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Die Erfindung betrifft eine Generatoranordnung für ein Hybridfahrzeug.
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Bei modernen Hybridfahrzeugen stellt sich u.a. das Problem der Kühlung einerseits des Verbrennungsmotors sowie andererseits des Elektromotors (welcher in der Regel auch als Generator dient), um ein Überhitzen der Motoren zu verhindern. Des Weiteren muss für eine Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums gesorgt werden. All dies sollte zumindest bei Hybridfahrzeugen im eigentlichen Sinne unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors möglich sein. Auch bei sogenannten milden Hybridfahrzeugen (Mild Hybrid Vehicle), bei welchen der Antrieb des Fahrzeugs nicht ausschließlich durch den Elektromotor gewährleistet wird, ist es wünschenswert, die o.g. Funktionen rein elektrisch zu realisieren zu können, bspw. wenn der Verbrennungsmotor im Stand vorübergehend abgeschaltet wird. Eine gängige Lösung besteht darin, drei unabhängige elektrische Einheiten mit jeweils wenigstens einem eigenen Elektromotor vorzusehen. Eine erste Einheit betreibt den Kompressor der Klimaanlage. Eine zweite Einheit betreibt die Kühlmittelpumpe eines Hochtemperatur-Kühlkreislaufs, welcher insbesondere den Verbrennungsmotor sowie ggf. andere Fahrzeugkomponenten durchläuft, die sich durch eine hohe Wärmeabgabe auszeichnen. Eine dritte Einheit treibt eine Kühlmittelpumpe eines Niedertemperatur-Kühlkreislaufs an, der verschiedene Fahrzeugkomponenten mit geringerer Wärmeabgabe durchlaufen kann, bspw. den Elektromotor/Generator sowie andere elektrische Komponenten. Diese Lösung bringt eine hohe Komplexität mit sich, benötigt viel Bauraum und erhöht das Fahrzeuggewicht. Daneben besteht auch die Möglichkeit, den Kompressor und/oder wenigstens eine Kühlmittelpumpe mechanisch (bspw. über einen Riementrieb) an den Hauptantrieb, also den Verbrennungsmotor und/oder den Elektromotor, zu koppeln. Auch diese Lösung ist oftmals komplex, da verschiedene mechanische Übertragungssysteme zur Anbindung der einzelnen Komponenten benötigt werden. Ein weiteres Problem bei dieser mechanischen Kopplung ist eine variable Einstellung bspw. des Kühlmittelflusses, der idealerweise unabhängig von der Drehzahl des Hauptantriebs sein sollte.
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Die
US 2018/0238291 A1 offenbart ein Hybridmodul zur Anordnung an einem Verbrennungsmotor, das zum Anlassen desselben ausgebildet ist. Das Hybridmodul umfasst einen Elektromotor zum Erzeugen eines Drehmoments und ein mit dem Elektromotor drehmomentübertragend verbundenes und auf einer Abtriebsachse positioniertes Abtriebselement zum Übertragen des Drehmoments auf eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Das Hybridmodul weist ein zentrisch zur Abtriebsachse angeordnetes Magnetgetriebe auf und das Drehmoment des Elektromotors ist über das Magnetgetriebe zum Abtriebselement übertragbar.
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Die
US 2016/0359441 A1 offenbart ein System mit einem Eingangsglied, einem Ausgangsglied, einem Magnetgetriebe, welches das Eingangsglied und das Ausgangsglied verbindet, sowie einer Steuereinheit, die einen Leistungsfluss vom Eingangsglied zum Ausgangsglied steuert. Das Magnetgetriebe weist eine erste Gruppe von Magnetpolen sowie eine zweite Gruppe von Magnetpolen auf sowie eine Gruppe magnetischer Polstücke, die eingerichtet sind, das Magnetfeld zwischen der ersten und der zweiten Gruppe zu modulieren. Die Steuereinheit weist Mittel zum Verringern der Übertragung von Drehmomentschwankungen und/oder -oszillationen vom Eingangsglied zum Ausgangsglied auf.
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Die
DE 10 2012 210 880 A1 zeigt eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, der durch eine betätigbare erste Kupplung mit einem Getriebe verbunden ist, und mit mindestens einer elektrischen Maschine, die mit dem Verbrennungsmotor und/oder mit dem Getriebe wirkverbindbar ist. Die elektrische Maschine ist durch eine betätigbare, elektromagnetisch arbeitende zweite Kupplung mit dem Verbrennungsmotor oder mit dem Getriebe verbunden. Insbesondere kann die zweite Kupplung als Magnetpulverkupplung oder magnetrheologische Fluidkupplung ausgebildet sein. Die elektrische Maschine kann über einen Riementrieb sowohl mit der zweiten Kupplung als auch mit einem Kompressor einer Klimaanlage oder mit einer Kühlmittelpumpe verbunden sein.
