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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine elektrische Maschine und eine dieser zugeordnete Leistungselektronik, die in Reihe in einen Kühlmittelkreislauf geschaltet sind und im Betrieb nacheinander von einem Kühlmittel durchströmt werden, wobei die Durchströmungsrichtung des Kühlmittels durch die elektrische Maschine und die Leistungselektronik umschaltbar ist.
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Moderne Kraftfahrzeuge sind zunehmend mit einer oder mehreren elektrischen Maschinen, die dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienen, ausgerüstet, wobei die elektrische Maschine entweder in Kombination mit einem Verbrennungsmotor unterstützend wirkt oder als alleiniger Antrieb dient. Einer solchen elektrischen Maschine ist stets eine Leistungselektronik üblicherweise in Form eines Pulswechselrichters zugeordnet, über welche die Bestromung der elektrischen Maschine gesteuert respektive geregelt wird. Da im Betrieb sowohl die elektrische Maschine als auch die Leistungselektronik respektive der Pulswechselrichter sich erwärmen ist, um sicherzustellen, dass keine die Leistungsfähigkeit beeinträchtigenden kritischen Temperaturen erreicht werden, eine aktive Kühlung beider Funktionskomponenten erforderlich. Hierzu sind die elektrische Maschine und die Leistungselektronik in einen Kühlmittelkreislauf geschaltet, in dem sie in Reihe angeordnet sind, mithin also, kreislauftechnisch gesehen, nacheinander vom Kühlmittel durchströmt werden. Sie sind also in einem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf, üblicherweise einem Wasserkreislauf, fest in Reihe geschaltet und werden vom Kühlmittel, üblicherweise Wasser, durchströmt. Dieses wird üblicherweise zunächst der Leistungselektronik über den Vorlauf des Kühlmittelkreislaufs zugeführt, strömt durch die Leistungselektronik zur Elektromaschine und durch diese zu einem Rücklauf des Kühlmittelkreislaufs, von wo aus das Kühlmittel wieder in bekannter Weise abgekühlt wird und erneut dem Vorlauf zugeführt wird. Die Kühlreihenfolge ist, nachdem beide Komponenten in fester Reihenschaltung in den Kühlmittelkreislauf integriert sind, definiert.
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Da die Temperaturverteilung zwischen der elektrischen Maschine und der Leistungselektronik jedoch während des Betriebs des Kraftfahrzeugs variiert, ist die bisher vorgesehene Kühleinrichtung nicht in Bezug auf eine variierende Betriebssituation ausgelegt.
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DE 10 2013 212 837 A1 offenbart einen Heiz- und Kühlmittelkreislauf für ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der Heiz- und Kühlmittelkreislauf besteht aus zwei Leitungszweigen, wobei der erste Leitungszweig durch eine Kühlmittelpumpe und zwei Wärmetauscher führt und der zweite Leitungszweig durch einen Fahrzeugantriebsmotor, eine Motorantriebsbatterie und eine Leistungselektronik führt. Die beiden Leitungszweige sind durch ein Mehrwegeventil so miteinander verbunden, dass die vom ersten Leitungszweig vorgegebene Kühlmittelströmungsrichtung in dem zweiten Leitungszweig umkehrbar ist.
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DE 10 2007 022 855 A1 offenbart ein Verfahren zum Kühlen von Komponenten eines Kraftfahrzeugs, welches die momentane Kühlleistung aus einer Gesamt-Kühlanforderung ermittelt wird, wobei sich die Gesamt-Kühlanforderung aus Einzel-Kühlanforderungen der Komponenten zusammensetzt. Das Kraftfahrzeug wird mit einem Hybridmotor betrieben, welcher mindestens einen Verbrennungsmotor und mindestens eine elektrische Maschine aufweist, wobei die elektrische Maschine von einer Leistungselektronik gesteuert wird. Die Druckschrift beschreibt die Ermittlung des Gesamtkühlbedarfs eines Hybridfahrzeugs.
