemente zumindest einer Gehäusewand des Gehäuses ausgebildet und der zumindest eine Kühlkanal ist als ein, einen rechteckförmigen Strömungsquerschnitt bereitstellender Spalt zwischen dem Innengehäuseteil und dem Außengehäuseteil gebildet. Insbesondere die Kühlstruktur als ein plattenförmiges Einlegeteil zum Einlegen in den Spalt ausgebildet ist .Die Antriebseinheit ist also die Hochvoltbatterie mit einer Vielzahl von Komponenten in Form von Batteriezellen. Das Gehäuse kann beispielsweise quaderförmig sein, wobei die Gehäusewände einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen der Batteriezellen umschließen. Zumindest eine der Gehäusewände des Gehäuses, beispielsweise ein Gehäuseboden, ist doppelwandig ausgebildet, und weist ein innenliegendes Gehäusewandelement, also das Innengehäuseteil, und ein außenliegendes Gehäusewandelement, also das Außengehäuseteil, auf. Durch die parallel angeordneten Gehäusewandelemente wird der Spalt gebildet, welcher beispielsweise quaderförmig ist und dadurch den rechteckförmigen Strömungsquerschnitt bereitstellt. In dem Spalt wird das Kühlfluid entlang einer Seite der Batteriezellen, welche beispielsweise zu mehreren Batteriemodulen gestapelt und verschaltet sein können, geleitet. In diesen Spalt kann das flache, plattenartige Einlegeteil eingelegt werden, welches ebenfalls einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Die Gehäusewandelemente und das Einlegeteil sind also planparallel zueinander angeordnet. Das Einlegeteil kann beispielsweise als ein rechteckförmiges Drahtgewebe ausgebildet sein.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest eine erfindungsgemäße Antriebseinheit. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet und kann beispielsweise mehrere, unterschiedlich ausgebildete Antriebseinheiten in Form von einer elektrischen Maschine, einer Hochvoltbatterie und einer Leistungselektronik aufweisen.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Antriebseinheit sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Figurenliste

1 eine schematische Darstellung einer Komponente einer Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs;
2 eine schematische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Antriebseinheit;
3 eine Querschnittdarstellung durch die zusammengesetzte Kühlvorrichtung gemäß 2;
4 eine schematische Perspektivdarstellung einer Kühlstruktur der Kühlvorrichtung;
5 eine Querschnittdarstellung durch die Kühlstruktur gemäß 4; und
6 eine vergrößerte Darstellung eines Fasergeflechts der Kühlstruktur gemäß 4.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Komponente 1 einer Antriebseinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die Komponente 1 ist hier ein Stator einer Antriebseinheit in Form von einer elektrischen Maschine, von welchem hier lediglich ein Blechpaket 2 des Stators gezeigt ist. Die Antriebseinheit kann aber auch eine Hochvoltbatterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen oder eine Leistungselektronik mit Leistungsschaltern sein. Das Blechpaket 2 ist entlang einer Umfangsrichtung U um eine Längsachse L des Stators 1 umlaufend und hohlzylinderförmig ausgebildet. Die Längsachse L entspricht auch einer Rotationsachse, um welche sich ein in einem zylinderförmigen Hohlraum 3 des Blechpakets 2 drehbar gelagerter, hier nicht gezeigter Rotor der elektrischen Maschine dreht. Das Blechpaket 2 weist eine Innenseite 4 auf, welche den Hohlraum 3 umschließt. Außerdem weist das Blechpaket 2 eine der Innenseite 4 in radialer Richtung R gegenüberliegende Außenseite 5 auf. In der Innenseite 4 des Blechpakets 2 sind in Umfangsrichtung U eine Vielzahl von Wicklungsnuten 6 verteilt. Die Wicklungsnuten 6 erstrecken sich axial entlang der Längsachse L von einer ersten Stirnseite 7 des Blechpakets 2 zu einer der ersten Stirnseite 7 axial gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 8 des Blechpakets 2. In diesen Wicklungsnuten 6 werden hier nicht gezeigte Statorwicklungen des Stators 1 angeordnet.