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Aus der
US 9 729 033 B2 ist eine elektrische Maschine zum Antrieb von einem oder mehreren Nebenaggregaten eines Motors bekannt. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator, der zur Drehung ausgelegt ist, und einen Rotor, der bezüglich des Stators drehbar gelagert ist, wobei die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine von einem Versorgungsstrom für die elektrische Maschine und der Drehzahl des Stators abhängt. Optional kann der Rotor einen Rotor einer Wasserpumpe oder Ölpumpe umfassen und Leitschaufeln aufweisen, die zur Bewegung eines Fluids ausgelegt sind. Ebenfalls optional kann der Stator über eine Magnetkupplung an eine Ausgangswelle des Motors gekoppelt sein.
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Die
US 6 705 416 B1 offenbart einen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang, welcher zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeuggetriebe mit veränderbarer Übersetzung eine erste elektrische Maschine und eine mit einer Getriebeeingangswelle permanent verbundene zweite elektrische Maschine aufweist. Zwischen den elektrischen Maschinen, welche jeweils als Motor und als Generator betreibbar sind, und dem Verbrennungsmotor ist jeweils eine schaltbare Kupplung angeordnet.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung eines effizienten Antriebs verschiedener Kühlsysteme eines Hybridfahrzeugs noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Antrieb verschiedener Kühlsysteme eines Hybridfahrzeugs bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Generatoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird eine Generatoranordnung für ein Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Hybridfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor auf sowie einen Elektromotor. Es kann sich um ein Hybridfahrzeug im engeren Sinne handeln, bei welchem der Elektromotor dazu ausgelegt ist, das Hybridfahrzeug zeitweise allein anzutreiben, oder um ein sogenanntes mildes Hybridfahrzeug, bei welchem der Elektromotor bspw. den Verbrennungsmotor beim Antrieb des Fahrzeugs unterstützen kann.
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Die Generatoranordnung weist einen Generator auf, der wiederum einen Rotor mit einer Rotorwelle zur wenigstens indirekten Verbindung mit einem Verbrennungsmotor und einen Stator aufweist. Der Generator ist eine elektrische Maschine, welche normalerweise auch als Elektromotor betrieben werden kann. Dieser Elektromotor kann dazu ausgelegt sein, dass Hybridfahrzeug anzutreiben bzw. den Verbrennungsmotor beim Antrieb zu unterstützen. Es kann sich allerdings bei dem Generator bzw. Elektromotor auch um eine elektrische Maschine handeln, die nicht zum eigentlichen Antrieb des Hybridfahrzeugs beiträgt. Der Generator weist einen Rotor sowie einen Stator auf, wobei der Stator normalerweise positionsfest am Fahrzeugkörper des Hybridfahrzeugs montiert ist, während der Rotor drehbar gegenüber dem Stator gelagert ist. Der Rotor weist eine Rotorwelle auf, die zur wenigstens indirekten Verbindung mit dem Verbrennungsmotor vorgesehen ist. Hiermit ist eine direkte oder indirekte mechanische Verbindung gemeint, bspw. über ein Getriebe oder einen Riemenantrieb. Die entsprechende Verbindung kann im Betriebszustand dauerhaft gegeben sein oder z.B. über ein Kupplung trennbar ausgebildet sein. Die Rotorwelle ist mit anderen Teilen des Rotors, insbesondere seinen elektrischen bzw. magnetischen Komponenten, drehfest verbunden. Im Generatorbetrieb wird über die Rotorwelle seitens des Verbrennungsmotors eine Antriebskraft eingekoppelt, durch die der Rotor gegenüber dem Stator gedreht wird, wodurch elektrische Energie für unterschiedliche Zwecke gewonnen werden kann, bspw. zum Betrieb elektrischer Komponenten des Hybridfahrzeugs oder zur Einspeisung in eine Fahrzeugbatterie.
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Des Weiteren weist die Generatoranordnung wenigstens eine Kühlmittelpumpe auf sowie einen Kompressor einer Klimaanlage, die jeweils durch den Rotor antreibbar sind und von denen wenigstens eines eine Drehzahl aufweist, die über ein zwischengeordnetes Magnetgetriebe unabhängig von einer Drehzahl des Rotors veränderbar ist. Jede Kühlmittelpumpe ist jeweils einem Kühlkreislauf zugeordnet, in dem im Betriebszustand ein flüssiges Kühlmittel, bspw. ein Wasser-Glykol-Gemisch, gefördert wird. Der Kühlkreislauf durchläuft wenigstens einen Teil bzw. wenigstens eine Komponente des Hybridfahrzeugs und versorgt diese mit Kühlmittel. Im Betriebszustand muss nicht ausschließlich eine Kühlung der Teile des Hybridfahrzeugs erfolgen, welche vom Kühlkreislauf durchlaufen werden. Wenigstens zeitweise kann auch eine Erwärmung erfolgen. Soweit der Kühlkreislauf eine Kühlung bewirkt, wobei das Kühlmittel Wärme aufnimmt, kann diese Wärme an anderer Stelle über einen geeigneten Wärmetauscher wieder abgegeben werden. Wie nachfolgend noch erläutert wird, ist bei Vorhandensein mehrerer Kühlmittelpumpen in der Regel jede Kühlmittelpumpe einem eigenen Kühlkreislauf zugeordnet. Der Kompressor ist einer Klimaanlage des Hybridfahrzeugs zugeordnet, wobei er dazu dient, das Kältemittel der Klimaanlage zu verdichten, insbesondere derart, dass es vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Gleichzeitig dient der Kompressor dazu, dass Kältemittel zu fördern. An anderer Stelle expandiert das Kältemittel, wobei es insbesondere den gasförmigen Zustand zurückkehren kann, und nimmt Wärme auf, wodurch wiederum der Innenraum des Hybridfahrzeugs gekühlt wird.