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US 2018/0086224 A1 beschreibt schließlich ein Wärmemanagementsystem eines Elektrofahrzeugs bestehend aus einer Motorantriebsbatterie, einem Radiator, Kühlleitungen, einem Elektromotor, einem oder mehreren Ventilen zur Steuerung des Kühlmittels entlang der Kühlleitungen und einer Steuerung, über die das oder die Ventile schaltbar sind.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein dem gegenüber verbessertes Kraftfahrzeug anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Kühlmittelkreislauf zwei schaltbare Mehrwegeventile integriert sind, wobei an jedem Mehrwegeventil eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung des Kühlmittelkreislaufs angeschlossen ist und das eine Mehrwegeventil an der elektrischen Maschine und das andere Mehrwegeventil an der Leistungselektronik angeschlossen oder damit verbunden ist, wobei eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung über Kreuz an die Mehrwegeventile angeschlossen sind und die beiden Vorlaufleitungen von einer gemeinsamen Zulaufleitung abzweigen und die beiden Rücklaufleitungen in einer Ablaufleitung münden.
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Beim erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug besteht die Möglichkeit, bei Bedarf die Reihenfolge, in welcher die elektrische Maschine und die Leistungselektronik nacheinander vom Kühlmittel durchströmt werden, umzuschalten, so dass entweder zuerst die Leistungselektronik und anschließend die elektrische Maschine oder zuerst die elektrische Maschine und anschließend die Leistungselektronik vom Kühlmittel durchströmt werden. Das heißt, dass je nach Durchströmungsrichtung entweder zuerst die Leistungselektronik oder die elektrische Maschine das kühlere Vorlaufkühlmittel erhält. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass im Betrieb mit niedrigerer Maschinendrehzahl in Folge der hohen fließenden Ströme die Leistungselektronik respektive der Pulswechselrichter das temperaturkritische Bauteil ist. In diesem Fall ist es sinnvoll, zuerst die Leistungselektronik respektive den Pulswechselrichter und anschließend die elektrische Maschine zu kühlen, damit demzufolge das kühlere Vorlaufkühlmittel zunächst die temperaturkritische Leistungselektronik durchströmt und anschließend erst die in diesem Betriebsfall weniger temperaturkritische elektrische Maschine. Bei höheren Drehzahlen jedoch, wie beispielsweise schnellen Autobahnfahrten oder Bergfahrten, wo die elektrische Maschine viel Leistung erzeugen muss, stellt die elektrische Maschine das temperaturkritischere Bauteil dar. In diesem Fall ist es zweckmäßig, das kühlere Vorlaufkühlmittel zuerst der elektrischen Maschine zuzuführen und anschließend erst der Leistungselektronik, um so eine höhere Reproduzierbarkeit der Leistung bei Fahrten mit höherem Leistungsbedarf zu gewährleisten.
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Diese betriebssituationsbezogene oder selektive Kühlung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Durchströmungsrichtung des Kühlmittels umschaltbar ist, so dass bedarfsabhängig eine optimale Kühlung möglich ist, im Rahmen welcher stets zunächst das situationsbedingt temperaturkritischere Bauteil zuerst mit dem kühleren Vorlaufkühlmittel versorgt wird.
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Zur Ermöglichung der Umschaltung der Durchströmungsrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, im Kühlmittelkreislauf zwei schaltbare Mehrwegeventile zu integrieren, wobei an jedem Mehrwegeventil eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung des Kühlmittelkreislaufs angeschlossen ist und das eine Mehrwegeventil an der elektrischen Maschine und das andere Mehrwegeventil an der Leistungselektronik angeschlossen oder damit verbunden ist, wobei eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung über Kreuz an die Mehrwegeventile angeschlossen sind. Über die beiden Mehrwegeventile ist eine kontrollierte Schaltung definierter Vorlauf- und Rücklaufwege möglich, wobei die Vorlauf- und Rücklaufleitung quasi über Kreuz an die beiden Mehrwegeventile angeschlossen sind, so dass der Vorlauf je nach Schaltzustand der Mehrwegeventile entweder an das der Leistungselektronik zugeordnete Mehrwegeventil oder an das der elektrischen Maschine zugeordnete Mehrwegeventil geschaltet werden kann und entsprechend umgekehrt der Rücklauf entweder an das der Maschine zugeordnete Mehrwegeventil oder an das der Leistungselektronik zugeordnete Mehrwegeventil.
