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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektro-Sattelfahrzeug mit einem Elektromotor, einer Leistungselektronik zur Ansteuerung des Elektromotors, einem Energiespeicher zur Energieversorgung des Elektromotors und der Leistungselektronik sowie einem Kühlsystem zum Kühlen von wenigstens einer Komponente aus dem Energiespeicher, der Leistungselektronik und dem Elektromotor.
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Der Begriff „Elektro-Sattelfahrzeug“ soll dabei sowohl zwei- und dreirädrige Motorräder als auch Quads umfassen, und zwar jeweils sowohl solche mit einem rein elektrischen Fahrtantrieb als auch Hybridfahrzeuge.
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Hintergrund der Erfindung ist, dass durch die Elektrifizierung des Antriebsstrangs neue Randbedingungen und Anforderungen im Bereich der Wärmeabfuhr für das Kühlsystem des Antriebsstrangs existieren.
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Derzeit werden Sattelfahrzeuge sowohl mit Verbrennungsmotor als auch mit Elektromotor mit einem Kühlsystem eingesetzt, dessen Kühlkörper hinter dem Vorderrad positioniert und so orientiert ist, dass seine Haupt-Anströmungsfläche im Fahrbetrieb vom Fahrtwind angeströmt wird, damit eine Wärmeabfuhr an die Umgebung stattfinden kann.
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Die Haupt-Anströmungsfläche des Kühlkörpers ist daher in den meisten Fällen vertikal orientiert oder höchstens leicht gegenüber der Vertikalen geneigt, sofern keine zusätzlichen aufwändigen Maßnahmen zur Umlenkung des Fahrtwinds getroffen werden.
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Verschiedene Positionierungen und Orientierungen des Kühlkörpers für konventionelle Sattelfahrzeuge mit Verbrennungsmotor sind beispielsweise in den Druckschriften
EP 2159145 B1 ,
EP 1275830 B1 und
US 7743868 B2 offenbart.
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Die konventionelle Lösung schränkt zum einen den Bauraum insbesondere in Fahrtrichtung für die Antriebsstrangkomponenten wie Elektromotor, Leistungselektronik, Batterie etc. ein. Vor allem die Batterie besitzt für Elektro-Sattelfahrzeuge mit großer Reichweite einen großen Bauraum. Dadurch, dass der Radstand (Abstand zwischen Vorder- und Hinterradachse) für optimale Fahrwerkseigenschaften im Bereich von 1300 - 1650 mm liegt, ist der Bauraum in Fahrtrichtung begrenzt. Ebenfalls wird der Bauraum in Fahrtrichtung weiter begrenzt, indem für das Vorderrad genügend Freiraum für das Einfedern bzw. Eintauchen gegeben werden muss. Die Kühlerpositionierung senkrecht hinterhalb des Vorderrads verschlechtert die Bauraum-Situation, was dazu führt, dass kleinere Komponenten verbaut oder Anpassungen am Fahrwerk des Motorrads durchgeführt werden müssen.
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Zum anderen lässt sich die Wärmeabfuhr, die durch eine Fahrtwind-Anströmung erzielt wird, nicht uneingeschränkt steuern. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen bis ca. 20 Grad wird eine Wärmeabfuhr für die Antriebsstrangkomponenten eines Elektrofahrzeugs nur noch in sehr geringem Umfang bis überhaupt nicht mehr benötigt, da die einzelnen Komponenten (insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen) höhere Temperaturen für eine lange Lebensdauer benötigen. In solchen Fällen findet durch den Fahrtwind eine zu hohe Wärmeabfuhr statt, was zu niedrig temperierte Komponenten des Antriebsstrangs zur Folge hat.
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Bei einem Elektro-Sattelfahrzeug muss die Wärmeentwicklung sowohl im Fahrbetrieb, als auch im Ladebetrieb betrachtet werden. Es ist möglich, dass im Ladebetrieb eine höhere Wärmeentwicklung stattfindet, als im Fahrbetrieb. Dieser Fall tritt vor allem dann auf, wenn man eine möglichst geringe Ladezeit erreichen möchte. Das Kühlsystem muss so ausgelegt werden, dass auch ohne eine passive Kühlung wie durch eine Fahrtwind-Anströmung die Temperaturen im System eingehalten werden können.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die bekannten Elektro-Sattelfahrzeuge so weiterzuentwickeln, dass der zur Verfügung stehende Bauraum besser ausgenutzt und eine vom Fahrtwind weitgehend unabhängige Kühlung ermöglicht wird.