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Sowohl die wenigstens eine Kühlmittelpumpe als auch der Kompressor sind durch den Rotor antreibbar, d.h. sofern sich der Rotor dreht, können auch die genannten Elemente angetrieben werden. Dabei kann der Rotor entweder extern seitens des Verbrennungsmotors über die Rotorwelle angetrieben werden, so dass auch Kühlmittelpumpe(n) und Kompressor mittelbar über den Verbrennungsmotor angetrieben werden, oder der Generator wird als Elektromotor betrieben, so dass die genannten Elemente elektrisch betrieben werden, bspw. durch Energie, die aus einer Fahrzeugbatterie entnommen wird. Über den Rotor erfolgt somit ein Antrieb von wenigstens zwei Komponenten (Kühlmittelpumpe und Kompressor), was im Gegensatz zu Konzepten im Stand der Technik steht, bei denen für jede Einheit eine eigene elektrische Antriebseinheit vorgesehen ist. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau, es wird weniger Bauraum benötigt und das Fahrzeug Gewicht kann reduziert werden.
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Besonders vorteilhaft ist, dass wenigstens eine Kühlmittelpumpe und/oder eher Kompressor eine Drehzahl aufweist, die durch ein zwischengeordnetes Magnetgetriebe unabhängig von der Drehzahl des Rotors veränderbar ist. Bei einem Magnetgetriebe erfolgt die Kopplung nicht mechanisch durch einen Kraftschluss oder Formschluss, sondern durch die Wirkung von Magnetfeldern. Dabei ist antriebsseitig sowie abtriebsseitig jeweils eine Mehrzahl von Magneten vorgesehen, die sich einem inneren Getrieberotor sowie einem äußeren Getrieberotor zuordnen lassen. Dazwischen ist ein Getriebestator angeordnet, der eine Mehrzahl von ferromagnetischen Elementen aufweist, über die die Magnete des inneren sowie der äußeren Getrieberotors aneinandergekoppelt werden. Bei einem herkömmlichen Magnetgetriebe sind sämtliche Magnete als Permanentmagnete ausgebildet und der Getriebestator wird stationär gehalten. In diesem Fall steht die Drehzahl des inneren Getrieberotors in einem festen Verhältnis zur Drehzahl des äußeren Getrieberotors. Es bestehen allerdings verschiedene Möglichkeiten, das Drehzahlverhältnis zwischen äußerem Getrieberotor und innerem Getrieberotor zu verändern. Eine Möglichkeit besteht darin, statt eines stationären Getriebestators einen weiteren, mittleren Getrieberotor vorzusehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, beim inneren Getrieberotor oder beim äußeren Getrieberotor statt Permanentmagneten Elektromagnete zu verwenden und das durch diese Elektromagnete erzeugte Magnetfeld periodisch zu verändern. Bspw. wäre es hierdurch möglich, die tatsächliche physische Rotation des entsprechenden Getrieberotors durch eine gewissermaßen virtuelle Rotation des erzeugten Magnetfelds zu überlagern. Insbesondere die beschriebene Veränderung des Magnetfelds kann erfindungsgemäß genutzt werden, um unterschiedliche Drehzahlverhältnisse zu realisieren. Dabei ist ein Getrieberotor (normalerweise der innere Getrieberotor) dem Rotor des Generators zugeordnet und kann bspw. an der Rotorwelle befestigt sein, während der andere Getrieberotor (normalerweise der äußere Getrieberotor) direkt oder indirekt mit einer Kühlmittelpumpe und/oder dem Kompressor verbunden ist, um diese anzutreiben. Dabei lassen sich bspw. bei einem Kompressor auch höhere Drehzahlen realisieren als beim Rotor des Generators. Insbesondere kann aber über das Magnetgetriebe die Drehzahl des Kompressors bzw. der Kühlmittelpumpe angepasst werden, ohne dass eine Veränderung der Drehzahl des Generators notwendig wäre. Umgekehrt ist es denkbar, die Drehzahl des Kompressors bzw. der Kühlmittelpumpe wenigstens näherungsweise konstant zu halten, auch wenn sich die Drehzahl des Generators ändert. Wenngleich hier von „einem“ Magnetgetriebe gesprochen wird, ist dies ausdrücklich so zu verstehen, dass die Generatoranordnung wenigstens ein Magnetgetriebe aufweist, d.h. es kann auch eine Mehrzahl von Magnetgetrieben vorhanden sein, wie im Weiteren noch erläutert wird.