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Die Schaltung respektive Steuerung der Mehrwegeventile erfolgt zweckmäßigerweise über wenigstens eine Steuerungseinrichtung, wobei vorzugsweise eine gemeinsame Steuerungseinrichtung vorgesehen ist. Alternativ kann aber auch jedem Mehrwegeventil eine separate Steuerungseinrichtung zugeordnet sein, wobei die beiden Steuerungseinrichtungen dann entsprechend in Bezug auf die einzunehmenden Schaltzustände miteinander kommunizieren.
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Die beiden zu den beiden Mehrwegeventilen führenden Vorlaufleitungen zweigen erfindungsgemäß von einer gemeinsamen Zulaufleitung ab, über die also der Kühlmittelvorlauf zugeführt wird. In entsprechender Weise münden die beiden Rücklaufleitungen in einer gemeinsamen Ablaufleitung, über die der Rücklauf abgeführt und zur Kühleinrichtung für eine erneute Kühlung geleitet wird.
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Die Steuerung der beiden Mehrwegeventile erfolgt wie beschrieben über die wenigstens eine Steuerungseinrichtung. Diese ist gemäß einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung bevorzugt zur Steuerung der Ventile in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine ausgebildet. Das heißt, dass die Umschaltung der Strömungsrichtung unter Berücksichtigung des ermittelten Betriebszustands der elektrischen Maschine gesteuert werden kann. Als ein solcher Betriebsparameter bietet sich insbesondere die Drehzahl der elektrischen Maschine an. Das heißt, dass in der Steuerungseinrichtung beispielsweise eine eine Schaltschwelle definierende Schaltdrehzahl hinterlegt ist. Entspricht die Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine, die entsprechend erfasst wird, dieser Schaltdrehzahl, so erfolgt eine Umschaltung der Durchströmungsrichtung, da dann ein Betriebszustand erreicht wird, der diese Umschaltung rechtfertigt. Hierbei wird natürlich berücksichtigt, von welcher Richtung kommend sich die Drehzahl der Schaltdrehzahl nähert, ob also ein Drehzahlanstieg gegeben ist, wie beispielsweise beim Beschleunigen auf einer Autobahn üblich, oder ob eine Drehzahlreduzierung erfolgt, wie beispielsweise bei der Abfahrt von einer Autobahn oder Ähnlichem.
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Alternativ besteht auch die Möglichkeit, als Betriebsparameter die Stromaufnahme der elektrischen Maschine zu verwenden, da auch dies ein Betriebsparameter ist, der den Betriebszustand und damit auch die thermische Situation der elektrischen Maschine charakterisiert. In diesem Fall ist ebenfalls ein entsprechender Schwellenparameter in der Steuerungseinrichtung hinterlegt, bei dessen Erreichen beziehungsweise Unter- oder Überschreiten eine entsprechende Umschaltung erfolgen kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, dass die Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Mehrwegeventile in Abhängigkeit wenigstens einer die Ist-Position des Kraftfahrzeugs beschreibenden Positionsinformation ausgebildet ist. Wie beschrieben wird üblicherweise auf Autobahnen mit höherer Geschwindigkeit gefahren, so dass dort eine höhere Maschinendrehzahl gegeben ist. Ist bekannt, auf welcher Straße sich das Kraftfahrzeug befindet, kann auch gestützt auf diese Information eine entsprechende Kreislaufsteuerung erfolgen. Wird also erfasst, dass sich das Fahrzeug in der Stadt oder auf einer Landstraße bewegt, so wird üblicherweise mit relativ niedriger Drehzahl gefahren, eine Erstversorgung der Leistungselektronik, die in diesem Fall das temperaturkritische Bauteil darstellt, ist in diesem Fall zweckmäßig. Ergibt die Positionserfassung eine Autobahnfahrt, so wird entsprechend umgeschaltet, so dass die elektrische Maschine zuerst bestromt wird.