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Hierzu wird erfindungsgemäß ein Elektro-Sattelfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß ist der im Wesentlichen plattenartig ausgebildete Kühlkörper des Kühlsystems so in das Elektro-Sattelfahrzeug eingebaut, dass seine Haupt-Anströmfläche im Wesentlichen horizontal orientiert ist. Auf eine wesentliche Kühlung durch Anströmung mit Fahrtwind wird dabei bewusst verzichtet.
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Beispielsweise kann ein üblicher, plattenartig ausgebildeter Kühlkörper in der Grundform eines flachen Quaders eingesetzt werden. Als Haupt-Anströmflächen kommen dabei die beiden Flächen senkrecht zur Plattendicke in Frage, also beispielsweise die beiden parallelen größten Flächen des flachen Quaders, wobei es von der Strömungsrichtung der Kühlluft abhängt, welche der beiden vorgenannten Flächen tatsächlich als Haupt-Anströmfläche fungiert, also als die Fläche, gegen welche die Kühlluft im Betrieb im Wesentlichen senkrecht anströmt.
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Begriffe wie „horizontal“, „vertikal“, „oberhalb“, „unterhalb“, sowie andere Richtungsangaben beziehen sich in dieser Anmeldung, sofern nicht anders angegeben, auf die Orientierung für ein in üblicher Weise auf einem horizontalen Untergrund stehendes oder fahrendes Elektro-Sattelfahrzeug bzw. für einen in üblicher Position auf diesem Fahrzeug sitzenden Fahrer.
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Die Angabe „im Wesentlichen horizontal“ ist ferner so zu verstehen, dass sie nur Abweichungen von bis zu ± 10° von der Horizontalen einschließt, vorzugsweise nur Abweichungen von bis zu ± 5°.
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Da bei einem Elektro-Sattelfahrzeug der Energiespeicher bis zu den oberen Verkleidungsteilen positioniert werden kann, entsteht im Vergleich zu konventionellen Sattelfahrzeugen mit Verbrennungsmotor unterhalb des Energiespeichers freier Bauraum. Das ermöglicht eine neue Positionierung von Kühlkörper sowie ggf. Lüfter, da sie nicht mehr direkt hinter dem Vorderrad platziert und zur Anströmung durch Fahrtwind orientiert werden müssen, wie es in der Regel bei Verbrennungsmotorrädern der Fall ist.
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Beispielsweise kann der Kühlkörper so positioniert und orientiert sein, dass bei einer frontalen Luftanströmung des stehenden und vollständig ausgeschalteten Elektro-Sattelfahrzeugs entsprechend einer Fahrtgeschwindigkeit von 80km/h an der Haupt-Anströmfläche eine Anströmgeschwindigkeit senkrecht zur Anströmfläche von höchstens 30km/h, vorzugsweise von höchstens 20km/h, besonders bevorzugt von höchstens 10km/h vorliegt. Dies kann zum Beispiel auf einem Prüfstand im Windkanal gemessen werden. Da das Elektro-Sattelfahrzeug vollständig ausgeschaltet ist, ist bei diesem Versuch auch ein ggf. vorhandener Lüfter nicht in Betrieb, so dass nur der Anteil des „Fahrtwindes“ gemessen wird, der den Kühlkörper anströmt. Sofern das Kühlsystem ein weiter unten näher beschriebenes Venturi-Rohr aufweist, bei dem der Fahrtwind indirekt ausgenützt wird, ist der vorbeschriebene Versuch bei verschlossenem Venturi-Rohr durchzuführen.
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Um den zur Verfügung stehenden Bauraum effektiv auszunutzen, kann vorgesehen sein, dass der Kühlkörper derart unterhalb des Energiespeichers oder/und des Elektromotors positioniert ist, dass der Kühlkörper den Energiespeicher oder/und den Elektromotor in einer Ansicht von unten überlappt.
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Um den Zugriff auf die übrigen Komponenten des Fahrzeugs zu erleichtern, kann vorgesehen sein, dass der Kühlkörper so unterhalb des Energiespeichers oder/und des Elektromotors positioniert ist, dass der Kühlkörper in einer Ansicht von unten nicht über den Energiespeicher oder/und den Elektromotor heraus ragt.
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Andererseits kann der gesamte Bauraum unterhalb der jeweiligen Komponente optimal ausgenutzt werden, indem der der Kühlkörper so unterhalb des Energiespeichers oder/und des Elektromotors positioniert ist, dass der Kühlkörper in einer Ansicht von unten den Energiespeicher oder/und den Elektromotor teilweise oder vollständig verdeckt.