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Darüber hinaus bringt die Verwendung eines Magnetgetriebes weitere Vorteile mit sich. So entstehen innerhalb des Magnetgetriebes keinerlei mechanische Reibungsverluste, und die elektromagnetischen Verluste durch Ummantelung, Wirbelströme und dergleichen sind im Allgemeinen deutlich geringer als Verluste bei einem mechanischen Getriebe. Außerdem ist es wesentlich einfacher, die Pumpe bzw. den Kompressor nach außen hin abzudichten, da die beweglichen Teile nicht mechanisch an den Rotor gekoppelt sein müssen. Bspw. kann ein äußerer Getrieberotor, der dem Kompressor bzw. der Kühlmittelpumpe zugeordnet ist, innerhalb eines abgedichteten Gehäuses der Kühlmittelpumpe angeordnet sein, ohne in Kontakt mit dem Rotor oder anderen Teilen des Generators zu kommen. Entsprechend ist auch keine Schmierung wie bei einem mechanischen Getriebe notwendig.
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In der Regel ist es vorteilhaft, wenn der Antrieb der wenigstens einen Kühlmittelpumpe vom Antrieb des Kompressors möglich ist. Daher ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Drehzahl wenigstens einer Kühlmittelpumpe über ein erstes Magnetgetriebe und eine Drehzahl des Kompressors über ein zweites Magnetgetriebe unabhängig voneinander und von einer Drehzahl des Rotors veränderbar sind. D.h. die Generatoranordnung weist in dieser Ausgestaltung eine erstes Magnetgetriebe auf, das zwischen wenigstens einer Kühlmittelpumpe und dem Rotor zwischengeordnet ist, sowie ein zweites Magnetgetriebe, das zwischen dem Kompressor und dem Rotor zwischengeordnet ist. Hierdurch sind in der oben erläuterten Weise die Drehzahlen sowohl der Kühlmittelpumpe(n) als auch des Kompressors unabhängig von der Drehzahl des Rotors veränderbar. Da die beiden Magnetgetriebe unabhängig voneinander sind, ist auch die Drehzahl der Kühlmittelpumpe(n) unabhängig von der Drehzahl des Kompressors veränderbar. Hinsichtlich des Aufbaus können die beiden Magnetgetriebe gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Normalerweise sind die beiden Magnetgetriebe in axialer Richtung zueinander versetzt an der Rotorwelle angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Generatoranordnung zwei Kühlmittelpumpen auf, wobei ein Antriebsteil einer ersten Kühlmittelpumpe und ein Antriebsteil einer zweiten Kühlmittelpumpe durch ein die Rotorwelle umgebendes Kopplungselement verdrehsicher gekoppelt sind. Das jeweilige Antriebsteil bildet selbstverständlich einen beweglichen Teil der jeweiligen Kühlmittelpumpe und steht im engen Zusammenhang mit der eigentlichen Förderfunktion der Pumpe. Unter Umständen kann es sich auch um ein Bauteil handeln, das unmittelbar die Kühlflüssigkeit fördert. Die beiden Antriebsteile sind durch das Kopplungselement verdrehsicher gekoppelt, normalerweise drehfest, d.h. derart, dass eine relative Verdrehung der Antriebsteile gegeneinander höchstens in vernachlässigbarem Maße möglich ist. Die Antriebsteile sind normalerweise koaxial zur Rotorwelle drehbar. Sie sind über das Kopplungselement gekoppelt, welches die Rotorwelle umgibt. Das Kopplungselement kann bspw. zylindrisch ausgebildet sein und koaxial zur Rotorwelle angeordnet sein. Es versteht sich, dass bei dieser Ausführungsform die Drehzahlen der beiden Kühlmittelpumpen stets gleich sind. Durch das Vorhandensein des Kopplungselements vereinfacht sich der mechanische Aufbau insofern, als die beiden Antriebsteile gemeinsam angetrieben werden können. Sofern ein Antriebsteil direkt oder indirekt über ein Magnetgetriebe an den Rotor gekoppelt ist, ist aufgrund der Verbindung durch das Kopplungselement automatisch auch das wenigstens eine andere Antriebsteil an den Rotor gekoppelt, d.h. durch den Rotor antreibbar.
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Alternativ oder zusätzlich wäre es auch denkbar, nur ein Magnetgetriebe einzusetzen, wobei ein Antriebsteil wenigstens einer Kühlmittelpumpe und eine Antriebsteil des Kompressors durch ein Kopplungselement verdrehsicher gekoppelt sind. Hierdurch vereinfacht sich der Gesamtaufbau, da nur ein Magnetgetriebe notwendig ist, allerdings ergeben sich normalerweise Probleme, wenn die Drehzahl der Kühlmittelpumpe(n) an die Drehzahl des Kompressors gekoppelt ist.
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Insbesondere kann ein Magnetgetriebe zwischen dem Kopplungselement und der Rotorwelle zwischengeordnet sein. D.h., das Magnetgetriebe ist zwischen dem Kopplungselement und der Rotorwelle angeordnet, so dass primär ein Antrieb des Kopplungselements erfolgt, wobei die Antriebsteile aufgrund ihrer Verbindung mit dem Kopplungselement mit angetrieben werden. Bezogen auf die Längsachse der Rotorwelle kann das Kopplungselement koaxial zur Rotorwelle angeordnet sein, wobei die Antriebsteile radial außenseitig am Kopplungselement angeordnet sind. Das Kopplungselement kann seinerseits bspw. durch Wälzlager oder andere geeignete Lager drehbar gelagert sein, steht aber dank des Magnetgetriebes nicht in Kontakt mit der Rotorwelle, so dass zwischen diesen beiden Teilen keinerlei Reibung auftritt.