Um den Stator 1 kühlen zu können, weist die Antriebseinheit eine Kühlvorrichtung 9 auf, welche in einer Explosionsdarstellung in 2 und in einer Querschnittdarstellung im zusammengesetzten Zustand in 3 gezeigt ist. Die Kühlvorrichtung 9 weist ein Gehäuse 10 auf, welches hier zweiteilig ausgebildet ist und welches an dem Blechpaket 2 angeordnet wird. Das Gehäuse 10 weist ein Innengehäuseteil 11 und ein Außengehäuseteil 12 auf, welche jeweils als hohlzylinderförmige Mantelwandelemente ausgebildet sind. Das Innengehäuseteil 11 wird beispielsweise anliegend an der Außenseite 5 des Blechpakets 2 angeordnet und umschließt das Blechpaket 2 mantelartig. Das Außengehäuseteil 12 wird unter Ausbildung eines Spaltes 13 (siehe 3) zwischen dem Innengehäuseteil 11 und dem Außengehäuseteil 12 konzentrisch zu dem Innengehäuseteil 11 angeordnet. Ein Innendurchmesser des Außengehäuseteils 12 ist also größer als ein Außendurchmesser des Innengehäuseteils 11. Der Spalt 13 ist hier also hohlzylinderförmig ausgebildet und bildet einen Kühlkanal mit einem ringförmigen Strömungsquerschnitt, durch welchen entlang einer Strömungsrichtung Kühlfluid zum Kühlen des Stators 1 fließen kann. Die Strömungsrichtung ist hier entlang der Lachse orientiert und der Strömungsquerschnitt liegt in der R-U-Ebene. Das Gehäuse 10 bildet also einen Kühlmantel für die Komponente 1, hier den Stator der elektrischen Maschine, aus.
Um dem Spalt 13 das Kühlfluid zuzuführen und wieder zu entnehmen, weist das Gehäuse 10 einen hier nicht gezeigten Kühlfluidanschluss auf, welcher einen Fluideinlass und einen Fluidauslass umfasst. Der Fluideinlass und der Fluidauslass können an axial gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 10 angeordnet sein, sodass im angeordneten Zustand des Gehäuses 10 am Blechpaket 2 der Fluideinlass beispielsweise im Bereich der ersten Stirnseite 7 des Blechpakets 2 und der Fluidauslass im Bereich der zweiten Stirnseite des Blechpakets 2 angeordnet ist. Der axiale, entlang der Strömungsrichtung windungslose Spalt 13 weist entlang der Strömungsrichtung einen geringen Strömungswiderstand für das Kühlfluid auf, wodurch das Kühlfluid laminar entlang der Außenseite 5 des Blechpakets 2 durch den Spalt 13 fließt. Diese laminare Strömung resultiert in einer unzureichenden Kühlleistung für die Komponente 1.
Um während des Fließens des Kühlfluids durch den Spalt 13 eine turbulente Strömung zu erzeugen, weist die Kühlvorrichtung 9 eine Kühlstruktur 14 auf. Die Kühlstruktur 14 ist in 4 in einer perspektivischen Darstellung, in 5 in einer Querschnittdarstellung in der R-U-Ebene und in 6 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Die Kühlstruktur 14 weist dabei insbesondere einen Querschnitt auf, welcher dem Strömungsquerschnitt entspricht. Daher ist die Kühlstruktur 14 hier als ein hohlzylinderförmiges Einlegeteil ausgebildet, welches in dem Spalt 13 angeordnet werden kann. Beispielsweise können das Innengehäuseteil 11, die Kühlstruktur 14 und das Außengehäuseteil 12 zusammengesteckt werden, sodass sie um die Längsachse L konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Die Kühlstruktur 14 weist hier ein Gewebe 15 bzw. Gestrick bzw. Geflecht aus Fasern 16, 17 auf. Die Fasern 16, 17 können beispielsweise Metalldrähte, Keramikfasern, Kunststofffasern oder dergleichen sein. So kann das Gewebe 15 kostengünstig und in hoher Stückzahl gefertigt werden. Hier ist das Gewebe 15 zweilagig ausgebildet. Die Fasern 16 bilden ein erstes Fasersystem 18 und die Fasern 17 bilden ein zweites Fasersystem 19. Die Fasern 16 sind hier parallel zueinander verlaufend in dem ersten Fasersystem 18 angeordnet und die Fasern 17 sind parallel zueinander verlaufend in dem zweiten Fasersystem 19 angeordnet. Die Fasersysteme 18, 19 sind hier rechtwinklig verkreuzt und bilden dadurch rechteckförmige Maschen 20 aus. Die Fasern 16, 17 können aber auch nicht parallel innerhalb des jeweiligen Fasersystems 18, 19 verlaufend angeordnet sein, sodass die Maschen 20 eine beliebige andere Form, beispielsweise trapezförmig oder sechseckig, aufweisen. Im angeordneten Zustand der Kühlstruktur 14 in dem Spalt 13 liegt eine Maschenebene in der U-L-Ebene, sodass das Kühlfluid entlang der Maschenebene und damit entlang der Kühlstruktur 14 strömt. Eine Dicke der Kühlstruktur 14 entspricht außerdem eine radialen Breite 21 des Spaltes 13, sodass die Kühlstruktur 14 den gesamten Strömungsquerschnitt ausfüllt. Somit existiert kein „freier“ Strömungsquerschnitt in dem Kühlkanal, durch welchen das Kühlfluid laminar strömen könnte.