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Vorzugsweise werden dabei mehr als 10%, noch mehr bevorzugt mehr als 20% und besonders bevorzugt mehr als 30% der von unten sichtbaren Fläche von Energiespeicher oder/und Elektromotor durch den Kühlkörper verdeckt.
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Zur Erzeugung einer Anströmung der Haupt-Anströmfläche des Kühlkörpers mit Kühlluft kann das Kühlsystem weiter einen Lüfter mit mindestens einem Lüfterrad umfassen, der unterhalb oder oberhalb des Kühlkörpers vorgesehen sein kann. Der Lüfter kann so betrieben werden, dass er Kühlluft durch den Kühlkörper saugt oder bläst.
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Die Kühlung der Batterie ist daher im Stand, also insbesondere im Ladebetrieb, frei durch die Drehzahl bzw. Leistung des Lüfters regelbar.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlsystem weiter ein unterhalb des Kühlers angebrachtes Venturi-Rohr umfassen, das dazu ausgebildet ist, dass im Fahrbetrieb Fahrtwind durch das Venturi-Rohr strömt, um in der Nähe des Kühlkörpers einen Unterdruck zu erzeugen, der dann Kühlluft durch den Kühlkörper hindurch saugt bzw. im Falle eines zusätzlichen Lüfters dessen Saugwirkung unterstützen kann.
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Hierzu ist der Lüfter bevorzugt unterhalb des Kühlkörpers angeordnet und das Venturi-Rohr unterhalb oder seitlich des Lüfters.
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Eine Durchströmung des Venturi-Rohrs mit Fahrtwind kann durch eine steuerbare Luftklappe oder Ventileinrichtung ein- und ausgestellt bzw. in ihrer Stärke reguliert werden, um eine regelbare Temperatursteuerung zu gewährleisten.
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Um einen ausreichenden Durchsatz mit Kühlluft zu erreichen, sind gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel seitlich des Kühlkörpers mit Ausnahme von möglicherweise vorhandenen Verkleidungsteilen keine weiteren Komponenten des Elektrofahrzeugs vorgesehen.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass unterhalb des Kühlkörpers mit Ausnahme eines ggf. vorhandenen Lüfters oder/und Venturi-Rohrs sowie mit Ausnahme von möglicherweise vorhandenen Verkleidungsteilen keine weiteren Komponenten des Elektro-Sattelfahrzeugs angeordnet sind.
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Bei einem Fahrzeug mit Lüfter und Venturi-Rohr sind vorzugsweise seitlich des Kühlkörpers, des Lüfters und des Venturi-Rohrs sowie unterhalb der untersten Komponente aus Kühlkörper, Lüfter und Venturi-Rohr mit Ausnahme von möglicherweise vorhandenen Verkleidungsteilen keine weiteren Komponenten des Elektro-Sattelfahrzeugs vorgesehen.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Form eines Elektromotorrads,
- 2 den Gegenstand von 1 in einer Ansicht von unten,
- 3 in den Teilabbildungen a) und b) verschiedene Arten, den Lüfter des Elektromotorrads aus 1 zu betreiben,
- 4 den Gegenstand von Teilabbildung 3b) bei zusätzlicher seitlicher Fahrtwind-Anströmung,
- 5 Teile des Gegenstands von 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten, und
- 6 in den Teilabbildungen a) und b) ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht sowie einer Ansicht von unten.
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Gleiche oder einander entsprechende Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und das zweite Ausführungsbeispiel wird in erster Linie nur insoweit beschrieben, als es sich vom ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet.
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Das in den 1 und 2 dargestellte Elektro-Sattelfahrzeug 20, hier in Form eines Elektromotorrads mit optionaler Lichtanlage 33 ist ein durch einen Elektromotor 18 angetriebenes Kraftfahrzeug mit zwei in einer Spur hintereinander angebrachten Rädern 28, 29 und einem oder zwei Sitzen 25.
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Ein Fahrer kann sich in üblicher Weise in Fahrtrichtung sitzend auf dem vordefiniertem Sitz 25 des Elektro-Sattelfahrzeugs 20 befinden und kann den Lenker 26 um dessen Lenkachse 27 drehen und somit das Fahrzeug steuern.
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Am Vorderrad 28 sind eine Vorderradbremse 36 und eine Gabel 34 befestigt, am Hinterrad 29 eine Schwinge 30, ein Federbein 35 sowie eine Hinterradbremse 38.