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Sofern zwei Kühlmittelpumpen wie oben beschrieben mit der gleichen Drehzahl betrieben werden, könnte dies dazu führen, dass die Förderleistung einer der Kühlmittelpumpen nicht an die aktuellen Erfordernisse angepasst sind. Über das Magnetgetriebe ist es möglich, die Drehzahl z.B. bezüglich einer der Kühlmittelpumpen optimal einzustellen, was jedoch zu einer entweder zu hohen oder zu niedrigen Förderleistung der anderen Kühlmittelpumpe führen könnte. Um diesem Problem zu begegnen, ist bevorzugt eine Kühlmittelpumpe derart einstellbar, dass eine Förderleistung unabhängig von einer Drehzahl des Antriebsteils dieser Kühlmittelpumpe veränderbar ist. Dies bedeutet in der Regel, dass wenigstens ein Förderelement der Kühlmittelpumpe, welches unmittelbar mit dem Kühlmittel zusammenwirkt, um dieses zu fördern, verstellbar ist. Diese Verstellbarkeit sorgt dafür, dass z.B. bei gleicher Drehzahl unterschiedliche Förderleistungen möglich sind, d.h. die Kühlmittelpumpe kann bei gleicher Drehzahl unterschiedlich effektiv arbeiten. Insbesondere kann dabei ein Anstellwinkel des wenigstens einen Förderelements in Bezug auf seine Bewegungsrichtung verändert werden.
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Bevorzugt ist wenigstens eine Kühlmittelpumpe als Kreiselpumpe ausgebildet und weist als Antriebsteil ein koaxial zur Rotorwelle angeordnetes Pumpenrad auf, wobei an dem Pumpenrad angeordnete Förderelemente einstellbar sind, um die Förderleistung unabhängig von einer Drehzahl des Pumpenrads zu verändern. Das Pumpenrad weist normalerweise eine Mehrzahl von Flügeln bzw. Schaufeln als Förderelemente auf, die auf das Kühlmittel einwirken. Die Rotationsachse des Pumpenrades verläuft koaxial zur Rotorwelle. Die Förderelemente sind einstellbar ausgebildet, um die Förderleistung der Kühlmittelpumpe unabhängig von der Drehzahl einzustellen. Das Pumpenrad könnte bspw. eine Nabe (als Antriebselement) aufweisen, an welcher die Förderelemente angeordnet sind, wobei der Anstellwinkel des einzelnen Förderelements durch eine Drehung um eine radial verlaufende Drehachse veränderbar sein kann.
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Bevorzugt weist die Generatoranordnung eine erste Kühlmittelpumpe auf, die an einen Hochtemperatur-Kühlkreislauf angeschlossen ist, der den Verbrennungsmotor durchläuft. Der Hochtemperatur-Kühlkreislauf ist also dazu ausgebildet, Kühlmittel durch den Verbrennungsmotor (bzw. ein Wassermantel desselben) hindurchzuführen, was bei aufgewärmten Verbrennungsmotor zu einer Kühlung desselben führt. Der Hochtemperatur-Kühlkreislauf kann unter Umständen verzweigt ausgebildet sein, bspw. um neben dem Verbrennungsmotor weitere Fahrzeugkomponenten zu erreichen oder um einerseits einen Wassermantel eines Motorblocks und andererseits ein Wassermantel eines Zylinderkopfes zu durchlaufen. Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen parallelen Anordnung innerhalb des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs ist auch eine serielle Anordnung möglich, bei welcher Komponenten hintereinander im Kühlkreislauf angeordnet sind, so dass das Kühlmittel diese Komponenten nacheinander durchströmt. In jedem Fall durchläuft der Hochtemperatur-Kühlkreislauf auch einen Wärmetauscher, normalerweise einen Hauptkühler des Hybridfahrzeugs, der frontseitig hinter einem Kühlergrill angeordnet sein kann. Der Begriff „Hochtemperatur-Kühlkreislauf“ ist in diesem Zusammenhang nicht einschränkend auszulegen, sondern dient primär zur begrifflichen Unterscheidung. Allerdings ist im Betriebszustand der Verbrennungsmotor bzw. ein Teil desselben in der Regel die wärmste Fahrzeugkomponente, weshalb auch das Kühlmittel nach Durchlaufen des Verbrennungsmotors eine hohe Temperatur erreichen kann.
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Ebenfalls bevorzugt weist die Generatoranordnung eine zweite Kühlmittelpumpe auf, die an einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf angeschlossen ist. Der Begriff „zweite Kühlmittelpumpe“ dient zu begrifflichen Unterscheidung und impliziert nicht, dass die Generatoranordnung bei dieser Ausführungsform zwingend die o.g. erste Kühlmittelpumpe aufweisen muss. Wie oben hinsichtlich des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs erläutert, ist auch der Begriff „Niedertemperatur-Kühlkreislauf“ nicht einschränkend auszulegen, wenngleich der Niedertemperatur-Kühlkreislauf typischerweise Fahrzeugkomponenten kühlt, die im Betriebszustand eine geringere Temperatur erreichen als der Verbrennungsmotor bzw. in denen deutlich weniger Wärme erzeugt wird. Bspw. können hiermit verschiedene elektrische Komponenten gekühlt werden. Auch der Niedertemperatur-Kühlkreislauf durchläuft einen Wärmetauscher, bspw. einen Heizkern der Klimaanlage, durch welchen der Fahrzeuginnenraum beheizt werden kann. Sofern der Niedertemperatur-Kühlkreislauf eine Mehrzahl von Fahrzeugkomponenten durchläuft, ist auch hier sowohl eine parallele Anordnung als auch eine serielle Anordnung möglich.