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Neben einer Ermittlung der gerade befahrenen Straßenart kann über die Erfassung der Ist-Position aber auch ermittelt werden, in welchem Terrain das Fahrzeug unterwegs ist, ob es sich also beispielsweise in der Ebene bewegt, oder in den Bergen und eine Bergauffahrt ansteht oder gegeben ist etc. Auch solche aus einer erfassten Ist-Position ermittelten Informationen können als Steuerungsinformation seitens der Steuerungseinrichtung verwendet werden, in Abhängigkeit welcher die Kreislaufumschaltung erfolgen kann.
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Zur Erfassung der Ist-Position dient bevorzugt ein fahrzeugseitig verbautes Navigationssystem, das eine äußerst exakte Erfassung der Positionsinformation ermöglicht.
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Neben dem Kraftfahrzeug selbst betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs der beschriebenen Art, bei dem durch Umschalten der Durchflussrichtung eines Kühlmittels durch einen Kühlmittelkreislauf, in den eine elektrische Maschine und eine dieser zugeordnete Leistungselektronik in Reihe geschaltet sind, das Kühlmittel entweder zuerst der Leistungselektronik und dann der Maschine oder zuerst der Maschine und dann der Leistungselektronik zugeführt wird.
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Die Umschaltung erfolgt über eine entsprechende Schaltung von in den Kühlmittelkreislauf geschalteten Mehrwegeventilen, die der Leistungselektronik und der Maschine zugeordnet sind. Hierzu dient bevorzugt eine Steuerungseinrichtung, wobei in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine und/oder einer die Ist-Position des Kraftfahrzeugs beschreibenden Positionsinformation die Umschaltung der Kühlmitteldurchströmungsrichtung vorgenommen wird. Als Betriebsparameter wird hierbei entweder die Drehzahl der elektrischen Maschine oder die Stromaufnahme der elektrischen Maschine verwendet. Als Positionsinformation wird zweckmäßigerweise eine mit einem fahrzeugseitig verbauten Navigationssystem erfasste Positionsinformation verwendet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs unter Darstellung der elektrischen Maschine mit Leistungselektronik und zugeordnetem Kühlmittelkreislauf,
- 2 die Anordnung aus 1 mit einer Kühlmitteldurchströmung in einer ersten Betriebssituation,
- 3 die Anordnung aus 1 mit einer Kühlmitteldurchströmung in einer zweiten Betriebssituation.
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1 zeigt in einer Prinzipdarstellung eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 von dem eine elektrische Maschine 2, die zum Teil- oder Vollantrieb des Kraftfahrzeugs dient, mit einer zugeordneten Leistungselektronik 3 beispielsweise in Form eines Pulswechselrichters gezeigt ist. Die elektrische Maschine 2 sowie die Leistungselektronik 3 sind in einen Kühlmittelkreislauf 4 eingebunden, mit einem Vorlauf 5 und einem Rücklauf 6, wobei der Vorlauf 5, von einer Kühleinrichtung 7 kommend, zur Anordnung aus elektrischer Maschine 2 und Leistungselektronik 3 führt, mithin also das kühle Kühlmittel zu diesen beiden Komponenten strömt, während der Rücklauf 6 von diesen beiden Komponenten kommt, mithin also das erwärmte Kühlmittel wieder zur Kühleinrichtung 7 geführt wird.