Bezugszeichenliste

1: Komponente
2: Blechpaket
3: Hohlraum
4: Innenseite
5: Außenseite
6: Wicklungsnut
7: erste Stirnseite
8: zweite Stirnseite
9: Kühlvorrichtung
10: Gehäuse
11: Innengehäuseteil
12: Außengehäuseteil
13: Spalt
14: Kühlstruktur
15: Gewebe
16: Fasern
17: Fasern
18: Fasersystem
19: Fasersystem
20: Masche
21: Breit
L: Längsachse
R: radiale Richtung
U: Umfangsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016225521 A1 [0003]
DE 102012205404 A1 [0003]

Claims

Kühlvorrichtung (9) für eine elektrische Antriebseinheit eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zum Kühlen von zumindest einer Komponente (1) der Antriebseinheit, aufweisend - ein Gehäuse (10) für die zumindest eine Komponente (1) der Antriebseinheit, wobei das Gehäuse (10) zum Kühlen der zumindest einen Komponente (1) zumindest bereichsweise als ein Kühlmantel für die zumindest eine Komponente (1) ausgebildet ist und dazu zumindest einen, von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanal aufweist, und - zumindest eine Kühlstruktur (14), welche als ein Einlegeteil zum Einlegen in den zumindest einen Kühlkanal ausgebildet ist und welche dazu ausgelegt ist, einen Strömungswiderstand des Kühlfluids durch Erzeugen von Turbulenzen des Kühlfluids zu erhöhen.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlstruktur (14) in eingelegten Zustand in dem Kühlkanal zum Leiten des Kühlfluids entlang der Kühlstruktur (14) entlang einer Strömungsrichtung des Kühlfluids über eine vorbestimmte Länge des Kühlkanals, insbesondere über eine gesamte Länge des Kühlkanals, erstreckt.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsform und/oder Querschnittsgröße der Kühlstruktur (14) einem durch den Kühlkanal bereitgestellten Strömungsquerschnitt des Kühlfluids entspricht.
Kühlvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (14) als ein Fasergewebe (15) aufweisend eine Struktur aus gekreuzten Fasern (16, 17) ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (16, 17) des Einlegeteils aus Metall, Keramik und/oder Kunststoff bestehen.
Kühlvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) mehrteilig ausgebildet ist und zumindest ein, der Komponente (1) zugewandtes Innengehäuseteil (11) und zumindest ein, zu dem Innengehäuseteil (11) unter Ausbildung eines Spaltes (13) beabstandet angeordnetes Außengehäuseteil (12) aufweist, wobei die zumindest eine Kühlstruktur (14) in den Spalt (13), welcher den zumindest einen Kühlkanal ausbildet, einlegbar ist.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (9) zum Kühlen eines Stators einer elektrischen Maschine ausgebildet ist, wobei das Innengehäuseteil (11) und das Außengehäuseteil (12) zum Anordnen an einem hohlzylinderförmigen Blechpaket (2) des Stators jeweils als hohlzylinderförmige Mantelwandelemente ausgebildet sind und unter Ausbildung eines, einen ringförmigen Strömungsquerschnitt bereitstellenden Spalts (13) zwischen dem Innengehäuseteil (11) und dem Außengehäuseteil (12) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (14) als ein hohlzylinderförmiges Einlegeteil zum Einschieben in den Spalt (13) ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (9) zum Kühlen von zumindest einer Batteriezelle einer Hochvoltbatterie ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (10) zum Aufnehmen der zumindest einen Batteriezelle der Hochvoltbatterie kastenförmig ausgebildet ist, das Innengehäuseteil (11) und das Außengehäuseteil (12) als plattenförmige, zueinander planparallel angeordnete Gehäusewandelemente des Gehäuses (10) ausgebildet sind und der zumindest eine Kühlkanal als ein, einen rechteckförmigen Strömungsquerschnitt bereitstellender Spalt (13) zwischen dem Innengehäuseteil (11) und dem Außengehäuseteil (12) gebildet ist.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (15) als ein plattenförmiges Einlegeteil zum Einlegen in den Spalt (13) ausgebildet ist.
Antriebseinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug aufweisend zumindest eine Komponente (1) und eine Kühlvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Antriebseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Antriebseinheit als eine elektrische Maschine und/oder eine Hochvoltbatterie und/oder als ein Wechselrichter ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer Antriebseinheit nach Anspruch 11 oder 12.