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Bevorzugt ist der Generator mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf wenigstens verbindbar. Hier und im Folgenden bedeutet „wenigstens verbindbar“, dass entweder eine permanente Verbindung gegeben ist oder eine optional herstellbare Verbindung, was sich jeweils auf eine fluidleitende Verbindung bezieht. Eine optional herstellbare Verbindung kann über eines oder mehrere Ventile realisiert sein. D.h. ein Teil des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs durchläuft den Generator, so dass Kühlmittel durch den Generator hindurchgeführt werden kann. Dies ist insofern vorteilhaft, als eine reine Luftkühlung des Generators unter Umständen nicht ausreicht. Andererseits ist die im Generator erzeugte Wärmeleistung in der Regel deutlich geringer als die im Verbrennungsmotor, weshalb eine Einbindung in den Niedertemperatur-Kühlkreislauf statt in den Hochtemperatur-Kühlkreislauf ausreichend ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Generator mit einem Klima-Kühlkreislauf der Klimaanlage wenigstens verbindbar sein. Der Klima-Kühlkreislauf ist der zur Klimaanlage zugehörige Kreislauf, in welchem das Kältemittel geführt ist. Neben dem Kompressor weist der Klima-Kühlkreislauf in bekannter Weise auch einen Bereich auf, in welchem das Kältemittel expandiert, wobei es Wärme aufnimmt. Wie bereits oben erläutert, bewirkt der Kompressor oftmals eine Verflüssigung, während die Expansion zu einer erneuten Verdampfung des Kältemittels führt. Bei dieser Ausführungsform kann insbesondere eine Bypass-Leitung des Klima-Kühlkreislaufs, die den Verdampfer umgeht, durch den Generator geführt sein. Durch eine wenigstens zeitweise Verbindung des Generators mit dem Klima-Kühlkreislauf kann die Temperatur des Kältemittels, die in der Regel auch nach dem Wärmeaustausch z.B. mit der Innenraumluft des Fahrzeugs noch verringert ist, genutzt werden, um den Generator zumindest anteilig zu kühlen. D.h. es wird hier eine noch vorhandene „Restkälte“ des Kältemittels genutzt.
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In aller Regel ist dem Generator ein Stromrichter zugeordnet, der bspw. als Umrichter oder Gleichrichter dazu dienen kann, die im Generator erzeugte Wechselspannung auf eine andere Frequenz umzurichten oder in Gleichspannung umzuwandeln. Andererseits kann der Umrichter beim Betrieb des Generators als Elektromotor auch als Wechselrichter dazu dienen, eine Wechselspannung geeigneter Frequenz zu erzeugen, bspw. auf Basis einer Gleichspannung, die von einer Fahrzeugbatterie zur Verfügung gestellt wird. Der Stromrichter kann mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf und/oder dem Klima-Kühlkreislauf wenigstens verbindbar sein. Auch innerhalb des Stromrichters kann aufgrund von elektrischen Widerständen eine deutliche Wärmeleistung erzeugt werden, die zu einer nachteiligen Erwärmung des Stromrichters führen könnte. Teilweise könnte eine indirekte Kühlung des Stromrichters bspw. durch einen Kontakt mit dem Generator erfolgen. Unter Umständen ist aber auch eine direkte Kühlung wie hier beschrieben vorteilhaft, wobei wenigstens eine Leitung des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs bzw. des Klima-Kühlkreislaufs den Stromrichter durchläuft. Innerhalb des jeweiligen Kühlkreislaufs kann der Stromrichter insbesondere parallel zum Generator angeordnet sein.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Generatoranordnung sowie weiterer Komponenten eines Hybridfahrzeugs.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Generatoranordnung 1 für ein Hybridfahrzeug, mit einem Generator 2, der einen Stator 3 aufweist, welcher stationär am Fahrzeugkörper befestigt ist, sowie einen Rotor 4, der gegenüber dem Stator 3 drehbar gelagert ist. Der Rotor 4 weist eine Rotorwelle 5 auf, die bspw. über eine hier dargestellte Riemenscheibe 7 oder alternativ über andere Mittel mit einem Verbrennungsmotor 13 des Hybridfahrzeugs verbunden werden kann, so dass sie über den Verbrennungsmotor 13 antreibbar ist. Bei diesem Generatorbetrieb wird elektrische Spannung erzeugt, die durch einen Stromrichter 6 bspw. gleichgerichtet werden kann, um die gewonnene Leistung in eine hier nicht dargestellte Fahrzeugbatterie einzuspeisen. Umgekehrt kann der Stromrichter 6 auch eine Betriebsspannung geeigneter Frequenz bereitstellen, so dass der Generator 2 als Elektromotor betrieben werden kann. In diesem Motorbetrieb wird der Rotor 4 mit der Rotorwelle 5 unabhängig vom Verbrennungsmotor 13 angetrieben. Optional kann der Generator 2 im Motorbetrieb auch wenigstens unterstützend zum Antrieb des Hybridfahrzeugs dienen, d.h. er kann über die Riemenscheibe 27 oder ein anderes geeignetes Verbindungselement eine Antriebskraft übertragen, durch die wenigstens anteilig die Räder des Hybridfahrzeugs angetrieben werden.