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Der Vorlauf 5 umfasst eine in dieser Prinzipdarstellung von der Kühleinrichtung 7 kommende Zulaufleitung 8, von der zwei Vorlaufleitungen 9a, 9b, abzweigen. Die Vorlaufleitung 9a führt zu einem ersten schaltbaren Mehrwegeventil 10a, das der Leistungselektronik 3 vorgeschaltet respektive zugeordnet beziehungsweise an ihr angeschlossen ist, während die zweite Vorlaufleitung 9b zu einem zweiten Mehrwegeventil 10b führt beziehungsweise dort angeschlossen ist, welches Mehrwegeventil 10b der elektrischen Maschine 2 vorgeschaltet oder an dieser angeschlossen ist.
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In entsprechender Weise weist auch der Rücklauf 6 eine gemeinsame Ablaufleitung 11 auf, in der eine erste Rücklaufleitung 12a und eine zweite Rücklaufleitung 12b münden und die zur Kühleinrichtung 7 führt. Die erste Rücklaufleitung 12a ist am ersten Mehrwegeventil 10a angeschlossen, die zweite Rücklaufleitung 12b ist am zweiten Mehrwegeventil 10b angeschlossen. Das heißt, dass die Vorlauf- und Rücklaufleitungen 9a, 12b quasi in Verlängerung der Zulauf- und Ablaufleitung geführt sind, während die Vorlaufleitung 9b und die Rücklaufleitung 12a quasi über Kreuz geschaltet sind.
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Vorgesehen ist im gezeigten Beispiel eine gemeinsame Steuerungseinrichtung 13, die zum Schalten der beiden Mehrwegeventile 10a, 10b, bei denen es sich beispielsweise um entsprechend ansteuerbare Magnetventile handelt, dient. Über sie kann der jeweilige Schaltzustand der Mehrwegeventile derart variiert werden, dass die Durchströmungsrichtung des Kühlmittels durch die elektrische Maschine 2 und die Leistungselektronik 3 entweder in der einen oder in der anderen Richtung geschaltet werden kann, worauf nachfolgend in Verbindung mit den 2 und 3 noch eingegangen wird.
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Die Steuerungseinrichtung 13 ist dazu ausgebildet, die Umschaltung der Mehrwegventile 10a, 10b und damit der Durchströmungsrichtung in Abhängigkeit entweder eines Betriebsparameters der elektrischen Maschine 2 zu steuern, oder in Abhängigkeit einer Positionsinformation, die die Ist-Position des Fahrzeugs beschreibt.
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Die Betriebsinformation kann beispielsweise eine Drehzahlinformation der elektrischen Maschine 2 sein, die beispielsweise direkt über die elektrische Maschine 2 abgegriffen wird. Alternativ kann die Betriebsinformation auch die Stromaufnahme der elektrischen Maschine 2 sein, was durch entsprechenden Informationsabgriff an der Leistungselektronik 3 erfasst werden kann. Diese Betriebsparameter zeigen an, in welchem Betriebszustand sich die elektrische Maschine befindet, ob sie also letztlich eine niedrigere oder höhere Drehzahl fährt, wobei auch die Stromaufnahme letztlich ein Maß hierfür respektive für die abgegebene Leistung ist. Hieran kann seitens der Steuerungseinrichtung erfasst werden, ob eine Betriebssituation gegeben ist, in der die elektrische Maschine die temperaturkritische Komponente ist, oder die Leistungselektronik. Je nachdem ist die Durchströmungsrichtung in der einen oder anderen Richtung zu schalten.