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Neben dem Elektromotor 18 sind außerdem ein Energiespeicher 15, hier in Form einer aufladbaren Batterie, sowie eine Leistungselektronik 19 verbaut. Der Elektromotor 18 ist im Wesentlichen unterhalb des Sitzes 25 zwischen Energiespeicher 15 und Schwinge 30 angebracht und ist über einen Ketten-, Riemen-, oder Kardanantrieb 37 direkt oder über ein zusätzliches Getriebe mit dem Hinterrad 29 verbunden. Es ist auch denkbar, dass der Elektromotor direkt im Hinterrad integriert ist.
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Die Antriebssachse des Elektromotors 18 kann parallel zu den Radachsen oder in Fahrtrichtung V ausgerichtet sein und richtet sich hauptsächlich danach, wie die Bauraum-Verhältnisse sind, und welche Antriebsart zum Hinterrad 29 gewählt wird.
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Der Energiespeicher 15 befindet, sich in Fahrtrichtung V gesehen, hinter dem Vorderrad 28, im vordersten Bauraum-Bereich des Elektro-Sattelfahrzeugs 20.
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Die Leistungselektronik 19 kann beispielsweise oberhalb des Energiespeichers 15 oder zwischen dem Sitz 25, dem Energiespeicher 15 und dem Elektromotor 18 platziert werden. Ein hier nicht weiter dargestellter Rahmen ist in üblicher Weise für die Befestigung der verschiedenen Komponenten Bauteile zuständig und verleiht dem Elektrofahrzeug 20 die notwendige Festigkeit und Steifigkeit.
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Wenigstens eine Komponente aus Energiespeicher 15, Elektromotor 18 und Leistungselektronik 19, bevorzugt mehrere oder alle dieser Komponenten, können durch ein Kühlsystem 13 gekühlt bzw. temperiert werden. Das Kühlsystem 13 umfasst ein durch Pfeile angedeutetes Leitungssystem 11 für ein Kühlmittel (insbesondere eine Kühlflüssigkeit), einen Kühlkörper 16, über den Wärme des im Betrieb durch die Abwärme der zu kühlenden Komponenten erwärmten Kühlmittels an die Umgebung abgegeben werden kann, sowie bevorzugt eine (hier nicht dargestellte) Kühlmittelpumpe.
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Der Kühlkörper 16 ist in üblicher Weise plattenartig bzw. in der Grundform eines flachen Quaders ausgebildet, dessen größte Flächen als Haupt-Anströmflächen 16a dienen (vgl. 3).
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Erfindungsgemäß ist der Kühlkörper 16 so ausgerichtet, dass seine Haupt-Anströmfläche 16a im Wesentlichen horizontal orientiert ist, und er befindet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel direkt unterhalb des Energiespeichers 15.
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Wie 2 illustriert, ist der Kühlkörper 16 so unterhalb des Energiespeichers 15 angeordnet, dass er in einer Ansicht von unten nicht über diesen hinaus ragt und ihn weiterhin auch weitgehend verdeckt.
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Es ist variabel, inwiefern Kühlkörper 16 und Lüfter 17 untereinander bzw. übereinander angeordnet werden. Der Kühlkörper 16 und der Lüfter 17 befinden sich im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen unterhalb des Energiespeichers 15, sie können aber auch unterhalb von anderen Bauteilen, wie zum Beispiel unterhalb des Elektromotors 18 platziert werden, wenn es die Anordnung der Bauteile ermöglicht.
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3 illustriert die Wirkungsweise des Kühlsystems 13. Eine Anströmung des Kühlkörpers 16 mit Kühlluft wird erfindungsgemäß in erster Linie nicht durch Fahrtwind sondern beispielsweise durch einen konventionellen Lüfter 17 erzeugt.
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Dieser saugt oder bläst die Umgebungsluft durch den Kühlkörper 16 hindurch, wie in den Teilabbildungen a) und b) von 3 illustriert. Die erzeugte Luftströmung 32 kühlt das durch den Kühlkörper 16 strömende Kühlmittel ab. Durch das Saugen / Blasen des Lüfters 17 ist denkbar, dass die von dem Energiespeicher 15 erwärmten Luftmoleküle ebenfalls zur Temperierung des Kühlkreislaufs beitragen.
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Wie 3 illustriert, fungiert im Saug-Betrieb (a) des Lüfters 15 die dem Lüfter zugewandte Seite des Kühlkörpers 16 als dessen Haupt-Anströmfläche 16a, im Blas-Betrieb (b) die dem Lüfter 15 abgewandte Seite des Kühlkörpers 16.