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Ein in etwa hohlzylindrisch ausgebildetes Kopplungselement 8 ist koaxial zur Rotorwelle 5 angeordnet und relativ zu dieser sowie zum Stator 3 drehbar gelagert. Durch das Kopplungselement 7 sind ein Pumpenrad 11 einer ersten Kühlmittelpumpe 10 sowie ein Pumpenrad 16 einer zweiten Kühlmittelpumpe 15 drehfest miteinander verbunden. Die erste Kühlmittelpumpe 10 gehört zu einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf 12, der den Verbrennungsmotor 13, einen (dualen) Heizkern 19 einer Innenraumheizung des Hybridfahrzeugs sowie einen Hauptkühler 14 des Hybridfahrzeugs durchläuft. Das im Hochtemperatur-Kühlkreislauf 12 enthaltene Kühlmittel wird durch die erste Kühlmittelpumpe 10 angetrieben und nimmt bspw. bei ausreichend aufgewärmtem Verbrennungsmotor 13 Wärme auf, wenn es diesen durchläuft, und gibt diese am Heizkern 19 an den Innenraum des Hybridfahrzeugs sowie am Hauptkühler 14 an die Fahrzeugumgebung ab.
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Die zweite Kühlmittelpumpe 15 gehört zu einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf 17, der zum einen den Generator 2 sowie den Stromrichter 6 durchläuft sowie zum anderen eine hier schematisch dargestellte weitere elektrische Vorrichtung 18 und den Heizkern 19. Das im Niedertemperatur-Kühlkreislauf 17 enthaltene Kühlmittel wird durch die zweite Kühlmittelpumpe 15 gefördert und nimmt normalerweise beim Durchlaufen des Generators 2, des Stromrichters 6 sowie der elektrischen Vorrichtung 18 Wärme auf, die es wiederum beim Durchlaufen des Heizkerns 19 an den Innenraum des Fahrzeugs abgeben kann. In dieser Darstellung ist der Niedertemperatur-Kühlkreislauf 17 in zwei parallele Zweige aufgeteilt, von denen einer den Generator 2 sowie den Umrichter 6 durchläuft und der andere die elektrische Vorrichtung 18 sowie den Heizkern 19. Dies ist rein beispielhaft zu verstehen und der Generator 2, der Umrichter 6 sowie die elektrische Vorrichtung 18 könnten auch seriell, also hintereinander, innerhalb des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs 17 angeordnet sein.
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Die Generatoranordnung 1 weist auch einen Kompressor 20 mit einem Verdichterrad 21 auf. Der Kompressor 20 ist an einen Klima-Kühlkreislauf 22 angeschlossen, der vom Kompressor 20 über einen Kondensator 23 sowie ein hier nicht dargestelltes Expansionsventil zu einem Verdampfer 24 führt sowie durch den Generator 2 und den Stromrichter 6 wieder zurück zum Kompressor 20. Der Kompressor 20 zwangsverdichtet das Kältemittel, welches sich im Kondensator 23 verflüssigt und ebenfalls durch die Wirkung des Kompressors 20 über das erwähnte Expansionsventil zum Verdampfer 24 geführt wird, wo es verdampft und expandiert und dabei Wärme aufnimmt, welche der Luft im Fahrzeuginnenraum entzogen werden kann. Das Kältemittel kann auch beim Durchlaufen des Generators 2 sowie des Stromrichters 6 Wärme aufnehmen, bevor es wieder den Kompressor 20 erreicht. Optional kann das Kältemittel wenigstens teilweise durch eine Bypassleitung 25 am Verdampfer 24 vorbeigeführt werden, so dass es nur den Generator 2 und den Stromrichter 6 durchläuft. Hierdurch kann einerseits eine kühleres Kältemittel mit wärmerem Kältemittel aus dem Verdampfer vermischt werden, um eine zu hohe Kältemitteltemperatur zu verhindern. Andererseits ist es hierdurch möglich, die Kühlung des Generators 2 und des Stromrichters 6 zu verbessern, falls nötig. Die entsprechende Bypassleitung 25 ist mit einem Ventil 26 versehen, durch das sie bedarfsweise geschlossen oder geöffnet werden kann.