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Alternativ kann auch wie beschrieben eine Positionsinformation als Schaltinformation verwendet werden, wozu zweckmäßigerweise eine entsprechende Ist-Positionsinformation von einem fahrzeugseitig verbauten Navigationssystem 14 abgegriffen wird. Hieran kann erfasst werden, ob sich das Fahrzeug auf einer Autobahn, einer Landstraße oder in der Stadt befindet oder ob eine Bergauffahrt oder -abfahrt gegeben ist etc. Auch hieran kann quasi eine Betriebssituation erfasst werden, in der entweder die elektrische Maschine oder die Leistungselektronik das temperaturkritischere Bauteil sind.
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2 zeigt eine erste Betriebssituation, bei der die elektrische Maschine 2 mit einer niedrigeren Drehzahl läuft und demzufolge die Leistungselektronik 3 die temperaturkritische Komponente darstellt. Diese Betriebssituation wird wie beschrieben über die Steuerungseinrichtung 13 erfasst und daraufhin die beiden Mehrwegeventile 10a, 10b entsprechend geschaltet, dass der Kühlmittelfluss über die Zuleitung 9a und das Mehrwegeventil 10a zur Leistungselektronik 3 führt, das heißt, das über die Kühleinrichtung 7 gekühlte Kühlmittel zuerst der Leistungselektronik 3 zugeführt wird, wonach es von der Leistungselektronik 3 zur elektrischen Maschine 2 und durch diese strömt und sodann über das Mehrwegeventil 10b zur Rücklaufleitung 12b und über diese zur Kühleinrichtung 7 gelangt. Die Kühlmittelströmungsrichtung ist über die Strömungslinie mit den Strömungspfeilen dargestellt.
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Das heißt, dass durch entsprechende Schaltung der Mehrwegeventile 10a, 10b die Vorlaufleitung 9a und die Rücklaufleitung 12b geöffnet sind, während die Vorlaufleitung 9b und die Rücklaufleitung 12a geschlossen sind.
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Demgegenüber zeigt 3 eine Betriebssituation, bei der mit höherer Drehzahl seitens der elektrischen Maschine 2 gefahren wird, das heißt, dass in dieser Situation die elektrische Maschine 2 die temperaturkritische Komponente darstellt. Auch dieser Betriebszustand wird über die Steuerungseinrichtung 13 entsprechend erfasst, sei es über die entsprechenden Betriebsparameter der Leistungselektronik 3 respektive der elektrischen Maschine 2 oder die Positionsinformation über das Navigationssystem 14.
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In diesem Fall werden die beiden Mehrwegeventile 10a, 10b derart gesteuert, dass das von der Kühleinrichtung 7 und der Zuleitung 8 kommende gekühlte Kühlmittel über die Vorlaufleitung 9b zum Mehrwegeventil 10b und über dieses zuerst zur elektrischen Maschine 2 strömt. Es durchströmt dieselbe und anschließend die Leistungselektronik 3. Von dort gelangt es über das Mehrwegeventil 10a zur Rücklaufleitung 12a und über diese zur Ablaufleitung 11 und zurück zur Kühleinrichtung 7. Auch hier ist die Strömungsrichtung durch die Strömungslinie mit den Strömungspfeilen dargestellt. Hier strömt das Kühlmittel also quasi über Kreuz und zuerst zur elektrischen Maschine 2 und anschließend zur Leistungselektronik 3, während im Ausgangsbeispiel gemäß 2 das Kühlmittel zuerst zur Leistungselektronik 3 und dann zur elektrischen Maschine 2 strömt.
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Die einzelnen Vorlauf- und Rücklaufleitungen 9a, 9b, 12a, 12b, sind an entsprechenden Anschlussstutzen der Mehrwegeventile 10a, 10b, angeschlossen, die ihrerseits an entsprechenden Anschlussstutzen 15, 16 der elektrischen Maschine 2 respektive der Leistungselektronik 3 angeschlossen sind. Anstelle einer Anordnung der Magnetventile 10a, 10b nahezu direkt an der Maschine 2 respektive der Leistungselektronik 3 ist es auch denkbar, die beiden Magnetventile an anderer Position im Kühlmittelkreislauf 5 zu integrieren.