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Der Kühlkörper 16 und der Lüfter 17 müssen dabei so ausgelegt sein, dass diese die notwendige Wärmeabfuhr sowohl im Fahrbetrieb als auch im Ladebetrieb des Elektro-Sattelfahrzeugs 20 gewährleisten.
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Durch die dargestellte Positionierung und Orientierung des Kühlkörpers 16 wird absichtlich auf die übliche Haupt-Abkühlung durch Fahrtwind-Anströmung der Haupt-Anströmfläche verzichtet.
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Es ist jedoch denkbar, eine seitliche Anströmung 31 des Kühlkörpers 16 durch Fahrtwind, Wind o.ä. zu ermöglichen, um die erwärmte Luft, die sich zwischen dem Kühlkörper 6 und dem Energiespeicher 15 befindet, schneller abströmen lassen zu können, wie in 4 dargestellt. Dieser Kühleffekt ist jedoch lediglich ein Nebeneffekt im Falle, dass die Bauteile nicht vollständig abgeschirmt werden.
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Der in Fahrtrichtung freie Bauraum hinter dem Vorderrad kann durch eine Verschiebung bzw. Vergrößerung der Antriebsstrangkomponenten befüllt werden. Die Temperierung der Antriebsstrangkomponenten - vor allem die Temperierung der Batteriezellen des Energiespeichers 15 - erfolgt im Wesentlichen durch Kühlkörper 16 und Lüfter 17.
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Die Positionierung dieser beiden Bauteile ist dabei unabhängig von der Verschaltung des gesamten Kühlkreislaufes.
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5 zeigt die Batterie 15, den Kühlkörper 16, den Lüfter 17, den Motor 18 und die Leistungselektronik 19 des Elektrofahrzeugs aus 1 in ihren Positionen und Orientierungen relativ zueinander in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten. Die Komponenten sind dabei so dargestellt, als würde das (in 5 nicht illustrierte) Elektro-Sattelfahrzeug auf der Seite liegen.
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Diese Figur zeigt etwas deutlicher, dass es sich bei dem an der Unterseite 15u der Batterie 15 angeordneten Kühlkörper 16 um einen üblichen Plattenkühler handelt, mit einem Kühlmittel-Einlass 16i, einem einlassseitigen Verteiler 16mi, der das Temperier-Medium aus dem Kühlmittel-Einlass auf eine Mehrzahl flacher, paralleler Kanäle 16c verteilt, einem auslassseitigen Verteiler 16mo und einem daran angeschlossenen Kühlmittel-Auslass 16o. Zwischen den Kanälen 16c sind Lamellen 161 angeordnet, um die Oberfläche des Kühlkörpers zu vergrößern und die Wärmeabfuhr zu erleichtern. Die durch den Lüfter 17 erzeugte Anströmung erfolgt in einer Anströmrichtung A „von unten“ (bei normaler Orientierung des Fahrzeugs). Die Vorderseite der Batterie 15 ist mit 15v bezeichnet, die Seitenwand mit 15s.
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Unterhalb, sowie in allen seitlichen Richtungen von Kühlkörper 16 und Lüfter 17 sind keine weiteren Komponenten platziert, mit Ausnahme höchstens von Verkleidungsteilen und einem optionalen Venturi-Rohr 21, wie es im zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektro-Sattelfahrzeugs 20 in 6 dargestellt ist.
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Das Venturi-Rohr 21 besitzt im Bereich seiner Engstelle eine Öffnung 21 o zum Lüfter 17 hin und kann bei Durchströmung z.B. mit Fahrtwind aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften im Bereich des Lüfters 17 einen Unterdruck erzielen, der sich in einer Sogwirkung bemerkbar macht. Damit kann bei einem saugenden Lüfter 17 die Sogwirkung zusätzlich verstärkt werden.
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Beispielsweise am Einlass 21a des Venturi-Rohrs 21 kann eine (hier nicht dargestellte) Einrichtung vorgesehen sein, um die Durchströmung des Venturi-Rohrs 21 mit Fahrtwind wahlweise ein- und auszuschalten bzw. zu regulieren, etwa eine steuerbare Klappe bzw. ein Ventil, mit dem der Öffnungsquerschnitt des Einlasses 21a modifiziert werden kann.
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Wenn der Kühler, durch besondere bauliche Maßnahmen o. ä., beispielsweise durch eine ausreichend große Oberfläche und ggf. spezielle Materialien der Kühlkanäle des Kühlers, eine ausreichende Kühlwirkung erzielt, ist auch denkbar, dass der Lüfter entfallen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2159145 B1 [0006]
- EP 1275830 B1 [0006]
- US 7743868 B2 [0006]