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Während des Betriebs des Hybridfahrzeugs kann eine Drehzahl des Rotors 4 variieren, bspw. beim Generatorbetrieb in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors 13. Die jeweils gegebene Drehzahl des Rotors 4 weicht normalerweise von einer momentan optimalen Drehzahl der Kühlmittelpumpen 10, 15 (bzw. der Pumpenräder 11, 16) und/oder einer optimalen Drehzahl des Kompressors 20 (bzw. des Verdichterrades 21) ab. Um einen für wenigstens eine der Kühlmittelpumpen 10, 15 geeignete Drehzahl einzustellen, ist das Kopplungselement 7 über ein zwischengeordnetes erstes Magnetgetriebe 8 an die Rotorwelle 5 gekoppelt. Entsprechend sind auch die Pumpenräder 11, 16 über das Kopplungselement 7 und das Magnetgetriebe 8 an die Rotorwelle 5 gekoppelt. Um eine für den Kompressor 20 geeignete Drehzahl einzustellen, ist das Verdichterrad 21 über ein zwischengeordnetes zweites Magnetgetriebe 9 an die Rotorwelle 5 gekoppelt. Die hier schematisch dargestellten Magnetgetriebe 8, 9 weisen jeweils einen inneren Getrieberotor auf, der mit der Rotorwelle 5 verbunden ist, einen äußeren Getrieberotor, der mit dem Kopplungselement 7 bzw. mit dem Verdichterrad 21 verbunden ist, sowie einen zwischen geordneten Getriebestator.
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Dabei ist sowohl die Drehzahl des Kopplungselements 7 und als auch die Drehzahl des Verdichterrades 21 unabhängig von der Drehzahl der Rotorwelle 5 veränderbar. Hierzu kann bspw. der innere Getrieberotor eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweisen, die über zwischengeordnete ferromagnetische Elemente des Getriebestators mit einer Mehrzahl von Elektromagneten des äußeren Getrieberotors zusammenwirken. Die Magnetisierung der Elektromagnete kann dabei periodisch verändert werden, so dass die physische Rotation des äußeren Getrieberotors gegenüber dem inneren Getrieberotor durch eine virtuelle Rotation des Magnetfelds überlagert wird. Somit lassen bspw. bei einer konstanten Drehzahl der Rotorwelle 5 unterschiedliche Drehzahlen des Kopplungselements 7 realisieren oder bei unterschiedlichen Drehzahlen der Rotorwelle 5 eine annähernd gleichbleibende Drehzahl des Kopplungselements 7. Gleiches gilt für die Drehzahl des Verdichterrad des 21 im Verhältnis zur Drehzahl der Rotorwelle 5. Auf diese Weise kann bspw. auch bei niedrigen Drehzahlen des Rotors 4 eine optimale Drehzahl des Verdichterrades 21 realisiert werden ebenso wie eine hiervon unabhängige optimale Drehzahl des Kopplungselement 7 und somit der Pumpenräder 11, 16. Die Pumpenräder 11, 16 der beiden Kühlmittelpumpen 10, 15 sind drehfest miteinander verbunden und weisen daher die gleiche Drehzahl auf. Dies könnte je nach Betriebszustand des Hybridfahrzeugs und der zu kühlenden Fahrzeugkomponenten zu einer übermäßigen Kühlmittelförderung und somit zu einer zu starken Kühlung führen. Aus diesem Grund weisen die Pumpenräder 11, 16 jeweils einstellbare Flügel bzw. Schaufeln auf, deren Anstellwinkel im Verhältnis zur Drehachse des Pumpenrades 11, 16 veränderbar ist. Auf diese Weise ist die Förderleistung der jeweiligen Kühlmittelpumpe 10, 15 unabhängig von ihrer Drehzahl veränderbar. Alternativ wäre es auch möglich, nur bei einem der Pumpenräder 11, 16 einstellbare Flügel vorzusehen.
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Insgesamt lassen sich mit der erfindungsgemäßen Generatoranordnung 1 zwei Kühlmittelpumpen 10, 15 für zwei unabhängige Kühlkreisläufe 12, 17 sowie der Kompressor 20 eines dritten Kühlkreislaufs 22 über eine einzige Rotorwelle 5 antreiben. Dennoch lässt sich über die Magnetgetriebe 8, 9 sowie über die einstellbaren Pumpenräder 11, 16 der Kühlmittelfluss in jedem der Kühlkreisläufe 12, 17, 22 bedarfsgerecht einstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Generatoranordnung
- 2
- Generator
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Rotorwelle
- 6
- Stromrichter
- 7
- Kopplungselement
- 8
- erstes Magnetgetriebe
- 9
- zweites Magnetgetriebe
- 10
- erste Kühlmittelpumpe
- 11, 16
- Pumpenrad
- 12
- Hochtemperatur-Kühlkreislauf
- 13
- Verbrennungsmotor
- 14
- Hauptkühler
- 15
- zweite Kühlmittelpumpe
- 17
- Niedertemperatur-Kühlkreislauf
- 18
- elektrische Vorrichtung
- 19
- Heizkern
- 20
- Kompressor
- 21
- Verdichterrad
- 22
- Klima-Kühlkreislauf
- 23
- Kondensator
- 24
- Verdampfer
- 25
- Bypassleitung
- 26
- Ventil
- 27
- Riemenscheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0238291 A1 [0003]
- US 2016/0359441 A1 [0004]
- DE 102012210880 A1 [0005]
- US 9729033 B2 [0006]
- US 6705416 B1 [0007]
